專利名稱：基于望遠(yuǎn)鏡的三維光學(xué)掃描儀校準(zhǔn)的制作方法
基于望遠(yuǎn)鏡的三維光學(xué)掃描儀校準(zhǔn)針對真實(shí)世界物體的數(shù)據(jù)采集和隨后的計(jì)算機(jī)模型生成在許多行業(yè)中并且對于許多應(yīng)用是受關(guān)注的，這些行業(yè)和應(yīng)用包括建筑、實(shí)物產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)、娛樂應(yīng)用(例如，電影和游戲中)、測量、制造質(zhì)量控制、醫(yī)療成像和構(gòu)造、以及制圖和地理應(yīng)用。為了獲得物體的準(zhǔn)確3D模型以及物體在真實(shí)世界中的面積，必需對組成物體的表面和周圍區(qū)域的元素進(jìn)行準(zhǔn)確測量或取樣。歷史上，使用以最多每小時(shí)數(shù)十或數(shù)百的速率提供取樣的技術(shù)來執(zhí)行該取樣。近來在掃描技術(shù)(如利用LIDAR掃描的技術(shù))中的進(jìn)展已經(jīng)使得能夠在大約數(shù)小時(shí)內(nèi)在大區(qū)域上收集物理表面上的數(shù)十億的點(diǎn)樣本。在LIDAR掃描處理中，掃描裝置將激光束掃描過包圍關(guān)注結(jié)構(gòu)的場景，并且由掃描裝置捕獲從場景反射的光束。掃描裝置由此測量位于場景中可見的表面上的大量點(diǎn)。每個(gè)掃描點(diǎn)在3D空間中具有測量位置，在一定的測量誤差內(nèi)，該測量位置通常針對在掃描儀的本地坐標(biāo)系中的點(diǎn)(x、y、z)被記錄。所得到的點(diǎn)集合通常稱為一個(gè)或更多個(gè)點(diǎn)云(point cloud)，其中每個(gè)點(diǎn)云可以包括位于掃描視野中的許多不同表面上的點(diǎn)。常規(guī)LIDAR掃描系統(tǒng)并不天然地創(chuàng)建點(diǎn)，而是替代地創(chuàng)建被轉(zhuǎn)換為x、y和ζ坐標(biāo)的具有關(guān)聯(lián)鏡面角的測程組。將這些天然測量結(jié)果映射為x、y和ζ坐標(biāo)的功能取決于掃描儀如何裝配，并且對于高精度系統(tǒng)，該功能針對每個(gè)掃描儀都是不同的，并且是溫度和其他環(huán)境條件的函數(shù)。掃描儀系統(tǒng)之間的差別通常由稱為校準(zhǔn)參數(shù)的一組數(shù)據(jù)表示。校準(zhǔn)系統(tǒng)的目的是估計(jì)校準(zhǔn)參數(shù)。掃描儀的校準(zhǔn)系統(tǒng)現(xiàn)在通常包括測量一組已知靶物并根據(jù)這些測量結(jié)果來估計(jì)校準(zhǔn)參數(shù)。掃描儀系統(tǒng)將測量一個(gè)或更多個(gè)靶物的位置。這些相同靶物的位置由受信基準(zhǔn)系統(tǒng)(例如使用某種其他方法校準(zhǔn)的全站儀(total station))測量。接著估計(jì)在該測量條件下的校準(zhǔn)參數(shù)。在一個(gè)或更多個(gè)溫度處可以執(zhí)行前述處理。這樣的方法遇到至少三個(gè)問題。首先，需要輔助測量系統(tǒng)來定位激光掃描靶物。第二，如果在利用輔助測量系統(tǒng)測量靶物的時(shí)間和由被校準(zhǔn)的掃描儀測量靶物的時(shí)間之間靶物發(fā)生移動——這或許是因?yàn)榘形锢绻潭ǖ浇ㄖ锏碾S時(shí)間由于太陽光或其他因素而變形的部分，這些移動將系統(tǒng)性誤差引入到校準(zhǔn)參數(shù)中。第三，估計(jì)校準(zhǔn)參數(shù)的能力不會比利用掃描儀和輔助測量系統(tǒng)來定位靶物的能力更好。靶物距掃描儀越遠(yuǎn)，校準(zhǔn)的角度部分的估計(jì)值就越好。這已經(jīng)導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)成為寬范圍地隔開靶物的大校準(zhǔn)系統(tǒng)。這需要大的穩(wěn)定空間?？臻g的尺寸占用太大并且傾向于加重第二個(gè)問題；即，靶物需隨時(shí)間保持穩(wěn)定或者固定在適當(dāng)位置。全站儀是在測量中使用的手動操作光學(xué)儀器。全站儀是電子經(jīng)緯儀(經(jīng)緯儀)、電子測距計(jì)(EDM)和運(yùn)行在稱為數(shù)據(jù)收集器的外部計(jì)算機(jī)上的軟件的組合。利用全站儀，可以確定從儀器到待測量點(diǎn)的角度和距離。利用三角法和三角測量法，可以使用角度和距離來計(jì)算被測量點(diǎn)的實(shí)際位置的坐標(biāo)(x、y和ζ或北距、東距和仰角)或者按照絕對項(xiàng)的儀器距已知點(diǎn)的位置。多數(shù)現(xiàn)代全站儀儀器通過對刻蝕在儀器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)玻璃圓柱或盤上的極其精密的數(shù)字條形碼進(jìn)行光電掃描來測量角度。最好質(zhì)量的全站儀能夠測量低至0. 5弧秒的角度。不昂貴的“結(jié)構(gòu)級”的全站儀一般可以測量5或10弧秒的角度。全站儀通過使用準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡來解決高精度角度校準(zhǔn)問題。待校準(zhǔn)的全站儀放置在穩(wěn)定的固定物上。在透鏡組后具有靶物的望遠(yuǎn)鏡用作靶物。通過在其靶物前放置透鏡組， 當(dāng)靶物實(shí)際上小于1米遠(yuǎn)時(shí)，靶物表現(xiàn)為位于更大的距離處(也許甚至數(shù)百米遠(yuǎn))。該技術(shù)將全站儀的校準(zhǔn)系統(tǒng)的角度部分的尺寸減小到幾個(gè)平方米。減小的尺寸還有助于靶物的穩(wěn)定，因?yàn)榘形镌谖锢砩辖咏⑶铱梢园惭b在通常由混凝土制成的同一穩(wěn)定基部中。甚至靶物的穩(wěn)定性不重要。全站儀校準(zhǔn)系統(tǒng)通過在兩個(gè)面中觀測這些靶物而消除了對輔助測量系統(tǒng)或大穩(wěn)定性的要求。在雙面測量中，全站儀放置在穩(wěn)定的底座上。操作者接著通過全站儀的望遠(yuǎn)鏡觀測望遠(yuǎn)鏡中的靶物。在第二面中重復(fù)該測量；即，在基部上旋轉(zhuǎn)全站儀達(dá)180度或一周的一半并重復(fù)該測量。省去了角度測量，并且根據(jù)這些觀測結(jié)果可以在不使用輔助測量系統(tǒng)的情況下確定望遠(yuǎn)鏡的位置和相關(guān)全站儀參數(shù)二者。準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡需要某種調(diào)整以用于激光掃描儀，因?yàn)榧す鈷呙鑳x發(fā)射需要發(fā)現(xiàn)其位置的激光束。另外，當(dāng)應(yīng)用于激光掃描儀時(shí)，使用雙面測量并且沒有輔助測量系統(tǒng)的全站儀校準(zhǔn)方法失敗。通常的激光掃描儀必須快速地移動激光束。這一般通過使用反射鏡而不是通過移動激光器來進(jìn)行。如果完全移動激光器，全站儀校準(zhǔn)方法可適用，因?yàn)樵诩す馐惭b中的不確定度與仰角系數(shù)(elevation index)以及全站儀準(zhǔn)直誤差的不確定度表現(xiàn)相同。 但是，如果反射鏡移動激光束，則激光安裝中的不確定度是新的參數(shù)，并且全站儀校準(zhǔn)方法對于激光掃描儀校準(zhǔn)變?yōu)椴涣紶顟B(tài)?？傊?，掃描儀校準(zhǔn)的現(xiàn)有技術(shù)受到尺寸、成本和精度限制的影響，因?yàn)樾?zhǔn)需要輔助基準(zhǔn)，并且精度對于校準(zhǔn)系統(tǒng)的尺寸和穩(wěn)定性敏感。全站儀校準(zhǔn)的現(xiàn)有技術(shù)解決了這些問題，但當(dāng)應(yīng)用于激光掃描儀校準(zhǔn)時(shí)失敗。全站儀校準(zhǔn)方法不能夠正確地識別激光掃描儀的全部校準(zhǔn)參數(shù)，因?yàn)槲锢碓O(shè)置這樣的激光掃描儀的方式不同于全站儀，即，因?yàn)榧す鈷呙鑳x使用反射鏡來使激光束偏轉(zhuǎn)。