[發(fā)明專利]一種基于TLS的大型拋物面天線口徑測(cè)量及計(jì)算方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210867521.1
• 申請(qǐng)日: 2022-07-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115451846A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李明磊;于合理;張政宇;劉備;蘆秀偉;崔建勇;劉伯棟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍63891部隊(duì)
• 主分類號(hào): G01B11/08
• 分類號(hào): G01B11/08;G06T7/11;G06T7/13;G06T7/62;G06T17/00
• 代理公司: 洛陽(yáng)市凱旋專利事務(wù)所(普通合伙) 41112
• 代理人: 林志堅(jiān)

1.一種基于TLS的大型拋物面天線口徑測(cè)量計(jì)算方法，采用TLS對(duì)被測(cè)天線面進(jìn)行覆蓋式測(cè)量，得到天線面高密度點(diǎn)云，解決天線口面邊緣點(diǎn)自動(dòng)提取問(wèn)題，并解決天線口面圓直徑的魯棒擬合計(jì)算問(wèn)題，其步驟如下：

1)測(cè)量數(shù)據(jù)采集，選擇距離被測(cè)天線10m～50m，于TLS量程范圍內(nèi)，且通視情況良好的位置，對(duì)TLS進(jìn)行設(shè)站，將被測(cè)天線方位指向TLS設(shè)站方向，俯仰置于水平限位，保證天線口徑邊緣對(duì)TLS基本可視；控制TLS對(duì)天線區(qū)域進(jìn)行掃描測(cè)量，得到包含天線表面的場(chǎng)景點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

2)基于體素區(qū)域生長(zhǎng)的天線面點(diǎn)云提取，利用TLS的“盲掃”特性，其獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為整個(gè)視場(chǎng)場(chǎng)景的表面點(diǎn)云，因此，需從這些海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)中快速分離出目標(biāo)天線表面的點(diǎn)云，以進(jìn)行之后的天線口面邊緣提取與口徑計(jì)算；

基于八叉樹(shù)體素生長(zhǎng)的點(diǎn)云平面提取和體素的區(qū)域生長(zhǎng)算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行天線曲面提取，具體實(shí)施步驟：

首先采用八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)依據(jù)點(diǎn)云的密度和厚度分布將點(diǎn)云過(guò)分割為一系列體素；

然后尋找接近面狀分布的種子體素并依據(jù)其面狀分布概率將其進(jìn)行分層；

再通過(guò)對(duì)各層體素生長(zhǎng)閾值的統(tǒng)計(jì)得到生長(zhǎng)條件；

最后以體素為單位進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)得到最終的平面分割結(jié)果；

在區(qū)域生長(zhǎng)提取平面的過(guò)程中，區(qū)域生長(zhǎng)的共面條件閾值限定的是被生長(zhǎng)體素與歸屬平面之間共面關(guān)系，其中歸屬平面為全局平面；曲面將被分割成平面片，由不同顏色區(qū)分不同平面；

在區(qū)域生長(zhǎng)時(shí)，共面條件閾值設(shè)定為被生長(zhǎng)體素與種子體素之間的共面條件，即局部共面條件，具有有效提取出天線面點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

3)基于天線面主方向投影的天線邊緣點(diǎn)提取，將天線面三維點(diǎn)云投影到二維平面的圖像，之后采用α-shape算法提取二維邊緣點(diǎn)，并依據(jù)投影關(guān)系，確定天線面三維點(diǎn)云的邊緣點(diǎn)；

利用天線面點(diǎn)集:

Φ＝{p_i|p_i＝[x_i y_i z_i]^T,i∈{1,2,...,n}}

建立協(xié)方差矩陣:

矩陣C對(duì)稱正定，對(duì)其進(jìn)行譜分解后得:

其中λ₁≥λ₂≥λ₃＞0為矩陣C的三個(gè)特征值,且對(duì)應(yīng)三個(gè)主成分的方差，其對(duì)應(yīng)的三個(gè)特征矢量e₁、e₂和e₃代表點(diǎn)集的三個(gè)主方向；

將天線面三維點(diǎn)云投影向二維時(shí)，首先要確定投影分辨率，即確定投影圖像的像素尺寸；

基于體素區(qū)域生長(zhǎng)的天線面點(diǎn)云提取方法，能夠提取得到由一系列局部平面體素構(gòu)成的天線面點(diǎn)云，設(shè)平面體素v的球鄰域內(nèi)點(diǎn)，個(gè)數(shù)為k_v分布在半徑為d′_v的圓面上，則v的平均點(diǎn)間距用式：

