數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹

數(shù)字水準儀工作原理解放軍信息工程大學測繪學院測量工程與裝備系蔣理興歡迎各位朋友惠顧?quán)嵵?/10/20231一、數(shù)字水準儀產(chǎn)品NA2000（世界第一）1990SokkiaSDL302002LeicaDNA03/101994TopconDL-101/102TrimbleDiNi12/DiNi22TopconDL-1035/10/20232二、競爭對手–TrimbleDiNi12/DiNi22

主要特點:

0.3mm/0.7mm/km

PCMCIA數(shù)據(jù)存貯(DiNi12)或在線數(shù)據(jù)存貯(DiNi22)

靜態(tài)的30cm電子視場 補償器置平精度0.2?

/0.5?

放大倍率32x/26x主要賣點: 字母與數(shù)字鍵盤

線路平差 精度0.3mm 視場=30cm缺點: 笨大

較小的顯示窗(4x21字符) 稍有點重 較老式 無圓水準器的照明 無標準電池的概念 用 Trimble儀器的PCMCIA卡才能測量5/10/20233競爭對手-SokkiaSDL30

主要特點:

0.8mm/1.0mm/km

內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯(2000個點)

1°20’的電子視場 補償器置平精度0.3?

放大倍率32x主要賣點: 放大倍率

測量時間短 1.0mm精度 1°20’的視場 價格低缺點: 按鍵少

無字母數(shù)字鍵盤

顯示少（4x21個字符) 比較大 無圓水準器照明 無標準電池概念 只有內(nèi)存/RS2325/10/20234競爭對手-TopconDL–101/102主要特點:

0.4mm/1.0mm/km

PCMCIA卡數(shù)據(jù)存貯和內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯

1°20’的電子視場 補償器置平精度0.3?

/0.5? 放大倍率32x/30x主要賣點: 字母數(shù)字輸入

5m標尺 內(nèi)存和PCMCIA卡 1°20’的視場角缺點: 顯示窗小(2x8字符)

卡槽位于電池倉后 無圓水準器照明 無標準電池概念 內(nèi)存小(51KB)、PCMCIA(256KB)卡存貯能力小

5/10/20235競爭對手-TopconDL–103主要特點:

1.8mm/km

RS232C接口數(shù)據(jù)輸出

1°30’的電子視場 補償器置平精度5” 放大倍率26x主要賣點: 較強的防雨功能

耗電少 重量輕 測量時間短(2秒)缺點: 樣子笨

顯示窗小(128x32象素) 應用特色少 無圓水準器照明 測量距離近(2-60m)5/10/20236競爭對手–Internet查詢更多的信息:5/10/20237三、LeicaDNA03/10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。縮短了學習時間.快速、容易、方便的數(shù)據(jù)存貯，無電纜，可處理大的任務。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。可增加外部數(shù)據(jù)采集器。特性優(yōu)點5/10/20238LeicaDNA03/10的特性和優(yōu)點28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，在線程序和編碼功能?？稍诤錀l件下繼續(xù)工作。特性優(yōu)點5/10/20239LeicaDNA03/10的特性和優(yōu)點3雙側(cè)無限位微動螺旋鉆石般的圓水準器(有照明)帶有概略瞄準器的固定提把低耗能電池字母數(shù)字鍵盤RS232接口PCMCIA卡優(yōu)秀的光學系統(tǒng)可定制的顯示屏5/10/202310LeicaDNA03/10的特性和優(yōu)點4中軸位置的測量按鈕分離的DATA

和ESC鍵分離的開關(guān)鍵獨立的的定位鍵內(nèi)存:

6000測量點或

1650個測站的前后視杰出的設(shè)計和外型寬大的

LC顯示屏可變的數(shù)據(jù)輸出格式5/10/202311‘你所要用的’-應用程序和功能機內(nèi)即時調(diào)用應用簡單，操作容易在線作業(yè)管理按當?shù)匦枨蟾闹骑@示內(nèi)容用戶可定義數(shù)據(jù)輸出格式DNA系列軟件–概要5/10/202312DNA系列的外部特性顯示內(nèi)容可按層、名稱和流程定制固件是可升級儀器軟件接口上載通過PCMCIA卡輸出數(shù)據(jù)5/10/202313四、數(shù)字水準儀工作原理1、相關(guān)法（威特NA2000，LeicaNA03/10）2、幾何法（蔡司DINI10/20）3、相位法(拓普康DL101C/102C)5/10/202314

1、相關(guān)法-儀器光路示意圖LeicaDNA系列數(shù)字水準儀采用相關(guān)法5/10/202315相關(guān)法—標尺及相關(guān)原理（1）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。

5/10/202316相關(guān)法—標尺及相關(guān)原理（2）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０.116ｍ。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)。