提供該發(fā)明內(nèi)容來介紹簡化形式的概念的選擇，這些概念下面還將在詳細(xì)的說明中描述。該發(fā)明內(nèi)容不是要識別所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特點(diǎn)，也不是要用作確定所要求保護(hù)的主題的范圍的幫助。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式包括一種用于執(zhí)行三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的角度校準(zhǔn)或傾斜校準(zhǔn)的對映校準(zhǔn)架(antipodal calibration rig)。對映校準(zhǔn)架包括安裝在架上的第一望遠(yuǎn)鏡和安裝在架上的第二望遠(yuǎn)鏡。對映校準(zhǔn)架還包括用于定位在對映校準(zhǔn)架內(nèi)的掃描儀的基部?；勘慌渲脼槭沟卯?dāng)掃描儀置于基部上時(shí)掃描儀位于第一望遠(yuǎn)鏡的軸上和第二望遠(yuǎn)鏡的軸上。本發(fā)明的另一實(shí)施方式包括一種用于按對映體對排列第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡的方法。望遠(yuǎn)鏡包括對準(zhǔn)激光器(alignment laser)，并且用于觀測第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡的裝置位于第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡之間。該方法包括在第一望遠(yuǎn)鏡處對第一望遠(yuǎn)鏡的第一對準(zhǔn)激光器的第一光束的位置與第二望遠(yuǎn)鏡的第二對準(zhǔn)激光器的第二光束的位置進(jìn)行比較。該方法還包括在第二望遠(yuǎn)鏡處對第一光束的位置與第二光束的位置進(jìn)行比較。該方法還包括調(diào)整第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡，直到第一對準(zhǔn)激光器和第二對準(zhǔn)激光器的光束平行。
本發(fā)明的另一實(shí)施方式包括一種用于三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的角度校準(zhǔn)的方法。該方法包括在對映校準(zhǔn)架內(nèi)定位三維光學(xué)掃描系統(tǒng)。對映校準(zhǔn)架包括安裝在對映校準(zhǔn)架上的第一望遠(yuǎn)鏡和安裝在對映校準(zhǔn)架上的第二望遠(yuǎn)鏡。第一望遠(yuǎn)鏡與第二望遠(yuǎn)鏡對映排列，并且掃描儀位于第一望遠(yuǎn)鏡的軸上和第二望遠(yuǎn)鏡的軸上。該方法還包括在兩個(gè)面中測量第一望遠(yuǎn)鏡的角度位置和測量第二望遠(yuǎn)鏡的角度位置。該方法還包括根據(jù)這些測量結(jié)果來估計(jì)三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的一組角度校準(zhǔn)參數(shù)。本發(fā)明的另一實(shí)施方式包括一種用于校準(zhǔn)三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的傾斜傳感器的方 ji法。該方法包括將掃描系統(tǒng)定位在對映校準(zhǔn)架內(nèi)的傾斜臺上。對映校準(zhǔn)架包括安裝在對映校準(zhǔn)架上的一個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡。該一個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡用于測量三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的傾斜。該方法還包括對三維光學(xué)掃描系統(tǒng)執(zhí)行角度校準(zhǔn)并求解三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的傾斜系數(shù)。求解傾斜系數(shù)包括旋轉(zhuǎn)掃描儀并觀測傾斜傳感器的變化，并且在測量業(yè)中公知為傾斜的雙面調(diào)整。該方法還包括執(zhí)行一組步驟，這一組步驟包括將傾斜臺移動到下一傾斜位置；獲得傾斜傳感器的實(shí)際輸出；測量兩個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡的位置；以及使用所測量的兩個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡的位置來計(jì)算傾斜傳感器的期望輸出。該方法包括針對所述三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的三個(gè)或更多個(gè)傾斜位置重復(fù)所述一組步驟，并使用這些測量結(jié)果來計(jì)算估計(jì)的傾斜傳感器模型。本發(fā)明的另一實(shí)施方式包括一種用于確定三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的測程范圍(range scale)的方法。該方法包括從三維光學(xué)掃描系統(tǒng)向?qū)τ承?zhǔn)架發(fā)射光束。該方法還包括在對映校準(zhǔn)架處將來自三維掃描系統(tǒng)的光束分離。來自三維掃描系統(tǒng)的光束的第一部分進(jìn)入循環(huán)光纖回路以返回到分束器，來自三維掃描系統(tǒng)的光束的第二部分進(jìn)入透射透鏡。該方法還包括從透射透鏡將光束發(fā)射回到掃描系統(tǒng)，在掃描系統(tǒng)處測量脈沖之間的時(shí)間，并根據(jù)脈沖之間的時(shí)間計(jì)算測程數(shù)據(jù)。兩個(gè)這樣的組件可以放置在掃描儀的相對兩側(cè)，以估計(jì)掃描系統(tǒng)的測程偏移。本發(fā)明的這些和其他目的以及特征將在隨后的說明書和所附的權(quán)利要求中變得更加清楚，或者可以通過實(shí)施此后闡述的本發(fā)明而獲知。為了進(jìn)一步闡明本發(fā)明的上述和其他優(yōu)點(diǎn)和特征，通過參考在附圖
中示出的本發(fā)明的具體實(shí)施方式
來給出本發(fā)明的更具體的描述。應(yīng)當(dāng)理解，這些圖僅描述了本發(fā)明的例示實(shí)施方式，因此不認(rèn)為是限制它的范圍。通過使用附圖將更加具體和詳細(xì)地描述和說明本發(fā)明，在附圖中圖IA示出對映校準(zhǔn)架的示例；圖IB示出圖IA的四軸掃描儀操縱器；圖2是示出用于將第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡排列成對映體對的方法示例的流程圖；圖3示出用于使用分束器比較對準(zhǔn)激光器的位置的實(shí)施方式；圖4示出用于使用角隅棱鏡(corner cube)比較對準(zhǔn)激光器的位置的另選實(shí)施方式圖5A示出對因測量噪聲導(dǎo)致的校準(zhǔn)參數(shù)誤差的仿真；圖5B示出對因在校準(zhǔn)掃描儀中使用的對映的一對望遠(yuǎn)鏡的未對準(zhǔn)導(dǎo)致的校準(zhǔn)參數(shù)誤差的仿真；
