CC BY
293
УДК 681.62.068.8:006.9
В.А. Середович, Л.Г. Куликова, В.Д. Лизунов
СГГ А, Новосибирск
МЕТОДЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ СКАНЕРОВ
Лазерно-локационное сканирование (ЛЛС) в настоящее время находит всё большее распространение для определения пространственных координат в геодезии и топографии и является самым значительным технологическим новшеством после внедрения в геодезическую практику навигационных систем GPS и ГЛОНАСС.
ЛЛС осуществляется двумя основными способами: получение
информации при авиационном базировании лазерного локатора (ЛЛ) и при наземном базировании ЛЛ. При авиационном способе базирования местоположение и траектория движения лазерного локатора, то есть базовая точка или репер, регистрируются бортовым приёмником GPS. В случае наземного лазерного сканирования в первом приближении можно принимать как упрощённый вариант неподвижного сканера авиационного базирования. Перспективность такого подхода подтверждается, например [1]. В этом случае элементы внешнего ориентирования остаются неизменными в каждом сеансе измерений. Очевидно, что при наземном сканировании производительность получения информации уступает воздушному сканированию, однако при этом возможно получение значительно более детального изображения из-за свободы выбора ракурса и продолжительности сканирования, возможности съёмки внутренних элементов объектов и помещений.
Оба способа имеют преимущества и недостатки в зависимости от поставленной задачи. При оценке практического использования лазерной сканирующей системы (ЛСС) можно отметить преимущество наземных ЛС по отношению к воздушным в меньшей стоимости оборудования, а также в более высокой точности определения координат объектов за счёт статистического характера измерений и меньшей дальности объектов при сканировании. В общем случае при определении координат точек измеряемых объектов суммарная погрешность будет зависеть от погрешности базирования и определения дальностей с помощью ЛСС [2].
Для того чтобы объективно судить о точности производимых определений (измерений) с помощью ЛЛС, как для любых измерительных методов и систем, необходимо метрологическое обеспечение, то есть комплекс мероприятий по обеспечению единства измерений.
Метрологические характеристики сканеров
Общие замечания
На основе вышеизложенного задача метрологического обеспечения ЛЛС распадается на две самостоятельные задачи:
- Метрологическое обеспечение при получении информации при авиационном базировании ЛЛС, то есть фактически поверка точности траектории движения приёмника GPS или ГЛОНАСС навигационных систем;
- Метрологическое обеспечение наземного лазерного сканера.
Вопросы метрологического обеспечения при использовании GPS приёмников достаточно изучены и имеют ряд действующих нормативных документов [3, 4], поэтому в настоящей работе не рассматриваются.
Лазерные сканеры авиационного и наземного базирования принципиально и конструктивно в современной форме имеют известные технологические решения. С некоторыми упрощениями такой прибор можно определить как сканирующий лазерный дальномер, где используется полупроводниковый лазер ближнего инфракрасного диапазона, работающий в импульсном режиме. В процессе сканирования лучом регистрируются наклонная дальность до точек отражения и значение угла, определяющего направление зондирующего луча в системе координат локатора. Лазернолокационное изображение есть множество лазерных точек определённых пространственными координатами X, Y, 7, называемых «облаком точек», образующим некоторый образ наблюдаемой картины, называемой «лазернолокационным изображением». При этом лазерные локаторы, в зависимости от технических характеристик, могут фиксировать несколько отражений для каждой линии визирования, что позволяет более информативно использовать полученные лазерно-локационные изображения. Например, в одном измерении в процессе сканирования могут быть получены сразу несколько откликов за счёт отражения листвы, растительности, проводов, опор линий электрических передач, кромок и элементов зданий, от поверхности земли или другой поверхности.
Очевидно, что условия получения информации в зависимости от расстояния до сканирующего объекта, угла поля зрения, точности определения расстояния (дальности), отражательная способность, граничные условия (форма объектов), условия окружающей среды, будут существенно сказываться на точности получаемой информации. Учитывая быстрое и широкое распространение и развитие лазерных сканирующих систем, изучение и разработка методов метрологического обеспечения при использовании их в геодезии весьма актуальны.
Оценка погрешности при измерении дальности
Погрешности сканерных измерений должны определяться при измерении расстояний от оптической оси или оптического центра сканирования камеры. Такую процедуру выполнить достаточно трудно из-за неопределённости центра оптического сканирования и механического принудительного центрирования при установке камеры. Поэтому для определения погрешности измерений дальности могут быть использованы стенды или базисы с несколькими известными расстояниями, обеспечивающие более высокую точность в сравнении с ЛСС. При этом систематическая погрешность измерений будет присутствовать при каждом расстоянии, и её можно учесть в результатах измерений. Учитывая специфику работы сканера, обеспечивающего измерения дальности для элементов объекта, где сканирование производится под некоторым углом (наклонная дальность), возникает необходимость оценки погрешности
измерений для углов, когда ещё можно получать достоверную информацию, то есть на пределе разрешения ЛЛС.
Используемые в настоящее время традиционные геодезические методы и средства измерений, инварные проволоки, светодальномеры, которые могут быть применены для создания и аттестации специальных стендов и базисов, малопригодны, непроизводительны, не обеспечивают требуемой точности.