計(jì)算，即相當(dāng)于每個(gè)平面體素內(nèi)點(diǎn)在其歸屬平面上占用了邊長(zhǎng)為d_p的正方形空間；在采用八叉樹(shù)體素生長(zhǎng)進(jìn)行平面分割的過(guò)程中，記錄體素平面，由平面體素構(gòu)成的平面點(diǎn)云Θ各個(gè)元素體素的平均點(diǎn)間距，進(jìn)而求均值得出Θ的平均點(diǎn)間距：

其中n_Θ為Θ包含的體素個(gè)數(shù)，將d_Θ作為投影分辨率；

依據(jù)投影分辨率將平面點(diǎn)云投影為二值圖像的方式為：對(duì)于體素平面Θ，設(shè)其包含的點(diǎn)集為{P_j＝[x_j y_j z_j]^T,j∈(1,2,…,k)}，統(tǒng)計(jì)其空間分布的三個(gè)主方向；將第一主方向λ₁對(duì)應(yīng)的特征矢量e₁作為圖像的豎軸方向，第二主方向λ₂對(duì)應(yīng)的特征矢量e₂作為圖像的橫軸方向，重心作為投影圖像的中心點(diǎn)，從而三維向二維轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

R＝[e₁ e₂ e₃]^-1

平移矢量為：

統(tǒng)計(jì)平面Θ包含的點(diǎn)集在Θ主方向的投影范圍得到Θ的長(zhǎng)和寬，進(jìn)而根據(jù)投影圖像的像素尺寸d_Θ獲取Θ投影圖像的高和寬，縮放參數(shù)為1:d_Θ，將R和T與1:d_Θ統(tǒng)稱為投影變換參數(shù)；

依據(jù)投影變換參數(shù)將三維平面點(diǎn)云依據(jù)式

變換到圖像區(qū)域中，有對(duì)應(yīng)點(diǎn)的像素賦值為1，無(wú)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的像素賦值為0，其中(x_i,y_i,z_i)為平面點(diǎn)云Θ中被投影點(diǎn)的三維點(diǎn)坐標(biāo)，為Θ的重心點(diǎn)坐標(biāo)，為投影點(diǎn)的像素坐標(biāo)；

對(duì)投影圖像采用α-shape算法提取邊緣點(diǎn)，并根據(jù)投影關(guān)系得到三維邊緣點(diǎn)，利用激光掃描受天線附件遮擋的影響，提取的邊緣點(diǎn)會(huì)有一部分非天線口面邊緣點(diǎn)，通過(guò)歐氏距離聚類分離出天線口面邊緣點(diǎn)；

4)具有約束條件參數(shù)平差的空間圓擬合，為不丟失擬合精度，天線口面圓擬合在三維空間進(jìn)行，具體實(shí)施步驟：

首先，以三維平面方程

ax+by+cz+d＝[a b c]·[x y z]^T+d＝n^TP+d＝0的系數(shù)參數(shù)n＝[a b c]^T與常數(shù)d為未知參數(shù)，構(gòu)造誤差方程：

v_i＝ax_i+by_i+cz_i+d

P_i＝[x_i y_i z_i]^T為邊緣點(diǎn)，設(shè)V＝[v₁ v₂…v_n]^T，n為邊緣點(diǎn)個(gè)數(shù)則采用最小二乘法求解目標(biāo)函數(shù)V^TV＝min，即可得到天線口面圓所在三維平面的方程；

之后，將以天線口面圓為大圓的球面方程

(x-o_x)²+(y-o_y)²+(z-o_z)²-r²＝0的球心位置ο＝[o_x o_y o_z]^T和球面半徑r作為未知參數(shù)，以上述天線口面平面方程n^To+d＝0為約束條件，且將球心未知約束在該平面上，構(gòu)造參數(shù)平差方程：

v_i＝-2x_i·o_x-2y_i·o_y-2z_i·o_z+r-(x_i)²-(y_i)²-(z_i)²

即v_i＝[-2x_i -2y_i -2z_i 1]·[o_x o_y o_z r]^T-(x_i)²-(y_i)²-(z_i)²

即V＝AX+L

約束條件a·o_x+b·o_y+c·o_z+d＝[a b c 0]·[o_x o_y o_z r]^T+d＝0

即BX+W＝0，B＝[a b c 0]，W＝d

依據(jù)具有約束條件的參數(shù)平差理論，解誤差方程得

其中，P為權(quán)陣，在初始解算時(shí)設(shè)置為單位陣，按等權(quán)處理；為減弱噪聲點(diǎn)影響，在解算完畢后，根據(jù)邊緣點(diǎn)到圓的距離重新計(jì)算權(quán)陣，即抗差擬合中的選權(quán)迭代，等價(jià)權(quán)函數(shù)選用IGGIII方案；經(jīng)迭代解算，即得天線口面圓圓心坐標(biāo)與半徑的平差解算結(jié)果。