圖6是示出用于執(zhí)行三維掃描系統(tǒng)的角度校準(zhǔn)的方法示例的流程圖；圖7是示出用于執(zhí)行三維掃描系統(tǒng)的傾斜校準(zhǔn)的方法示例的流程圖；圖8是示出用于執(zhí)行三維掃描系統(tǒng)的測程校準(zhǔn)的方法示例的流程圖；圖9A示出測程校準(zhǔn)架(range calibration rig)的示例；禾口圖9B示出從測程校準(zhǔn)架向掃描儀發(fā)射的脈沖。全站儀和其他掃描系統(tǒng)的校準(zhǔn)是公知的處理。但是，該處理不很好地適合于包括 LIDAR掃描儀的三維光學(xué)掃描系統(tǒng)。三維光學(xué)掃描系統(tǒng)與全站儀相比在校準(zhǔn)中具有附加的不確定度。其中，這些附加的不確定度由反射鏡產(chǎn)生，所述反射鏡用于改變在掃描中使用的激光束的位置。為了克服這些問題，需要并在下面公開了另選的校準(zhǔn)方法。I、對映校準(zhǔn)架圖IA示出對映校準(zhǔn)架100的示例。該示例包含對映的一對望遠(yuǎn)鏡110和115、以及其他望遠(yuǎn)鏡。對映校準(zhǔn)架100可以用于角度校準(zhǔn)(如在下面部分III中所述)、傾斜校準(zhǔn) (如在下面部分IV中所述)和/或測程校準(zhǔn)(如在下面部分V中所述)。在一些實(shí)施方式中，對映校準(zhǔn)架100包括用于對映校準(zhǔn)架100內(nèi)的掃描儀107的基部105?；?05可以包括四軸掃描儀操縱器108。圖IB示出圖IA的四軸掃描儀操縱器108。四軸掃描儀操縱器 108允許掃描儀107繞兩個(gè)軸(或者稱為傾斜臺)做小的傾斜運(yùn)動以及繞一個(gè)軸(通常為掃描儀107的立軸)旋轉(zhuǎn)。另外，操縱器108允許掃描儀107總體平移以從對映的望遠(yuǎn)鏡之間取走該單元。另選地，基部105可以僅包括傾斜臺(未示出)，該傾斜臺具有可以在一個(gè)或更多個(gè)方向上傾斜的頂或者具有允許掃描儀的適當(dāng)運(yùn)動(包括移位和旋轉(zhuǎn))的任何其他設(shè)備。在一些實(shí)施方式中，校準(zhǔn)架100包括一個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡110、115、120和123。這里使用的望遠(yuǎn)鏡包括在透鏡后的靶物，該透鏡被設(shè)計(jì)為收集或聚焦電磁輻射。例如，校準(zhǔn)架 100可以包括第一望遠(yuǎn)鏡110和第二望遠(yuǎn)鏡115。在一些實(shí)施方式中，第一望遠(yuǎn)鏡110的軸和第二望遠(yuǎn)鏡115的軸可以彼此對映地排列。在數(shù)學(xué)上，在球體的表面上的一點(diǎn)的對映點(diǎn)是與原始點(diǎn)在直徑上相反的點(diǎn)，這樣定位使得從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的線穿過球體的中心并形成真實(shí)的直徑。因此，彼此對映地排列的望遠(yuǎn)鏡是彼此面對并且具有大致彼此平行的軸的望遠(yuǎn)鏡。按對映體對排列望遠(yuǎn)鏡可以消除不確定度，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡處于對映體對中，它們相對于彼此的取向是已知的。在其他實(shí)施方式中，第一望遠(yuǎn)鏡110的軸和第二望遠(yuǎn)鏡115的軸可以彼此垂直。在另一些實(shí)施方式中，第一望遠(yuǎn)鏡110的軸和第二望遠(yuǎn)鏡115的軸可以相對于彼此成一些其他角度。在其他實(shí)施方式中，對映校準(zhǔn)架100可以包括超過兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡。例如，對映校準(zhǔn)架 100可以包括第三望遠(yuǎn)鏡120和第四望遠(yuǎn)鏡123。第三望遠(yuǎn)鏡120的軸可以垂直于第一望遠(yuǎn)鏡110的軸。另外，第三望遠(yuǎn)鏡120可以與第四望遠(yuǎn)鏡123是對映的。因此，對映校準(zhǔn)架 100可以包括沿圓周按照90度間隔排列的四個(gè)望遠(yuǎn)鏡。一對或更多對望遠(yuǎn)鏡的對映排列可以消除不確定度(即，未知的校準(zhǔn)參數(shù))，因?yàn)橐粋€(gè)望遠(yuǎn)鏡相對于另一個(gè)望遠(yuǎn)鏡的排列是已知的(如在下面的部分II中所描述的)。盡管給出了示例配置，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，望遠(yuǎn)鏡110、115、120和123可以按照任何組合排列，以最好地校準(zhǔn)掃描儀107。在一些實(shí)施方式中，對映校準(zhǔn)架100可以包括不位于望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的靶物125。靶物 125可以按照與望遠(yuǎn)鏡差不多相同的方式使用。但是，望遠(yuǎn)鏡比靶物125具有的優(yōu)點(diǎn)在于，
7望遠(yuǎn)鏡表現(xiàn)為遠(yuǎn)得多。望遠(yuǎn)鏡提供的增加的“測程”允許精確的校準(zhǔn)。在一些實(shí)施方式中， 對映校準(zhǔn)架100包括測程校準(zhǔn)元件130。在一些實(shí)施方式中，對映校準(zhǔn)架100的望遠(yuǎn)鏡110、115、120和123可以包括對準(zhǔn)激光器，對準(zhǔn)激光器可以用于指示望遠(yuǎn)鏡110、115、120和123的軸。該信息可以用于彼此對映地排列一個(gè)望遠(yuǎn)鏡或另一望遠(yuǎn)鏡(如在下面的部分II中描述的)。對準(zhǔn)激光器的光束可以是圓形或可以是標(biāo)線投射(reticle projection)。標(biāo)線或瞄準(zhǔn)線(crosshair)是疊加在圖像上用于準(zhǔn)確對準(zhǔn)設(shè)備的形狀。瞄準(zhǔn)線多數(shù)通常表示為“ + ”形的交叉線，當(dāng)然可以存在許多變體，包括點(diǎn)、柱、圓、標(biāo)尺、倒V字或者它們的組合。標(biāo)線投射可以允許更精確排列望遠(yuǎn)鏡 110、115、120 和 123。另外，在望遠(yuǎn)鏡110、115、120和123中的靶物可以包括自動準(zhǔn)直儀。自動準(zhǔn)直儀是用于角度的非接觸測量的光學(xué)儀器。一些自動準(zhǔn)直儀的工作原理是向靶物反射鏡上投射圖像，并且視覺地或借助電子檢測器并且對照刻度測量返回圖像的偏轉(zhuǎn)。因此，可以使用自動準(zhǔn)直儀來檢測進(jìn)入激光束的位置。在一些實(shí)施方式中，對映校準(zhǔn)架100可以是對映校準(zhǔn)系統(tǒng)(未示出)的一部分。對映校準(zhǔn)系統(tǒng)包括對映校準(zhǔn)架100和環(huán)境艙(未示出)。環(huán)境艙包括溫度控制部并且有足夠的尺寸以包圍對映校準(zhǔn)架100(即，對映校準(zhǔn)架100放置在環(huán)境艙內(nèi))。這允許在多個(gè)溫度處校準(zhǔn)三維掃描系統(tǒng)。另選地，望遠(yuǎn)鏡110、115、120和123可以放置在環(huán)境艙外，并且掃描儀107放置在艙內(nèi)。在這樣的實(shí)施方式中，高質(zhì)量的窗口允許望遠(yuǎn)鏡110、115、120和123 觀看艙內(nèi)的掃描儀107。II、對映排列圖2是示出用于按對映體對(如在上面部分I中描述的對映校準(zhǔn)架)排列第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡的方法O00)的示例的流程圖。彼此對映地排列的望遠(yuǎn)鏡是彼此面對并具有大致彼此平行的軸的望遠(yuǎn)鏡。按對映體對排列望遠(yuǎn)鏡可以消除不確定度。因?yàn)橥h(yuǎn)鏡處于對映體對中，它們相對于彼此的取向是已知的，因此消除了不確定度。該方法(200)包括在第一望遠(yuǎn)鏡處比較第一望遠(yuǎn)鏡的光束和第二望遠(yuǎn)鏡的光束的位置005)?？梢园凑杖魏芜m當(dāng)?shù)姆绞奖容^第一望遠(yuǎn)鏡光束的位置和第二望遠(yuǎn)鏡的光束的位置。圖3示出使用分束器比較對準(zhǔn)激光器的位置的示例。分束器是將電磁(EM)輻射的波束分成兩個(gè)部分的光學(xué)裝置。第一望遠(yuǎn)鏡300包括第一對準(zhǔn)激光器305。第一對準(zhǔn)激光器305可以用于指示第一望遠(yuǎn)鏡300的軸。第一對準(zhǔn)激光器305的光束可以是圓形或者可以是標(biāo)線投射。第一對準(zhǔn)激光器305被引導(dǎo)到第一望遠(yuǎn)鏡300的外部。例如，分束棱鏡(beam splitting cube) 310可以用于將第一對準(zhǔn)激光器305的光束引導(dǎo)到第一望遠(yuǎn)鏡的外部。分束棱鏡310可以由兩個(gè)三角形玻璃棱柱制成，這兩個(gè)三角形玻璃棱柱可以使用例如加拿大樹膠(Canadabalsam)而在它們的基部粘合在一起。樹脂層的厚度被調(diào)整為使得通過一“端 (port)，，(即，棱鏡的面)入射的EM輻射的一部分(針對特定波長)被反射并且其他部分被透射。第一分束棱鏡310將第一對準(zhǔn)激光器305的光束引導(dǎo)到第一望遠(yuǎn)鏡300的外部。在第一對準(zhǔn)激光器305的光束射出第一望遠(yuǎn)鏡300后，光束遇到第三分束器315。 第三分束器315可以是半鍍銀反射鏡。半鍍銀反射鏡可以包括具有薄鋁涂層(通常由鋁蒸汽淀積)的玻璃板，鋁涂層的厚度使得入射光的第一部分被透射并且第二部分被反射。