5/10/202317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”與視距是對應的。“寬窄”相同的兩信號相比較是求視線高的過程，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。

5/10/202318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。

5/10/202319相關(guān)法偽—標尺賓及相關(guān)嘆原理（序5）移動一個肚基本碼寬關(guān)來進行比隔較的精度嗓是不夠的喉，但是可脈以作為粗斃相關(guān)過程橡，得到粗慶讀數(shù)。再擋在粗讀數(shù)劃上下選取焦一定范圍呆，減少步名距，進行售精相關(guān)，棕就可以得傻到精度足架夠的讀數(shù)漿。4/29萌/202蝴320相關(guān)法舊—調(diào)焦館移動傳懷感器可以想象準從原始參大考信號一五步一步縮塌放比較的特相關(guān)的計哭算量會很途大，使?jié)庾x數(shù)時間耀過長。為去了縮短讀剛數(shù)時間，扣徠卡數(shù)字瓶水準儀內(nèi)林部設(shè)計有算調(diào)焦移動芳量傳感器劇采集調(diào)焦飾鏡的移動敢量，由此炊可以反算嬌出概略視腳距，初步劍可以確定卷物像比例蹄。對儀無器內(nèi)部的津參考信號鋒的“寬窄減”進行縮匠放，使其囑接近探測冤器采集到賤的測量信暈號的“寬云窄”，然燦后再進行伴二維相關(guān)妄。這樣可喂以減少８扁０％的相潤關(guān)計算量旱．使讀數(shù)革時間縮短米到４秒以鴉內(nèi)。4/29伸/202電321相關(guān)法察—電子蠻原理調(diào)焦編碼器補償器監(jiān)視CCD讀出電子部件ADACCU500mAh模塊信號處理芯片8BitCPUGatearray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（Char快ge早Coup啄led寺Dev服ice）是由按仙照一定早規(guī)律排細列的Ｍ陳ＯＳ（撥金屬一回氧化物誼一半導浸體）電族容器陣棄列組成港的移位械寄存器譽，線陣聾ＣＣＤ茅長約6房誠.5樸mm，孔由中心血距為只２５μ襯m的騙２５６影個光敏資二極管慈組成．豪其光敏栗窗口寬符度為２萌５μｍ惕。一個振光敏窗至口也稱品一個象枯素（或鎖象元）班。4/29漏/202脆322相關(guān)法—建偽隨機碼嚴簡介偽隨機碼嗓屬于二進臂制碼，它疊的結(jié)構(gòu)可曉以預先確盲定，并且請可以重復猾產(chǎn)生和復歷制，另一敞方面它還細具有隨機糊特性，即錯統(tǒng)計特性炊。GPS隆中的載波戰(zhàn)就是用這啟種偽隨機詳碼調(diào)制的渴。該碼由按線性移位騎寄存器產(chǎn)淡生。這種碗碼用在數(shù)緣瑞字水準儀貓中具有可弱以在1.8核—10起0m距龍離內(nèi)使朱用相關(guān)高法的特模點。標尺上的淡白碼條或源黃碼條在筋CCD器鎮(zhèn)件上產(chǎn)生扔光電流，秒在電路上炭為高電平兄，我們用牌二進制的愛“1”表淹示，相反菊黑碼條用攔“0”表甘示。從條查碼標尺上蟲測量得到爺?shù)膹瓶▋x粒器的參考勤碼序列為且：

{P召}=11封0100畏0110起1111澡1011躁1110犯0011婆1011圣1…01臨0000龜0010佩0100亞11014/29掌/202秘323相關(guān)法引—相關(guān)茫函數(shù)假定望遠纖鏡從條碼鈴標尺上截神取的條碼雜片段經(jīng)電桶子部件處交理后得到渣的測量碼跨序列為：旺{Q}爬=100秋0110勞1111恭1011注1110踐00則相關(guān)荷函數(shù)表狐示為：式中：俱N為測托量碼序塊列中碼換元的個毯數(shù)；泄i=汗1,2旅,…,荒N為測挖量碼序近列中碼末元的序罪號;特表崖示模二反和運算薦。t=0,漸1,.2衛(wèi),…,M蠶-N-1逐，是移位譯相關(guān)的請次數(shù)，倒而步距逝為一個展碼元M為參考蹲碼元的草個數(shù)；表示兩序稠列中相同擔元素的個蠻數(shù)和減去季不同元素館的個數(shù)和窯。相關(guān)系數(shù)針表示為：+4/29奮/202叛324相關(guān)法—于相關(guān)示例模二和華的運算攀規(guī)則如分下：鉗0婚⊕0=粉1欠0⊕廟1=0乒1⊕0宇=0運1需⊕1=閣1設(shè)t=0示,

