一种三维激光成像仪摆动误差消除方法与流程

1.本发明属于三维激光成像仪的技术领域，尤其涉及一种三维激光成像仪摆动误差消除方法。


背景技术：

2.三维激光成像仪采用间接飞行时间(indirect-tof，i-tof)技术，将发射端的光调制信号和接收端的电解调信号做相关运算，即首先在波形上选取4个采样点，再根据各采样点(i0、i1、i2、i3)的电荷量计算相位差，最后推导出发射信号和接收信号的时间延迟，并计算出深度信息。
3.利用发射信号和接收信号做相关运算解算相位的计算方法通常设定参考信号与回波信号均是标准正弦波，但是由于发射光源调制过程中的不规则性，实际上发射信息和接收信号的形式并不是标准正弦波，除基波分量外，还存在着直流分量、高次谐波以及非谐波信号等杂波干扰，因此会在距离测量过程中引入摆动误差，显著影响距离精度。


技术实现要素：

4.为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种三维激光成像仪摆动误差消除方法，其能够有效消除摆动误差对测量精度的影响。
5.本发明的技术方案是：这种三维激光成像仪摆动误差消除方法，其包括以下步骤：
6.(1)采用两种相位差为π/4的发射信号对同一距离位置d进行测量，获取两次测量的相位值，并生成测量向量zk；
7.(2)结合相关卡尔曼滤波和极大似然准则方法对噪声协方差矩阵进行评估，将测量向量zk作为输入值，状态向量xk作为输出值，消除三维激光成像仪工作过程中的随机误差；
8.(3)将步骤(1)中所获得的两次测量向量序列z
1st
和z
2nd
分别作为步骤(2)的输入值，输出状态向量xk返回至步骤(1)进行处理，生成状态向量序列xk[]，并计算测量相位值，分别对步骤(1)中两次测量结果进行处理，获得修正后的相位值。
[0009]
本发明通过两次测量即可获得摆动误差特性，无需进行多次试验，节约了人力物力，是较为简便的消除方法；同时该方法通过相关滤波消除了随机误差，稳定性高，有效避免了其他随机因素对测量精度的影响。
附图说明
[0010]
图1为根据本发明的三维激光成像仪摆动误差消除方法的示意图。
[0011]
图2为根据本发明的两次测量方法流程图。
具体实施方式
[0012]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施
例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0013]
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
[0014]
三维激光成像仪的相位值解算公式如下所示：
[0015][0016]
具有三次和五次谐波的相关函数强度i'n测量可以表示为：
[0017][0018]
式中a1,a3,a5分别为基频谐波，三阶谐波，五阶谐波的幅值。
[0019]
当相关函数存在谐波时，使用式(1)计算出的相位如下：
[0020][0021]
摆动误差可表示为：
[0022][0023]
利用正切函数的性质，式(4)可化简为：
[0024][0025]
式中q＝a3/a1，r＝a5/a1，利用泰勒公式展开，上式可以化简为：
[0026][0027]
在通常情况下a1》a3，a3》a5。因此r＜＜q＜＜1，相位计算误差可表示
[0028]
为：
[0029][0030]
如图1所示，这种三维激光成像仪摆动误差消除方法，其包括以下步骤：
[0031]
(1)采用两种相位差为π/4的发射信号对同一距离位置d进行测量，获取两次测量的相位值，并生成测量向量zk；
[0032]
(2)结合相关卡尔曼滤波和极大似然准则方法对噪声协方差矩阵进行评估，将测量向量zk作为输入值，状态向量xk作为输出值，消除三维激光成像仪工作过程中的随机误差；
[0033]
(3)将步骤(1)中所获得的两次测量向量序列z
1st
和z
2nd
分别作为步骤
[0034]
(2)的输入值，输出状态向量xk返回至步骤(1)进行处理，生成状态向量序列xk[]，并计算测量相位值，分别对步骤(1)中两次测量结果进行处理，获得修正后的相位值。
[0035]
本发明通过两次测量即可获得摆动误差特性，无需进行多次试验，节约了人力物力，是较为简便的消除方法；同时该方法通过相关滤波消除了随机误差，稳定性高，有效避免了其他随机因素对测量精度的影响。
[0036]
优选地，所述步骤(1)包括以下分步骤：
[0037]
(1.1)第一次测量中，直接测量反射信号的相位值其测量相位值摆动误差值和理论相位值分别为：
[0038][0039][0040][0041]
其中q为常量，表示三次谐波系数与基波系数比值；
[0042]
(1.2)第二次测量中，其发射信号与第一次相位相差为π/4，测量得到的回波信号相移同样会增加π/4，第二次测量相位值
[0043]
摆动误差值和理论相位值分别为：
[0044][0045][0046][0047]
(1.3)两次相位测量的摆动误差取值相反，对两次测量值进行处理运算，消去摆动误差值，得到最终测量相位值
[0048][0049][0050]
优选地，所述步骤(2)包括以下分步骤：
[0051]
(2.1)初始化状态估计值误差协方差矩阵p0,过程噪声协方差矩阵q和测量噪声协方差矩阵r；
[0052]
(2.2)预测状态估计值和误差协方差矩阵
[0053][0054][0055]
其中f是状态转移矩阵；
[0056]
(2.3)计算增益值kk,更新后误差协方差pk,新息序列rk,以及更新后状态估计值
[0057][0058]
[0059][0060][0061]
(2.4)计算新息序列极大似然估计协方差并修正过程噪声协方差矩阵q:
[0062][0063][0064]
(2.5)将测量向量zk作为输入，三维激光成像仪的状态向量xk作为输出，利用xk计算出消除随机误差后的测量相位值
[0065][0066]
优选地，所述步骤(3)包括以下分步骤：
[0067]
(3.1)状态估计:两次测量的强度数据分别作为测量向量序列z
1st
和z
2nd
输入到步骤(2)中，获得系统状态向量序列x
1st
和x
2nd
；
[0068]
(3.2)相位计算:利用系统状态向量序列，计算出两次测量的相位序列和
[0069]
(3.3)相位修正:计算消除摆动误差和随机误差后的相位序列
[0070]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。