同理，第二望遠(yuǎn)鏡325上的第二對準(zhǔn)激光器320在第二分束棱鏡330處分開，并被引導(dǎo)到第二望遠(yuǎn)鏡325的外部。第二對準(zhǔn)激光器320的光束遇到第三分束器315，從而光的第一部分被透射并且光的第二部分被反射。第一光束的第二部分(在第三分束器315處反射)和第二光束的第一部分(透射穿過第三分束器31 繼續(xù)到第一望遠(yuǎn)鏡300，在此第一光束的第二部分和第二光束的第一部分遇到第一分束棱鏡310。兩個(gè)光束的一部分穿過第一分束棱鏡310，其中第一光束的第二部分和第二光束的第一部分入射在第一望遠(yuǎn)鏡300內(nèi)的第一靶物335上。第一靶物335 可以包括自動準(zhǔn)直儀、位置敏感二極管、焦平面陣列或者用于檢測第一光束和第二光束的位置的任何其他裝置。自動準(zhǔn)直儀是用于角度的非接觸測量的光學(xué)儀器。位置敏感二極管 (PSD 又名位置敏感器件或位置敏感檢測器)是可以在傳感器表面上一維或二維地測量光斑的位置的光學(xué)位置傳感器。焦平面陣列(FPA 又名凝視陣列、凝視平面陣列或焦平面、相機(jī))是由在透鏡的焦平面處的感光像素的(通常矩形)陣列組成的圖像感測裝置。本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，可以充分地檢測第一光束和第二光束的位置的任何裝置都可以用作第一靶物335。在圖3的實(shí)施方式中，可以在第一望遠(yuǎn)鏡300處同時(shí)比較第一光束和第二光束的位置。圖4示出用于使用角隅棱鏡比較對準(zhǔn)激光器的位置的另選實(shí)施方式。使用一對角隅棱鏡400A和400B來將第一光束反射回第一望遠(yuǎn)鏡405和將第二光束反射回第二望遠(yuǎn)鏡 410。角隅棱鏡(又名角形反射器)是由三個(gè)相互垂直、交叉的平坦表面組成、將電磁(EM) 波朝向源反射回去的反射器?；厣淦?有時(shí)稱為回射器)是以最小的散射將EM波反射回它們的源的裝置或表面。電磁波陣面沿與波的源平行但方向相反的向量反射回去。因此， 第一角隅棱鏡400A將第一光束反射回到第一望遠(yuǎn)鏡405。第一光束的位置到達(dá)在第一望遠(yuǎn)鏡405內(nèi)的第一靶物，在此第一光束的位置被檢測。接著可以將這一對角隅棱鏡400A和400B移動到第二位置(例如，旋轉(zhuǎn)90度)，在此位置，這一對角隅棱鏡400A和400B不反射對準(zhǔn)激光器的光束。在一些實(shí)施方式中，這一對角隅棱鏡400A和400B可以位于旋轉(zhuǎn)臂415上以方便它們的運(yùn)動。第二對準(zhǔn)激光器的光束接著到達(dá)第一望遠(yuǎn)鏡405，在此可以檢測第二對準(zhǔn)激光器的光束的位置，并且可以在第一望遠(yuǎn)鏡405處比較第一對準(zhǔn)激光器的光束的位置和第二對準(zhǔn)激光器的光束的位置。在圖4 的實(shí)施方式中，可以在第一望遠(yuǎn)鏡405處順序地比較第一光束和第二光束的位置。再回到圖2，該方法(200)還包括在第二望遠(yuǎn)鏡處比較第一望遠(yuǎn)鏡的光束和第二望遠(yuǎn)鏡的光束的位置010)。在圖3的實(shí)施方式中，第一光束的第一部分(透射穿過第三分束器31 和第二光束的第二部分(在第三分束器315處被反射)繼續(xù)到第二望遠(yuǎn)鏡325， 在此第一光束的第一部分和第二光束的第二部分遇到第二分束棱鏡330。兩個(gè)光束的一部分穿過第二分束棱鏡330，其中第一光束的第一部分和第二光束的第二部分入射在第二望遠(yuǎn)鏡330內(nèi)的第二靶物340上。在第二靶物340處可以按照與在第一靶物處的比較相同的方式或不同的方式比較光束的位置。在圖3的實(shí)施方式中，可以在第二望遠(yuǎn)鏡340處同時(shí)比較第一光束和第二光束的位置。本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，在圖3的實(shí)施方式中的第三分束器315不需要直接位于第一望遠(yuǎn)鏡300和第二望遠(yuǎn)鏡325之間，而可以位于允許將每個(gè)光束的一部分充分反射到發(fā)端望遠(yuǎn)鏡并使其余部分穿過另一望遠(yuǎn)鏡的任何地方。在一些實(shí)施方式中，第三分束器315可以定位為使得掃描儀(未示出)可以沿光束的路徑放置，為了進(jìn)行校準(zhǔn)而大約在第一望遠(yuǎn)鏡300和第二望遠(yuǎn)鏡325之間的中點(diǎn)。另外，對準(zhǔn)激光器305和320可以具有與掃描儀不同的波長，這表示分束器在角度校準(zhǔn)期間可以保持在適當(dāng)位置。在圖4的實(shí)施方式中，第二角隅棱鏡400B將第二光束反射回第二望遠(yuǎn)鏡410。第二光束到達(dá)第二望遠(yuǎn)鏡410中的第二靶物，在此檢測到第二光束的位置。接著可以將這一對角隅棱鏡400A和400B移動到第二位置(例如，旋轉(zhuǎn)90度)，在此位置，這一對角隅棱鏡 400A和400B不反射對準(zhǔn)激光器的光束。第一對準(zhǔn)激光器的光束接著到達(dá)第二望遠(yuǎn)鏡410， 在此可以檢測第一對準(zhǔn)激光器的光束的位置，并且可以在第二望遠(yuǎn)鏡410處比較第一對準(zhǔn)激光器的光束的位置和第二對準(zhǔn)激光器的光束的位置。在圖4的實(shí)施方式中，可以在第二望遠(yuǎn)鏡410處順序地比較第一光束和第二光束的位置。本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，這一對角隅棱鏡400A和400B不需要直接位于第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡之間，而可以位于使這一對角隅棱鏡400A和400B將每個(gè)光束的一部分充分反射到發(fā)端望遠(yuǎn)鏡并使其余部分穿過另一望遠(yuǎn)鏡的任何地方。在一些實(shí)施方式中，這一對角隅棱鏡400A和400B可以更靠近一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，使得掃描儀可以沿光束的路徑放置，為了進(jìn)行校準(zhǔn)而大約在第一望遠(yuǎn)鏡405和第二望遠(yuǎn)鏡410之間的中點(diǎn)。在其他實(shí)施方式中，在這一對角隅棱鏡400A和400B之間可以存在間隙，以允許掃描儀放置在這一對角隅棱鏡400A 和400B之間，為了進(jìn)行校準(zhǔn)而大約在第一望遠(yuǎn)鏡405和第二望遠(yuǎn)鏡410之間的中點(diǎn)。再參考圖2，該方法(200)還包括調(diào)整第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡，直到光束平行 (215) 0該調(diào)整通過移動望遠(yuǎn)鏡或通過按照一些其他方式排列望遠(yuǎn)鏡而完成。例如，可以移動望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的反射鏡以調(diào)整第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡。還可以進(jìn)一步調(diào)整光束，直到光束是共線的(即，第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡共享公共的軸)。如果這些望遠(yuǎn)鏡被校準(zhǔn)為自動準(zhǔn)直儀并且已知這些望遠(yuǎn)鏡的相對取向，則可以取消調(diào)整第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡以使得光束共線的步驟。給定對準(zhǔn)激光器在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的 PSD或FPA上的位置，在望遠(yuǎn)鏡坐標(biāo)系中可以獲知激光束在望遠(yuǎn)鏡的坐標(biāo)系中的角度方向。 因此利用圖4中示出的角隅棱鏡反射器或圖3中示出的分束器，人們可以測量兩個(gè)排列激光束在兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡坐標(biāo)系中的角度位置。接著可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡的相對取向。這等同于使望遠(yuǎn)鏡共線，即恰當(dāng)?shù)嘏帕?。知道恰?dāng)?shù)膶τ丑w對中的第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡的相對排列，在恰當(dāng)?shù)匦?zhǔn)掃描儀中可以是重要的。圖5A示出對因測量噪聲導(dǎo)致的校準(zhǔn)參數(shù)誤差的仿真500。圖5B示出對因在校準(zhǔn)掃描儀時(shí)使用的對映的一對望遠(yuǎn)鏡的未對準(zhǔn)而導(dǎo)致的校準(zhǔn)參數(shù)誤差的仿真 550。因噪聲導(dǎo)致的校準(zhǔn)參數(shù)誤差大致是線性的，斜率約等于2的平方根(大約1.4)。因?qū)τ撑帕袑?dǎo)致的校準(zhǔn)參數(shù)誤差大致是線性的，斜率約等于8的平方根(大約2. 8)。因此，對映體對的相對排列的未對準(zhǔn)或錯(cuò)誤估計(jì)可以在校準(zhǔn)參數(shù)中產(chǎn)生顯著的誤差。另選地，對映體對的恰當(dāng)排列可以導(dǎo)致掃描儀的校準(zhǔn)參數(shù)的高精確度，從而導(dǎo)致掃描儀有更精確的測量。III、角度校準(zhǔn)角度校準(zhǔn)是估計(jì)掃描儀的角度參數(shù)的方法。角度校準(zhǔn)參數(shù)允許用戶使用諸如編碼器角度的掃描儀內(nèi)部測量結(jié)果來計(jì)算掃描儀激光束的方向。利用激光束的方向以及恰當(dāng)調(diào)整的測程，可以返回笛卡爾坐標(biāo)或球面坐標(biāo)中的坐標(biāo)或測量結(jié)果。球面坐標(biāo)系是用于使用以下三個(gè)坐標(biāo)表示三維中的幾何形狀的坐標(biāo)系(1) 一點(diǎn)到固定原點(diǎn)的半徑距離，(2)從ζ
10軸正方向到該點(diǎn)的天頂角(或仰角)角度，和⑶從χ軸正方向到該點(diǎn)在χ-y平面中的正交投影的方位角。但是，與使用的坐標(biāo)系無關(guān)，精確的角度測量對于掃描儀的精度是重要的。盡管掃描儀可以被配置為仿效球面或其他坐標(biāo)系，掃描儀的內(nèi)部測量(如編碼器角度和測程)自身必須首先使用角度校準(zhǔn)參數(shù)和測程校準(zhǔn)參數(shù)來變換，以產(chǎn)生獨(dú)立于掃描儀的測量。圖6是示出用于執(zhí)行三維掃描系統(tǒng)的角度校準(zhǔn)的方法示例的流程圖(600)。三維掃描系統(tǒng)可以包括光成像檢測器和測距(LIDAR)掃描儀或任何其他類型的三維掃描系統(tǒng)。該方法(600)包括將掃描儀定位在對映校準(zhǔn)架內(nèi)(605)(例如，在上面部分I中描述的對映校準(zhǔn)架)。在一些實(shí)施方式中，對映校準(zhǔn)架包括第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡。第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡可以對映地排列或者具有已知的相對取向(例如，使用上面部分II中描述的方法)。掃描儀位于第一望遠(yuǎn)鏡的軸上和第二望遠(yuǎn)鏡的軸上。通過對映地排列第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡，可以消除不確定度。對映的望遠(yuǎn)鏡具有平行的軸，因此已知兩個(gè)軸相差 180度，或者具有已知的相對取向，兩個(gè)軸相差已知量。該已知量消除了校準(zhǔn)中的一個(gè)不確定度或一個(gè)變量。在其他實(shí)施方式中，除了第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡，對映校準(zhǔn)架還可以包括超過兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡以及一個(gè)或更多個(gè)靶物。第一望遠(yuǎn)鏡和/或第二望遠(yuǎn)鏡可以包括靶物。該靶物可以包括自動準(zhǔn)直儀、位置敏感二極管、焦平面陣列或用于檢測掃描儀光束的位置的任何其他裝置。自動準(zhǔn)直儀是用于角度的非接觸測量的光學(xué)儀器。位置敏感二極管是可以在傳感器表面上一維或二維地測量光斑的位置的光學(xué)位置傳感器。焦平面陣列是由在透鏡的焦平面處的感光像素的(通常矩形)陣列組成的圖像感測裝置。本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，可以充分地檢測掃描儀光束的位置的任何裝置可以用作靶物。該方法(600)還包括通過將掃描儀激光束指向望遠(yuǎn)鏡并讀取在望遠(yuǎn)鏡靶物上的位置和內(nèi)部掃描儀角度二者而測量在第一望遠(yuǎn)鏡的坐標(biāo)系中激光束的角度位置(610)。因此，獲知在望遠(yuǎn)鏡的坐標(biāo)系中掃描儀激光束的方向，并且該方向與一組掃描儀角度測量結(jié)果相關(guān)聯(lián)。在一些實(shí)施方式中，可以在望遠(yuǎn)鏡靶物上的精確對應(yīng)于一個(gè)或兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)激光器光束的位置的點(diǎn)處獲得測量結(jié)果。在其他實(shí)施方式中，使用望遠(yuǎn)鏡和靶物的校準(zhǔn)來測量掃描儀激光束相對于排列光束的位置。在一些實(shí)施方式中，測量掃描儀激光束相對于第一望遠(yuǎn)鏡的角度位置(610)包括使用雙面測量來測量角度位置。雙面測量包括觀測望遠(yuǎn)鏡，繞基部旋轉(zhuǎn)掃描儀180度(繞ζ軸旋轉(zhuǎn)或天頂軸(zenith axis)的零點(diǎn))，并重復(fù)觀測同一望遠(yuǎn)鏡。繞天頂軸旋轉(zhuǎn)180度應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生與天頂角的初始測量大約相等的天頂角的后續(xù)測量。如果望遠(yuǎn)鏡和靶物被校準(zhǔn)并且因此激光束的方向在望遠(yuǎn)鏡坐標(biāo)系中是已知的，則針對第二面測量的激光束的角度方向可以不對應(yīng)于第一面測量的同一角度方向。該方法(600)還包括按照與針對第一望遠(yuǎn)鏡所述的相同方式測量在第二望遠(yuǎn)鏡的坐標(biāo)系中掃描儀激光束的角度位置(615)。在每種情況下，與匹配的一組內(nèi)部掃描儀角度一起測量在望遠(yuǎn)鏡的坐標(biāo)系中激光束的方向，并且在兩個(gè)面中都這樣做。第二望遠(yuǎn)鏡的角度位置可以描述為兩個(gè)角度從ζ軸正方向到望遠(yuǎn)鏡(具體地說，望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn))的天頂角，和從χ軸正方向到望遠(yuǎn)鏡(具體地說，望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn))在χ-y平面中的正交投影的方位角。