數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹

1、Geosystems3/15/20221數(shù)字水準儀工作原理解放軍信息工程大學(xué)測繪學(xué)院測量工程與裝備系蔣理興Geosystems3/15/20222一、數(shù)字水準儀產(chǎn)品NA2000（世界第一）1990Sokkia SDL302002Leica DNA03/101994Topcon DL-101/102Trimble DiNi12/DiNi22Topcon DL-103Geosystems3/15/20223二、 競爭對手 Trimble DiNi12/DiNi22主要特點主要特點: 0.3mm / 0.7mm/km PCMCIA 數(shù)據(jù)存貯數(shù)據(jù)存貯 (DiNi12) 或在線數(shù)據(jù)存貯或在線數(shù)據(jù)存貯(D

2、iNi22) 靜態(tài)的靜態(tài)的 30cm電子視場電子視場 補償器置平精度補償器置平精度 0.2 / 0.5 放大倍率放大倍率 32x / 26x主要賣點主要賣點: 字母與數(shù)字鍵盤字母與數(shù)字鍵盤 線路平差線路平差 精度精度 0.3 mm 視場視場 = 30cm缺點缺點: 笨大笨大 較小的顯示窗較小的顯示窗 (4x21字符字符) 稍有點重稍有點重 較較老式老式 無圓水準器的照明無圓水準器的照明 無標準電池的概念無標準電池的概念 用用Trimble儀器的儀器的PCMCIA卡才能測量卡才能測量Geosystems3/15/20224競爭對手- Sokkia SDL30主要特點主要特點: 0.8mm / 1

3、.0mm/km 內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯 (2000個點個點) 120的電子視場的電子視場 補償器置平精度補償器置平精度 0.3 放大倍率放大倍率 32x主要賣點主要賣點: 放大倍率放大倍率 測量時間短測量時間短 1.0 mm精度精度 120的視場的視場 價格低價格低缺點缺點: 按鍵少按鍵少 無字母數(shù)字鍵盤無字母數(shù)字鍵盤 顯示少（顯示少（4x21個字符個字符) 比較大比較大 無圓水準器照明無圓水準器照明 無標準電池概念無標準電池概念 只有內(nèi)存只有內(nèi)存/RS232Geosystems3/15/20225競爭 對手- Topcon DL 101/102主要特點主要特點: 0.4mm / 1.0mm

4、/km PCMCIA 卡數(shù)據(jù)存貯和內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯卡數(shù)據(jù)存貯和內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯 120的電子視場的電子視場 補償器置平精度補償器置平精度 0.3 / 0.5 放大倍率放大倍率 32x / 30 x主要賣點主要賣點: 字母數(shù)字輸入字母數(shù)字輸入 5m 標尺標尺 內(nèi)存和內(nèi)存和 PCMCIA卡卡 120的視場角的視場角 缺點缺點: 顯示窗小顯示窗小 (2x8字符字符) 卡槽位于電池倉后卡槽位于電池倉后 無圓水準器照明無圓水準器照明 無標準電池概念無標準電池概念 內(nèi)存小內(nèi)存小(51KB)、PCMCIA( 256KB) 卡存貯能力小卡存貯能力小Geosystems3/15/20226競爭對手 - Topcon D

5、L 103主要特點主要特點: 1.8mm/km RS232C 接口數(shù)據(jù)輸出接口數(shù)據(jù)輸出 130的電子視場的電子視場 補償器置平精度補償器置平精度 5” 放大倍率放大倍率 26x 主要賣點主要賣點: 較強的防雨功能較強的防雨功能 耗電少耗電少 重量輕重量輕 測量時間短測量時間短 (2秒秒)缺點缺點: 樣子笨樣子笨 顯示窗小顯示窗小 (128x32象素象素) 應(yīng)用特色少應(yīng)用特色少 無圓水準器照明無圓水準器照明 測量距離近測量距離近 (2-60m)Geosystems3/15/20227競爭對手 Internet查詢更多的信息更多的信息:www.Twww.TOPCON.comwww.SOKKIA.c