{別P}=章1101隸0001秧1011創(chuàng)1110抬1111俘1

{Q瀉}=1就0001談1011宴1110肥1111褲1000相關(guān)函數(shù)叨序列{R}胸=101母0001妨1101利1011屢0110寶00

由霧此得相關(guān)攔函數(shù)只R0=11－販10＝1既相翁關(guān)系數(shù)ρ0=1/2祖1=0.應05P=11目0100濁0110堵1111勻1011羊1110瀉0011鬼1011形1…Q=夜100駱011較011誕111根011透111糟000R=赴110蔽100概010蘆111衰010來111洗0014/29維/202買325相關(guān)法—炒相關(guān)示例設(shè)t=曲1,爽：{P}冊=10釀100僚011吸011成111刊011敬111侍0{Q}伏=10捕001尖101糖111汁101倚111闖100弟0般{R偽}=1遇101父000留101圍110馬101裝110順01此相關(guān)函遺數(shù)R1=12左－9＝進3確相關(guān)系舉數(shù)橡ρ1＝3／2賴1＝0.詠14同理有t護=2時鎖R2=13－勞8＝5殘ρ2=5/2銜1=0.惹244/29病/202債326相關(guān)法—謎相關(guān)示例t=3時昂R3=21-姓0=21慌ρ3=1拳t=4煤時勵R4=11－拼10＝1陸ρ4=0.例05撇t薪=5時矛R5=10－鳥11＝－由1扁ρ5=－0逮.05令t=6券時雅R6=9－更12＝片－3菌ρ6=－0寄.14條碼片草段的下懼邊界到象標尺低止端：h=b×t=2.0壘25×3=6字.75煤(mm膽)4/29早/202榴327相關(guān)法納——二塌維相關(guān)徠卡數(shù)垃字水準凳儀的數(shù)爐值處理味以相關(guān)儲原理為繩基礎(chǔ)。吉這就是穩(wěn)將儀器妨“巳知滔的”代常碼，即探式（1料－2）知所示的盾二進制悄碼同行哥陣傳感從器上標燃尺條碼犧成像經(jīng)礦處理構(gòu)欺成的測牢量信號碧進行比甚較。數(shù)綿字水準貨儀運用蔥相關(guān)方竿法時需廈要優(yōu)化幻玉的兩個憲參數(shù)，憂也就是俯“視線堡高”和捆“物象育比”。悔儀器的繼視線高閉表現(xiàn)為外標尺條垃碼像在暫線性傳綱感器C柄CD上喉的上下守的位移管，另一燥方面標慶尺上的冰條碼與永其成象掛的物象殿比取決鈔于儀器扇到標尺明的距離固，或說偵物象比運是視距詳?shù)暮瘮?shù)奔。因此漿在徠卡廟數(shù)字水榮準儀中滴，二維驢離散相礙關(guān)系數(shù)督為：式中：遞ρPQ為Ｑ和恒Ｐ之間箭的相關(guān)洋系數(shù);萍Ｑ叔（y）狐為測量毫信號;傾Ｐ形（ｄ，閑ｙ－h(huán)徹）為參畝考信號嗓;破d為睜視距；稱h什為視莊線高。4/29收/202踢3282、幾何蠟法——光顆路示意圖蔡司Ｄ索ＩＮＩ巨１０／未２０采汽用幾何糞法原理壁讀數(shù)。4/29糾/202時3292、幾何冒法——條封碼標尺ＤＩＮ碑Ｉ系列清的標尺蝴每２ｃ宿ｍ劃分犧為一個摟測量間喉距，其火中的碼踢條構(gòu)成跪一個碼詞，每個測扮量間距的幕邊界由黑繼白過渡線籌構(gòu)成，其棕下邊界到固標尺底部腦的高度，遷可由該測譯量間距中榨的碼詞判址讀出來，頁就象區(qū)格倆式標尺上親的注記一蹈樣ＤＩＮ礙I系列棄測量時摟，只利努用中絲特的上下鵝兩邊各廈１５c爺m的標仆尺截距捏，也就成是１５輝個測量陣間距來若計算視山距和視釘線高。4/2區(qū)9/2妨023302、幾何壘法——測法量原理圖中Gi為某測量榴間距的下炒邊界，Gi+1為上邊界撲，它們在材ＣCD行陣上輛的成像你為Bi及Bi+1。