但是，第一望遠(yuǎn)鏡和第二望遠(yuǎn)鏡的角度位置是未知的。因?yàn)橥h(yuǎn)鏡按照對映結(jié)構(gòu)放置并且它們包含對準(zhǔn)激光器，所以它們的相對排列是已知的，這足以解決校準(zhǔn)，從而求解望遠(yuǎn)鏡的角度位置。在一些實(shí)施方式中，測量在第二望遠(yuǎn)鏡的坐標(biāo)系中掃描儀激光束的角度位置包括使用雙面測量來測量角度位置。繞天頂軸旋轉(zhuǎn)180度應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生與天頂角的初始測量結(jié)果大約相等的頂點(diǎn)角的后續(xù)測量結(jié)果。如果望遠(yuǎn)鏡和靶物被校準(zhǔn)并且因此在望遠(yuǎn)鏡坐標(biāo)系中激光束的方向是已知的，則針對第二面測量的激光束的角度方向可以不對應(yīng)于第一面測量的相同角度方向。該方法(600)還包括根據(jù)測量結(jié)果來估計(jì)一組角度校準(zhǔn)參數(shù)(620)。在完成測量后，在望遠(yuǎn)鏡的坐標(biāo)系中針對至少四個(gè)不同掃描儀激光束方向獲知了激光束的角度位置 (即，在兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡上的正面測量結(jié)果和背面測量結(jié)果)。使用諸如修正束調(diào)整(modified bundle adjustment)的標(biāo)準(zhǔn)非線性編程技術(shù)，這些觀測結(jié)果可以接著用于計(jì)算掃描儀角度校準(zhǔn)參數(shù)。角度參數(shù)可以包括方位角偏移、仰角偏移、仰角排列、鏡像排列以及關(guān)于y軸和 ζ軸的激光排列。方位角偏移(或0方位角)可以是外部參數(shù)，并且可以通過限定而非通過掃描儀自身的一些固有配置來選擇。仰角偏移(0天頂角)是掃描儀垂直于方位軸的零角度。仰角偏移是相對于方位(“立”)軸。仰角排列是仰角軸和方位軸之間的角。理想的是，仰角排列將準(zhǔn)確地為90度(垂直)，但實(shí)際可以不是90度，因此必須知道真實(shí)的仰角排列。鏡像排列是掃描儀的鏡像相對于仰角軸的排列。理想的是，鏡像排列將是45度，但實(shí)際不是45度，因此必須知道真實(shí)的鏡像排列。在激光與反射鏡相交前，關(guān)于y方向和ζ方向的激光排列是激光束關(guān)于仰角軸的定向排列。理想的是，激光將與χ軸(方位軸)對齊， 但偏離必須是已知的。在一些實(shí)施方式，角度參數(shù)可以不同于上面列出的這些。不同的參數(shù)組可以描述相同的變動，并且在這種情況下，存在根據(jù)一組參數(shù)計(jì)算另一組參數(shù)的方法。通過這樣的方法關(guān)聯(lián)的兩個(gè)參數(shù)表示(parameterization)被認(rèn)為是等同的。其他的參數(shù)表示組可以包括掃描儀動作中的不同變體。在其他實(shí)施方式中，根據(jù)掃描儀的制造缺陷和掃描儀的物理構(gòu)造存在更多或更少的參數(shù)。公開的方法不取決于掃描儀的具體表示或參數(shù)表示，而取決于按照對映方式放置的望遠(yuǎn)鏡的使用，因此可以觀測它們的相對取位。IV、傾斜校準(zhǔn)傾斜校準(zhǔn)是估計(jì)安裝在掃描儀中的傾斜傳感器的傾斜校準(zhǔn)參數(shù)的處理。傾斜傳感器測量掃描儀關(guān)于水平軸的相對傾斜或者掃描儀針對重力的晃動(Pitch)和滾動。知道相對于激光束方向的重力方向便于將在不同時(shí)間或位置處獲得的測量結(jié)果關(guān)聯(lián)起來。傾斜校準(zhǔn)對于將掃描儀的參考系中的測量結(jié)果與測量點(diǎn)的位置關(guān)聯(lián)是重要的。圖7是示出用于執(zhí)行三維掃描系統(tǒng)的傾斜校準(zhǔn)的方法示例的流程圖(700)。三維掃描系統(tǒng)可以包括LIDAR掃描儀或任何其他類型的三維測量系統(tǒng)。該方法(700)包括在校準(zhǔn)架(例如，在上面部分I中描述的基于望遠(yuǎn)鏡的角度校準(zhǔn)架)內(nèi)的傾斜臺上定位掃描儀(705)。傾斜臺可以在一個(gè)或更多個(gè)方向上傾斜掃描儀。 例如，傾斜臺可以由四軸掃描儀操縱器實(shí)現(xiàn)。對映校準(zhǔn)架包括一個(gè)或更多個(gè)安裝在對映校準(zhǔn)架上的望遠(yuǎn)鏡。兩個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡可以用作測量掃描儀傾斜的基準(zhǔn)。該方法(700)還可以包括執(zhí)行掃描儀的角度校準(zhǔn)(710)?？梢愿鶕?jù)上面在部分III 中描述的方法執(zhí)行角度校準(zhǔn)，或者可以按照一些其他方式執(zhí)行角度校準(zhǔn)。角度校準(zhǔn)保證掃描儀精確地測量角度。但是，與使用的坐標(biāo)系統(tǒng)無關(guān)，精確的角度測量對于掃描儀的精度是重要的。另外，精確的傾斜測量需要精確的角度測量。該方法(700)還包括求解掃描儀的傾斜系數(shù)(71 。傾斜系數(shù)是傾斜傳感器的偏移。傾斜傳感器可以按照某種未知方式安裝到系統(tǒng)。因此，傾斜測量自身不具有物理基準(zhǔn)。 在一些實(shí)施方式中，系統(tǒng)繞方位軸旋轉(zhuǎn)并沿該路線獲得傾斜測量結(jié)果。該傾斜測量結(jié)果將局部地描述一個(gè)圓。該圓的中心是所述系數(shù)。如果掃描儀被傾斜直到傾斜傳感器讀取系數(shù)值，則繞方位軸旋轉(zhuǎn)掃描儀將不改變傾斜傳感器的輸出。系數(shù)的位置還可以通過所謂雙面傾斜校正來求出。該處理包括首先在一個(gè)固定位置測量傾斜傳感器的輸出，接著將掃描儀繞其方位軸旋轉(zhuǎn)180度，并在第二位置處測量傾斜位置的輸出。傾斜傳感器的平均輸出即為系數(shù)值。一旦測量出傾斜傳感器的系數(shù)，至少兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡的位置可通過將激光束指向所述望遠(yuǎn)鏡并測量激光束位置來測量出。因?yàn)楂@知了掃描儀的角度校準(zhǔn)，所以獲知了激光束的方向，因此確定了望遠(yuǎn)鏡在掃描儀的坐標(biāo)系中的位置。選擇的兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡不應(yīng)該是對映的或者幾乎不是。該方法(700)還包括將傾斜臺移動到下一傾斜位置(720)。在一些實(shí)施方式中， 下一傾斜位置可以是任意的。在其他實(shí)施方式中，在將傾斜臺移動到下一傾斜位置前，可以計(jì)算該下一傾斜位置，或者近似地計(jì)算該下一傾斜位置。在下一傾斜位置處，獲得傾斜傳感器的實(shí)際輸出(725)。掃描儀的傾斜傳感器將指示一定的傾斜，即使在沒有校準(zhǔn)的情況下。這是傾斜傳感器的實(shí)際輸出。還測量了兩個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡相對于下一傾斜位置的位置(730)。使用該兩個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡的位置的測量結(jié)果，可以計(jì)算掃描儀的取向的實(shí)際變化。在計(jì)算出傾斜傳感器的期望輸出后，接著可以將掃描儀的取向的實(shí)際變化與傾斜傳感器的測量輸出進(jìn)行比較。該方法(700)還包括針對總共三個(gè)或更多個(gè)傾斜位置重復(fù)(740)將傾斜臺移動到下一傾斜位置(720)，獲得傾斜傳感器的實(shí)際輸出(725)，測量兩個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡的位置(730)，以及使用所測量的位置來計(jì)算期望輸出(735)。在一些實(shí)施方式中，針對總共三個(gè)或更多個(gè)傾斜位置的重復(fù)(740)包括針對總共十個(gè)或更多個(gè)傾斜位置的重復(fù)。