6、omGeosystems3/15/20228三、Leica DNA03/10 的特性和優(yōu)點1 重量輕. 直觀好用的字母數(shù)字鍵盤 (TPS700 概念)。 大存貯容量. 閃存. PCMCIA 卡槽. RS232 接口.易提，易搬?？s短了學(xué)習時間.快速、 容易、方便的數(shù)據(jù)存貯，無電纜， 可處理大的任務(wù)。長期保存數(shù)據(jù)不用電。 易進行野外與辦公室的數(shù)據(jù)傳輸?？稍黾油獠繑?shù)據(jù)采集器。Geosystems3/15/20229Leica DNA03/10 的特性和優(yōu)點2 8行24字符的大屏幕顯示 機載程序 功能 用戶鍵。程序鍵。 顯示屏液晶加熱易讀數(shù)。減少了外部計算?？焖龠M入用戶自定義的操作， 在線程序和編碼

7、功能?？稍诤錀l件下繼續(xù)工作。Geosystems3/15/202210Leica DNA03/10 的特性和優(yōu)點3雙側(cè)無限位雙側(cè)無限位微動螺旋微動螺旋鉆石般的圓水準器鉆石般的圓水準器(有照明有照明)帶有概略瞄準器帶有概略瞄準器的固定提把的固定提把低耗能電池低耗能電池字母數(shù)字字母數(shù)字鍵盤鍵盤RS232接口接口PCMCIA 卡卡優(yōu)秀的光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)秀的光學(xué)系統(tǒng)可定制的顯示屏可定制的顯示屏Geosystems3/15/202211Leica DNA03/10 的特性和優(yōu)點4中軸位置中軸位置的測量按鈕的測量按鈕分離的分離的 DATA 和和 ESC 鍵鍵分離的開關(guān)鍵分離的開關(guān)鍵 獨立的獨立的的定位鍵的定位

8、鍵內(nèi)存內(nèi)存:6000 測量點或測量點或1650個測站的前后視個測站的前后視杰出的杰出的設(shè)計和外型設(shè)計和外型寬大的寬大的LC顯示屏顯示屏可變的數(shù)據(jù)可變的數(shù)據(jù)輸出格式輸出格式Geosystems3/15/202212 你所要用的你所要用的-應(yīng)用程序和功能機內(nèi)即時調(diào)用應(yīng)用程序和功能機內(nèi)即時調(diào)用 應(yīng)用簡單，操作容易應(yīng)用簡單，操作容易 在線作業(yè)管理在線作業(yè)管理 按當?shù)匦枨蟾闹骑@示內(nèi)容按當?shù)匦枨蟾闹骑@示內(nèi)容 用戶可定義數(shù)據(jù)輸出格式用戶可定義數(shù)據(jù)輸出格式DNA 系列軟件系列軟件 概要概要Geosystems3/15/202213DNA 系列的外部特性系列的外部特性 顯示內(nèi)容可按層、名稱和流程定制顯示內(nèi)容可按

9、層、名稱和流程定制 固件是可升級固件是可升級 儀器軟件接口上載儀器軟件接口上載 通過通過 PCMCIA 卡輸出數(shù)據(jù)卡輸出數(shù)據(jù)Geosystems3/15/202214四、數(shù)字水準儀工作原理1、相關(guān)法（威特NA2000， Leica NA03/10）2、幾何法（蔡司DINI10/20）3、相位法(拓普康DL101C/102C)Geosystems3/15/202215 1、相關(guān)法-儀器光路示意圖Leica DNA系列數(shù)字水準儀采用相關(guān)法Geosystems3/15/202216相關(guān)法標尺及相關(guān)原理（1）Ntt PiQiR1徠卡數(shù)字水準儀配套的水準標尺為偽隨機條碼，該條碼圖象已被存儲在數(shù)字水準儀中