它們導到光軸蔽（中絲購）的距變離分別消用用ｂi及ｂi+1表示。銳ＣＣＤ庫上象素械的寬度漏是己知質(zhì)的，這化兩距離妻在ＣCＤ上所蠢占象素警的個數(shù)以可以由生ＣＣＤ蕩輸出的陷信號得手知，因香此可以辨算出ｂi和ｂi+1，也就是遠說ｂi和ｂi+1是計算視布距和視線不高的己知招數(shù)。ｂi和ｂi+1在光軸依之上方凍為負值皂，在光鄉(xiāng)豐軸之下批方取正探值。如果在什標尺上智看，則灘是在光殖軸之上哭為正,反之為負。4/29拼/202箭331幾何法—細—測量原吸理ｇ為測朋量間距魄長（２偉cm）汽，用第蠅ｉ個測糾量間距軋來測量沒時，則鞏物象比Ａi=g揉/（bi+1－bi）視線高讀陪數(shù)為：Hi=g(Ci+l/2脫)-A(奮bi+1+bi)/2Ｃi是第ｉ他個測量常間距從據(jù)標尺底臂部數(shù)起姨的序號馬，可由桶所屬碼憤詞判讀麗出來4/2鑰9/2運02332幾何法丹——測公量原理為了提高輕測量精度早，ＤＩＮ顆ｉ系列取侍Ｎ個測量裳間距平均瞞來計算，霜也就是取習標尺上中煤絲上下各持１５ｃｍ度的范圍，什即１５個遞測量間距彈取平均來草計算。4/29們/202巧3333、相位娘法——光甩路示意圖拓普康優(yōu)數(shù)字水宣準儀Ｄ月Ｌ１０1Ｃ／１０披２Ｃ采用紡相位法。有望遠鏡光冷路見圖1—11。標尺炮的條碼今像經(jīng)望蒜遠鏡、輛物鏡、霧調(diào)焦鏡趕、補償賠器的光賤學零件賓和分光療鏡后，抬分成兩垮路。一址路成像鹿在ＣＣ垃Ｄ線陣擺上，用勁于進行供光電轉(zhuǎn)暴換；另下一路成寺像在分逗劃板上樓，供目巡壽視觀測弓。4/2感9/2帶02334相位法仇——標壺尺編碼有三種不啟同的碼文條，Ｒ蒙表示參仁考碼，銳其中有援三條２廁mm寬清的黑色趕碼條，把每兩條霧黑色碼說條之間污是一條農(nóng)1mm殺寬的黃銅色碼條淺，以中改間的黑疑碼條的佳中心線午為準，廁每隔３榨０mm籌就有一浮組Ｒ碼獸條重復晨出現(xiàn)。懷在每組越Ｒ碼條洋左邊１袍０mm明處有一專道黑色粥的Ｂ碼糖條。在妻每組一郊參考碼影Ｒ的右?guī)X邊1０曠mm為巷一道黑贏色的Ａ籠碼條。競每組Ｒ輸碼條兩產(chǎn)邊的Ａ謎和Ｂ碼貸條的寬倉窄不相養(yǎng)同。實際上隨Ａ和狼Ｂ碼東條的寬鍋度是在片1到洽１０m眠m之間閑變化，扎這兩種倉碼包含父了水準為測量時禁的高度華信息。優(yōu)其中Ａ渣碼條的樸周期為垃600層mm，熟Ｂ碼條結(jié)的周期揮為57懼0m弟m4/29羽/202量335相位法—稠—標尺編博碼在標尺長恩度方向上韻就形成了登亮暗強度織按正弦規(guī)總律周期變癢化的亮度甘波。在圖古中條碼的努上面畫出仙了波形。貍縱坐標表冠示黑條碼申的寬度，隙橫坐標是部標尺的長尖度。實線為Ａ遺碼的亮度刺波，虛線柱為Ｂ碼的退亮度波。由于執(zhí)Ａ和Ｂ幟兩條碼頌變化的稠周期不睬同，也威可以說緞Ａ和Ｂ笑亮度波彩的波長惜不同，撞在標尺長門度方向矛上的每源一位置化上兩亮瞇度波的錫相位差哥也不同。這種相棚位差就好條象傳統(tǒng)水暴準標尺上濃的分劃，轉(zhuǎn)可由它標群出標尺的掙長度。只后要能測出栗標尺某處申的相位差任，也就可坦以知道該勁處到標尺策底部的高臂度，因為臉相位差可策以做到和標醋尺長度一酷一對應，鈴即具有單狼值性，這也嶼是適當揭選擇兩犯亮度波引的波長柿的原因柿。在ＤL-10劍1C中，Ａ焦碼的周固期為６干００ｍ擊ｍ，Ｂ等碼的周棵期為５嘗７０ｍ鴉ｍ，它墓們的最獨小公倍螺數(shù)為１貿(mào)１４０語０ｍｍ攜，因此蒙在３ｍ回長的標負尺上不啄會有相較同的相腥位差。田為了確想保標尺強低端面背，或說悔相位差箭分劃的