針對總共十個(gè)或更多個(gè)傾斜位置的重復(fù)使得可以計(jì)算傾斜參數(shù)的一組估計(jì)誤差。該方法(700)還包括通過將傾斜傳感器的期望輸出與傾斜傳感器的實(shí)際輸出進(jìn)行比較來計(jì)算估計(jì)的傾斜傳感器模型(745)。在一些實(shí)施方式中，傾斜傳感器模型可以包括在校準(zhǔn)架中的傾斜、換算因數(shù)(scale factor)、交叉項(xiàng)(cross term)和關(guān)于重力的取向。在校準(zhǔn)架中的傾斜是傳感器的晃動或滾動。換算因數(shù)在所測量的傾斜和傾斜傳感器的輸出之間進(jìn)行校正。例如，當(dāng)實(shí)際傾斜是10" (10弧秒)時(shí)，所測量的傾斜可能是9. 5"。 交叉項(xiàng)是不同傾斜方向的輸出的混合(即，不在傳感器也指示滾動的情況下，難以或不可能具有晃動，反過來也如此)。關(guān)于重力的取向允許傾斜傳感器的晃動和滾動轉(zhuǎn)換為掃描儀坐標(biāo)系中的晃動和滾動。在一些實(shí)施方式中，傾斜傳感器模型可以使用最小二乘法來求解。最小二乘法的方法(或者通常的最小二乘法0LS)用于求解確定的系統(tǒng)(比未知的系統(tǒng)具有更多方程的系統(tǒng))。最小二乘法是一種數(shù)據(jù)擬合方法。在最小二乘法意義中的最佳擬合是使殘差平方和具有最小值的模型的情形，殘差是觀測值與模型給出的值之間的差。本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，存在多種可用于估計(jì)傾斜傳感器模型的方法，最小二乘法僅是其中一種，還可以使用任
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何優(yōu)選的方法。晃動是繞一個(gè)水平軸的旋轉(zhuǎn)。例如，在飛行動力學(xué)中，晃動是繞橫向或橫貫軸(在有人駕駛的飛行器中從飛行員的左側(cè)向右側(cè)延伸的軸，并且該軸與有機(jī)翼的飛行器的機(jī)翼平行)的旋轉(zhuǎn)，因此前端上翹而尾部下沉，或者前端下沉而尾部上翹。滾動是繞其他水平軸的旋轉(zhuǎn)。例如，在飛行動力學(xué)中，滾動是繞縱向軸(在飛行的正常方向或飛行員面對的方向上從尾部到前端穿過飛行器主體的軸)的旋轉(zhuǎn)。偏航是繞垂直軸(從頂?shù)降椎妮S，并且該軸垂直于其他兩個(gè)軸)的旋轉(zhuǎn)。弧的一分、弧分或MOA是角度測量的單位，等于一度的六十分之一(1/60)。由于一度被定義為圓的三百六十分之一(1/360)，所以IMOA是封閉圓的弧的1/21600。用于標(biāo)記弧分的標(biāo)準(zhǔn)符號是符號(‘)?；〉姆值募?xì)分是弧的秒或弧秒。一個(gè)弧分有60弧秒。因此，弧秒是圓的1/1296000，或者(π/648000)弧度，大約是1/206265弧度?；∶氲姆柺请p撇號(〃)。在一些實(shí)施方式中，使用對映校準(zhǔn)架執(zhí)行了角度校準(zhǔn)和傾斜校準(zhǔn)的掃描儀可以是 1"掃描儀(精確到1弧秒內(nèi))。這轉(zhuǎn)換為在200米的距離處的1毫米的精度。通常的掃描儀具有12-30"的精度，因此，通過使用根據(jù)這里公開的教導(dǎo)的對映校準(zhǔn)架而提供的校準(zhǔn)改善是很大的。該精度水平接近全站儀所提供的最好精度。V、測程校準(zhǔn)測程校準(zhǔn)保證掃描儀精確測量到掃描點(diǎn)的距離。三維掃描系統(tǒng)可以返回點(diǎn)在球面坐標(biāo)中的坐標(biāo)。球面坐標(biāo)系是使用以下三個(gè)坐標(biāo)來表示三維中的幾何形狀的坐標(biāo)系一點(diǎn)到固定原點(diǎn)的半徑距離，從ζ軸正方向到該點(diǎn)的天頂角，和從χ軸正方向到該點(diǎn)在χ-y平面中的正交投影的方位角。因?yàn)樵擖c(diǎn)可以用球面坐標(biāo)表示，所以在三維掃描系統(tǒng)中精確的測程測量是重要的。但是，與使用的坐標(biāo)系無關(guān)，精確的角度測量對于掃描儀的精度是重要的。圖8是示出用于執(zhí)行三維掃描系統(tǒng)的測程校準(zhǔn)的方法示例的流程圖(800)。三維掃描系統(tǒng)可以包括LIDAR掃描儀或任何其他類型的三維掃描系統(tǒng)。該方法(800)包括從掃描儀向測程校準(zhǔn)架發(fā)送光束(80 。在一些實(shí)施方式中，光束被發(fā)送到測程校準(zhǔn)架的接收望遠(yuǎn)鏡，并且聚焦到測程校準(zhǔn)架的接收光纖上。圖9A示出測程校準(zhǔn)架900的示例。測程校準(zhǔn)架900包括用于從掃描儀907接收光束的接收望遠(yuǎn)鏡905。 接收望遠(yuǎn)鏡905將光束聚焦到接收光纖910上。在其他實(shí)施方式中，測程校準(zhǔn)架900包括開放空中網(wǎng)絡(luò)，并且接收望遠(yuǎn)鏡905可以不要。再參考圖8，該方法(800)還包括分離光束(810)。在一些實(shí)施方式中，使用分束器來分離光束。分束器是將EM輻射波束分離為兩個(gè)部分的光學(xué)裝置。在其他實(shí)施方式中， 使用光纖分離器來分離光束。光纖分離器是用于分離在光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕母鞑糠值难b置。圖9A的測程校準(zhǔn)架900包括光纖分離器915。信號的兩個(gè)部分在功率上不必相等。在一些實(shí)施方式中，第一部分可以具有光功率的較大部分。例如，第一部分可以包含原始功率的95%，而第二部分包含功率的5%。在其他實(shí)施方式中，第一部分可以包含90 %、75 %、50 %或任何適合于執(zhí)行測程校準(zhǔn)的其他百分比。再參考圖8，該方法(800)還包括向循環(huán)光纖回路發(fā)送光束的第一部分并將第一部分返回到分束器(815)、光纖分離器或其他用于分離光束的裝置。在一些實(shí)施方式中，循環(huán)光纖回路可以是具有已知長度的光纖。圖9A的測程校準(zhǔn)架包括已知長度的循環(huán)光纖回路920。循環(huán)光纖920使用光纖組合器925將光信號返回到接收光纖910。在其他實(shí)施方式中，循環(huán)光纖回路910可以用具有已知長度的光路徑的開放空中網(wǎng)絡(luò)來替代。再參考圖8，該方法(800)還包括將光束的第二部分傳輸回掃描儀(820)。在一些實(shí)施方式中，可以使用透射透鏡來傳輸?shù)诙糠帧D9A的測程校準(zhǔn)架包括用于將第二部分返回到掃描儀907的透射透鏡930。在其他實(shí)施方式中，例如在開放空中網(wǎng)絡(luò)中，可以使用反射鏡或其他合適組件來將第二部分引導(dǎo)到掃描儀907。因?yàn)槊慨?dāng)?shù)谝徊糠滞ㄟ^分束器 915時(shí)從光信號中分離出第二部分，所以將按照規(guī)則間隔向掃描儀907發(fā)送脈沖，每個(gè)脈沖的功率呈指數(shù)式降低。圖9B示出從測程校準(zhǔn)架900向掃描儀907發(fā)送的脈沖950A、950B、 950C和950D，示出了功率的降低。再參考圖8，該方法(800)還包括在掃描儀處測量脈沖之間的時(shí)間(82 。圖9B 示出被測量的時(shí)間間隔。第一時(shí)間間隔955指示光束行進(jìn)穿過測程校準(zhǔn)架900并返回到掃描儀907所需要的時(shí)間。此后，脈沖繼續(xù)以規(guī)則間隔960到達(dá)掃描儀907，間隔960對應(yīng)于脈沖行進(jìn)穿過循環(huán)光纖920所需要的時(shí)間。第一時(shí)間間隔955可以比第二間隔960長，但并非必須。再參考圖8，方法(800)還包括使用所測量的脈沖之間的時(shí)間來計(jì)算測程范圍 (830)。在一些實(shí)施方式中，循環(huán)光纖的觀測長度可以通過將光在光纖中的速度乘以脈沖之間的時(shí)間來計(jì)算。在其他實(shí)施方式中，在開放空中網(wǎng)絡(luò)中的光路徑的觀測長度可以通過將光在開放空中網(wǎng)絡(luò)中的速度乘以脈沖之間的時(shí)間來計(jì)算。