10、作為參考信號。在條碼標尺上，最窄的條碼寬為2.025mm（黑的、黃的或白的），稱為基本碼寬。在標尺上共有2000個基本碼(指4.05m的標尺)，不同數(shù)量的同顏色的基本碼相連在一起，就構(gòu)成了寬窄不同的碼條。 Geosystems3/15/202217相關(guān)法標尺及相關(guān)原理（2）Ntt PiQiR1測量信號與參考信號進行比較， 這就是相關(guān)過程, 稱為相關(guān)。例如先與標尺底部對齊，發(fā)現(xiàn)不相同，然后往上移動一個步距（基本碼寬），再比較，直到兩碼相同為止，或說兩信號相同為止，也就是最佳相關(guān)位置時， 讀數(shù)就可以確定。如圖中的.116。移動一個基本碼寬來進行比較的精度是不夠的，但是可以作為粗相關(guān)過程，得到粗讀數(shù)

11、。再在粗讀數(shù)上下選取一定范圍，減少步距，進行精相關(guān)，就可以得到精度足夠的讀數(shù)。 Geosystems3/15/202218相關(guān)法標尺及相關(guān)原理（3）由于標尺到儀器的距離不同，條碼在探測器上成像的“寬窄”也將不同，測量信號片段條碼的“寬窄”會變化，引起相關(guān)困難。徠卡數(shù)字水準儀采用二維相關(guān)法，以一定步距改變儀器內(nèi)部參考信號的“寬窄”與CCD采集到的測量信號相比較，如果沒有相同的兩信號， 則再改變 ，再進行一維相關(guān)， 直到信號相同為止。參考信號的“寬窄”與視距是對應(yīng)的?！皩捳毕嗤膬尚盘栂啾容^是求視線高的過程，在此二維相關(guān)中， 一維是視距， 另一維是視線高，二維相關(guān)之后視距就可以精確算出。 Ntt

12、 PiQiR1Geosystems3/15/202219Ntt PiQiR1相關(guān)法標尺及相關(guān)原理（4）由于標尺到儀器的距離不同，條碼在探測器上成像的“寬窄”也將不同，測量信號片段條碼的“寬窄”會變化，引起相關(guān)困難。徠卡數(shù)字水準儀采用二維相關(guān)法，以一定步距改變儀器內(nèi)部參考信號的“寬窄”與CCD采集到的測量信號相比較，如果沒有相同的兩信號， 則再改變 ，再進行一維相關(guān)， 直到信號相同為止。參考信號的“寬窄”與視距是對應(yīng)的?！皩捳毕嗤膬尚盘栂啾容^是求視線高的過程，在此二維相關(guān)中， 一維是視距， 另一維是視線高，二維相關(guān)之后視距就可以精確算出。 Ntt PiQiR1Geosystems3/15/2

13、02220相關(guān)法標尺及相關(guān)原理（5）移動一個基本碼寬來進行比較的精度是不夠的，但是可以作為粗相關(guān)過程，得到粗讀數(shù)。再在粗讀數(shù)上下選取一定范圍，減少步距，進行精相關(guān)，就可以得到精度足夠的讀數(shù)。 Geosystems3/15/202221相關(guān)法調(diào)焦移動傳感器可以想象從原始參考信號一步一步縮放比較的相關(guān)的計算量會很大， 使讀數(shù)時間過長。為了縮短讀數(shù)時間，徠卡數(shù)字水準儀內(nèi)部設(shè)計有調(diào)焦移動量傳感器采集調(diào)焦鏡的移動量，由此可以反算出概略視距，初步可以確定物像比例。 對儀器內(nèi)部的參考信號的“寬窄”進行縮放，使其接近探測器采集到的測量信號的“寬窄”，然后再進行二維相關(guān)。這樣可以減少的相關(guān)計算量使讀數(shù)時間縮短到