В настоящее время для измерения расстояний и перемещений до 60 м всё шире применяются лазерные интерферометры, обеспечивающие погрешности измерений, не превышающие (0,5^1Ц) мкм в зависимости от условий измерений. На основе измерителей перемещений лазерных (ИПЛ) в настоящее время созданы и эксплуатируются специальные компараторы для поверки эталонных штриховых мер длины инварных проволок и лент. Например, на компараторе Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН в течение более 10 лет проводились измерения специальных штриховых мер длины, проведены исследования возможности использования такого компаратора для определения циклической поправки при выполнении линейных измерений с помощью светодальномеров и тахеометров с погрешностью измерений менее 1 мм.
Как показывают результаты исследований, время измерений и калибровки средств измерений значительно сокращается с одновременным существенным повышением точности.
Для разработки методов и средств, при оценке точности и поверке ЛСС в качестве основы для создания универсального компаратора использована схема, представленная на рис. 1.
На жестком бетонном фундаменте или на бетонных столбах располагаются направляющие (напр.). На одном из концов направляющей жестко устанавливается ИПЛ, который имеет юстировочные подвижки для выставления лазерной оптической оси. Направляющие для обеспечения технологичности сборки и легкости перемещения каретки (к) выполнены из точно обработанных труб. На каретке предусмотрено центрирующее устройство для лазерной сканирующей системы (ЛСС) и блок установки и юстировки трёхгранного отражателя (отр.) - призмы (trippelshpiegel).
Как видно из схемы, на краях направляющих располагают испытательные экраны - стенды (э), на одной из сторон экрана крепятся с возможностью перемещения и установки специальные миры (м) для регистрации их положения с помощью ЛЛС в установленных и измеренных положениях (хь х2) и (уь у2). Комбинация установки размеров (1Ь 12, 13, 14, 15,...1П), а значит, оптической оси ЛСС и измерение её положения с помощью ИПЛ, позволяет рассчитать наклонные дальности Б2, Б3, Б4 ..^п) и
одновременно измерить с помощью ЛСС. При регистрации наклонной дальности с помощью ЛСС выгодно применять широко используемые при измерениях в оптике миры, разработанные в Ленинградском (Санкт-Петербургском) государственном оптическом институте (ГОИ) и широко применяемые в промышленности и научных исследованиях по НО 1671-56.
Миры применяются как испытательные тесты - штриховые и радиальные (рис. 2).
Рис. 1. Схема компаратора для поверки ЛСС:
ИПЛ - измеритель перемещений лазерный; ЛСС - лазерная сканирующая система; Э -экран; М - мира; отр - уголковый отражатель; ї1 ^ 15 - расстояние при перемещении ЛСС и экранов; Sn - наклонные дальности; напр. - направляющая; К - каретка с ЛСС и
отражателем; х1, х2 - расстояние между мирами в вертикальной плоскости; у1, у2 -расстояние между мирами в горизонтальной плоскости
а) б)
Рис. 2 - Испытательные миры:
а) - штриховая; б) - радиальная
Радиальные миры состоят из круга, выполненного на стекле или фотобумаге, разделённого на 36 или 72 прозрачных (белых) или непрозрачных (чёрных) секторов, что позволяет определить эффективный диаметр сканирующего пятна.
Штриховые миры имеют 25 элементов [5] из чёрных квадратов со штрихами разного направления. Ширина полос каждой миры убывает от элемента № 1 к элементу № 25 по закону геометрической прогрессии со
знаменателем ~ 0,94.
Число полос на 1 мм каждого номера миры составляет
Мира № 1 2 3 4 5
Наибольшее число полос - элемент № 25 200 100 50 25 12,5
6,3
Наименьшее - элемент № 1 50 25 12,5 6,5 3,1
1,56
База В в мм 1,2 2,4 4,8 9,6 19,2
38,4
При этом по номеру разрешаемого элемента миры и по базе В (номеру миры) вычисляют число линий на 1 мм RN, то есть
= 60 • к„,, (1)
в
где Км - коэффициент, зависящий от номера элемента Км = 1,06м-1.
Использование приведённых мир позволяет эффективно оценить возможности ЛСС по качеству сканирования при нормальном падении зондирующих лучей и при различной, в том числе предельной, наклонной дальности.
Использование предлагаемого стенда при замене мир на экранах специальными объектами в виде ступенек, шаровых поверхностей,
цилиндрических поверхностей, грани или полуплоскости с различными отражательными способностями позволит моделировать и исследовать программные продукты, поставляемые для ЛСС.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Евстафьев О.В., SMARTSTATUON - Новый прибор компании LEICA GEOSYSTEMS [Текст] // Геопрофи. - 2005. - №1. - С. 40 - 42.
2. Середович В.А., Подходы к организации метрологической аттестации лазерных сканеров [Текст] / В.А. Середович, Л.Г. Куликова, В.Д. Лизунов // Вестник СГГА. - №10 (в печати).
3. МИ 2408-97. Рекомендация ГСИ. Аппаратура пользователей космических навигационных систем геодезическая. Методика поверки [Текст]. - Менделеево. - 1997.
4. МИ 2060-90. Рекомендация ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне 110-6 ^50 м и длин волн в диапазоне 0,2^50 мкм [Текст]. -М.: Госстандарт, 1991.
5. Мальцев М.Д., Прикладная оптика и оптические измерения [Текст]/ М.Д. Мальцев, Г.А. Каракулина. - М.: Машиностроение, 1968.
© В.А. Середович, Л.Г. Куликова, В.Д. Лизунов, 2005