接著，通過將循環(huán)光纖或開放空中網(wǎng)絡(luò)的已知長度與觀測長度進(jìn)行比較，來計(jì)算出測程范圍。在不偏離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，本發(fā)明可以按照其他具體形式來實(shí)現(xiàn)。所描述的實(shí)施方式被認(rèn)為在所有方面都僅是例示性的，而非限制性的。因此，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求指示，而非由前面的描述指示。落入權(quán)利要求的等同物的含義和范圍內(nèi)的全部變化都被包含在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于校準(zhǔn)三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的傾斜傳感器的方法，該方法包括-將所述掃描系統(tǒng)定位在對映校準(zhǔn)架內(nèi)的傾斜臺上，其中所述對映校準(zhǔn)架包括安裝在所述對映校準(zhǔn)架上的兩個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡，其中所述兩個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡用于測量所述三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的傾斜；-對所述三維光學(xué)掃描系統(tǒng)執(zhí)行角度校準(zhǔn)； -求解所述三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的傾斜系數(shù)； -執(zhí)行一組步驟，該一組步驟包括 -將所述傾斜臺移動到下一傾斜位置； -獲得所述傾斜傳感器的實(shí)際輸出； -測量所述兩個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡的位置；以及-使用所測量的所述兩個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡的位置來計(jì)算所述傾斜傳感器的期望輸出； -針對所述三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的總共三個(gè)或更多個(gè)傾斜位置重復(fù)所述一組步驟；以及 -使用以上測量結(jié)果來計(jì)算估計(jì)的傾斜傳感器模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述三維光學(xué)系統(tǒng)包括LIDAR掃描儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，安裝在所述對映校準(zhǔn)架上的所述兩個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡包括位于該一個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的靶物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中，安裝在所述對映校準(zhǔn)架上的所述兩個(gè)或更多個(gè)望遠(yuǎn)鏡包括自動準(zhǔn)直儀。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，求解所述傾斜系數(shù)包括圓測量和最小二乘法計(jì)算。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，求解所述傾斜系數(shù)包括雙面測量。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述一組步驟還包括在將所述傾斜臺移動到下一傾斜位置之前，計(jì)算下一近似傾斜位置。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，計(jì)算估計(jì)的傾斜傳感器模型包括計(jì)算換算因數(shù)和交叉項(xiàng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述換算因數(shù)包括所述傾斜傳感器的輸出與實(shí)際傾斜之間的差。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，交叉項(xiàng)包括所述傳感器沿垂直于預(yù)想傾斜軸的軸的傾斜。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，該方法還包括使用所述測量結(jié)果來計(jì)算誤差圖。
12.一種根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法校準(zhǔn)的三維光學(xué)掃描系統(tǒng)。
13.一種用于確定三維光學(xué)掃描系統(tǒng)的測程范圍的方法，該方法包括 -從所述三維光學(xué)掃描系統(tǒng)向測程校準(zhǔn)架發(fā)射光束；-在所述測程校準(zhǔn)架處分離所述光束，其中所述光束的第一部分進(jìn)入循環(huán)光纖回路以返回到分束器；并且所述光束的第二部分進(jìn)入透射透鏡；-將所述光束的所述第二部分從所述透射透鏡傳輸回到所述掃描系統(tǒng)； -在所述掃描系統(tǒng)處測量脈沖之間的時(shí)間；以及-根據(jù)脈沖之間的時(shí)間來計(jì)算所述測程范圍。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，該方法還包括-將所述光束從所述三維掃描系統(tǒng)引導(dǎo)到接收望遠(yuǎn)鏡；和 -將來自所述三維掃描系統(tǒng)的所述光束聚焦到接收光纖上。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，該方法還包括-將計(jì)算的測程數(shù)據(jù)與所述循環(huán)光纖的已知長度進(jìn)行比較；和 -利用所計(jì)算的長度和所述已知長度之間的差來校準(zhǔn)所述掃描系統(tǒng)的所述測程范圍。
16.根據(jù)權(quán)利要求13、14或15所述的方法，其中，用開放空中網(wǎng)絡(luò)來替代所述循環(huán)光纖回路。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求13至16中任意一項(xiàng)所述的方法校準(zhǔn)的三維光學(xué)掃描系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施方式包括使用一組望遠(yuǎn)鏡來校準(zhǔn)三維光學(xué)掃描儀。針對測量級校準(zhǔn)公開了三個(gè)單獨(dú)的校準(zhǔn)(1)使用至少一對對映望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)的角度校準(zhǔn)，(2)使用至少一個(gè)安裝有光纖循環(huán)器的望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)的測程校準(zhǔn)，和(3)使用未按照對映配置安裝的至少一對望遠(yuǎn)鏡和一體的傾斜臺實(shí)現(xiàn)的傾斜校準(zhǔn)。還公開了用于對準(zhǔn)或測量對映望遠(yuǎn)鏡對之間的未對準(zhǔn)的方法。
文檔編號G01C25/00GK102239421SQ200980148438
公開日2011年11月9日 申請日期2009年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者格雷戈里·查爾斯·沃爾什 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司