14、秒以內(nèi)。 Geosystems3/15/202222相關(guān)法電子原理調(diào)焦編碼器補償器監(jiān)視CCD讀出電子部件A DACCU500mAh模塊信號處理芯片8Bit CPUGate array門陣列鍵盤顯示屏GSI接口機外電源機外接口鍵盤和測量按鈕調(diào)焦透鏡位置條碼影像視頻信號CCD（Charge Coupled Device）是由按照一定規(guī)律排列的（金屬一氧化物一半導(dǎo)體）電容器陣列組成的移位寄存器，線陣長約6.5 mm，由中心距為 m的 個光敏二極管組成其光敏窗口寬度為。一個光敏窗口也稱一個象素（或象元）。Geosystems3/15/202223相關(guān)法偽隨機碼簡介Ntt PiQiR1 偽隨機碼屬于二進

15、制碼，它的結(jié)構(gòu)可以預(yù)先確定，并且可以重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，另一方面它還具有隨機特性，即統(tǒng)計特性。GPS中的載波就是用這種偽隨機碼調(diào)制的。該碼由線性移位寄存器產(chǎn)生。這種碼用在數(shù)字水準儀中具有可以在1.8100m距離內(nèi)使用相關(guān)法的特點。 標尺上的白碼條或黃碼條在CCD器件上產(chǎn)生光電流，在電路上為高電平，我們用二進制的“1”表示，相反黑碼條用“0”表示。從條碼標尺上測量得到的徠卡儀器的參考碼序列為：P=1101000110111110111110001110111010000001001001101Geosystems3/15/202224相關(guān)法相關(guān)函數(shù)假定望遠鏡從條碼標尺上截取的條碼片段經(jīng)電子部件處理后

16、得到的測量碼序列為：Q=100011011111011111000 則相關(guān)函數(shù)表示為：式中：N為測量碼序列中碼元的個數(shù)； i =1,2,N為測量碼序列中碼元的序號; 表示模二和運算。 t=0,1,.2,M-N-1，是移位相關(guān)的次數(shù)，而步距為一個碼元 M 為參考碼元的個數(shù)； 表示兩序列中相同元素的個數(shù)和減去不同元素的個數(shù)和。相關(guān)系數(shù)表示為： NttPiQiN11+ niPQhydPiyQiNhd0,*1,Geosystems3/15/202225相關(guān)法相關(guān)示例 模二和的運算規(guī)則如下： 00=1 01=0 10=0 11=1設(shè)t=0, P =110100011011111011111Q =1000

17、11011111011111000相關(guān)函數(shù)序列 R =101000111011011011000由此得相關(guān)函數(shù) R0=11101 相關(guān)系數(shù) 0=1/21=0.05 P=1101000110111110111110001110111Q= 100011011111011111000R= 110100010111010111001Geosystems3/15/202226相關(guān)法相關(guān)示例設(shè)t=1, ：P=101000110111110111110 Q = 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 R=110100010111010111001 此相關(guān)函數(shù) R1

18、=1293 相關(guān)系數(shù) 13210.14同理有t=2時 R2=1385 2=5/21=0.24 Geosystems3/15/202227相關(guān)法相關(guān)示例 t=3時 R3=21-0=21 3=1 t=4時 R4=11101 4=0.05 t=5時 R5=10111 5=0.05 t=6時 R6=9123 6=0.14 條碼片段的下邊界到標尺低端 ： h=bt=2.0253=6.75(mm) Geosystems3/15/202228相關(guān)法二維相關(guān) 徠卡數(shù)字水準儀的數(shù)值處理以相關(guān)原理為基礎(chǔ)。這就是將儀器“巳知的”代碼，即式（12）所示的二進制碼同行陣傳感器上標尺條碼成像經(jīng)處理構(gòu)成的測量信號進行比較。

19、數(shù)字水準儀運用相關(guān)方法時需要優(yōu)化的兩個參數(shù)，也就是“視線高”和“物象比”。儀器的視線高表現(xiàn)為標尺條碼像在線性傳感器CCD上的上下的位移，另一方面標尺上的條碼與其成象的物象比取決于儀器到標尺的距離，或說物象比是視距的函數(shù)。因此在徠 卡 數(shù) 字 水 準 儀 中 ， 二 維 離 散 相 關(guān) 系 數(shù) 為 ： 式中：PQ 為和之間的相關(guān)系數(shù); （y）為測量信號; （，h）為參考信號; d 為視距； h 為視線高。 Geosystems3/15/2022292、幾何法光路示意圖蔡司采用幾何法原理讀數(shù)。 Geosystems3/15/2022302、幾何法條碼標尺系列的標尺每劃分為一個測量間距，其中的碼條構(gòu)

20、成一個碼詞，每個測量間距的邊界由黑白過渡線構(gòu)成，其下邊界到標尺底部的高度，可由該測量間距中的碼詞判讀出來，就象區(qū)格式標尺上的注記一樣I系列測量時，只利用中絲的上下兩邊各cm的標尺截距，也就是個測量間距來計算視距和視線高。 Geosystems3/15/2022312、幾何法測量原理圖中Gi為某測量間距的下邊界，Gi+1為上邊界，它們在CD行陣上的成像為Bi及Bi+1。它們到光軸（中絲）的距離分別用用i及i+1表示。上象素的寬度是己知的，這兩距離在C上所占象素的個數(shù)可以由輸出的信號得知，因此可以算出i和i+1，也就是說i和i+1是計算視距和視線高的己知數(shù)。i和i+1在光軸之上方為負值，在光軸之下

21、方取正值。如果在標尺上看，則是在光軸之上為正, 反之為負。 Geosystems3/15/202232幾何法測量原理為測量間距長（cm），用第個測量間距來測量時，則物象比 i=g /（bi+1bi） 視線高讀數(shù)為： Hi=g(Ci+l/2)-A(bi+1+bi)/2 i 是第個測量間距從標尺底部數(shù)起的序號，可由所屬碼詞判讀出來 Geosystems3/15/202233幾何法測量原理為了提高測量精度，系列取個測量間距平均來計算，也就是取標尺上中絲上下各的范圍，即個測量間距取平均來計算。 Geosystems3/15/2022343、相位法光路示意圖拓普康數(shù)字水準儀1采用相位法。望遠鏡光路見圖1

22、11。標尺的條碼像經(jīng)望遠鏡、物鏡、調(diào)焦鏡、補償器的光學(xué)零件和分光鏡后，分成兩路。一路成像在線陣上，用于進行光電轉(zhuǎn)換；另一路成像在分劃板上，供目視觀測。 Geosystems3/15/202235相位法標尺編碼有三種不同的碼條，表示參考碼，其中有三條mm寬的黑色碼條，每兩條黑色碼條之間是一條1mm寬的黃色碼條，以中間的黑碼條的中心線為準，每隔mm就有一組碼條重復(fù)出現(xiàn)。在每組碼條左邊mm處有一道黑色的碼條。在每組一參考碼的右邊1mm為一道黑色的碼條。每組碼條兩邊的和碼條的寬窄不相同。實際上 和 碼條的寬度是在1到 mm之間變化，這兩種碼包含了水準測量時的高度信息。其中碼條的周期為600mm，碼條的周期為570 mm Geosystems3/15/202236相位法標尺編碼在標尺長度方向上就形成了亮暗強度按正弦規(guī)律周期變化的亮度波。在圖中條碼的上面畫出了波形?？v坐標表示黑條碼的寬度，橫坐標是標尺的長度。實線為碼的亮度波，虛線為碼的亮度波。由于和兩條碼變化的周期不同，也可以說和亮度波的