数字水准仪产品及原理介绍PPT学习教案

1、数字水准仪产品及原理介绍数字水准仪产品及原理介绍a bhab=a-b第1页/共54页 水准测量原理水准测量原理-一个测站的工作一个测站的工作h=(a1-b1)+(a2-b2)/2a1a2 b1 b2第2页/共54页h1=a1-b1h2=a2-b2hn=an-bnABhab=h1+h2+hnB点的高程：Hb=Ha+hab第3页/共54页BFaBFB1F4F2B3B1F2B4F3奇数站奇数站偶数站偶数站第4页/共54页BFFBaBFFB奇数站奇数站偶数站偶数站B11B24F12F23F23F12B11B24B11B24F12F23F24F11B12B23线路水准BFFB/aBFFB第5页/共54页

2、符合水准路线符合水准路线回归水准路线回归水准路线第6页/共54页水准支线水准网第7页/共54页iiD1D2dH=i(D2-D1)第8页/共54页d1d2d0=d2-d1奇数站偶数站d0=d1-d2第9页/共54页F24F11B12B23B1第10页/共54页NA2000（世界第一）1990Sokkia SDL302002Leica DNA03/101994Topcon DL-101/102Trimble DiNi12/DiNi22第11页/共54页主要特点主要特点: 0.3mm / 0.7mm/km PCMCIA 数据存贮数据存贮 (DiNi12) 或在线数据存贮或在线数据存贮(DiNi22)

3、 静态的静态的 30cm电子视场电子视场 补偿器置平精度补偿器置平精度 0.2 / 0.5 放大倍率放大倍率 32x / 26x主要亮点主要亮点: 字母与数字键盘字母与数字键盘 线路平差线路平差 精度精度 0.3 mm 视场视场 = 30cm缺点缺点: 笨大笨大 较小的显示窗较小的显示窗 (4x21字符字符) 稍有点重稍有点重 较较老式老式 无圆水准器的照明无圆水准器的照明 无标准电池的概念无标准电池的概念 用用 Trimble仪器的仪器的PCMCIA卡卡才能测量才能测量第12页/共54页主要特点主要特点: 0.6mm / 1.0mm/km 内部数据存贮内部数据存贮 (2000个点个点) 12

4、0的电子视场的电子视场 补偿器置平精度补偿器置平精度 0.3 放大倍率放大倍率 32x主要亮点主要亮点: 放大倍率放大倍率 测量时间短测量时间短 1.0 mm精度精度 120的视场的视场 价格低价格低缺点缺点: 按键少按键少 无字母数字键盘无字母数字键盘 显示少（显示少（4x21个字符个字符) 比较大比较大 无圆水准器照明无圆水准器照明 无标准电池概念无标准电池概念 只有内存只有内存/RS232 做一等水准差点做一等水准差点第13页/共54页主要特点主要特点: 0.4mm / 1.0mm/km PCMCIA 卡数据存贮和内部数卡数据存贮和内部数据存贮据存贮 120的电子视场的电子视场 补偿器置

5、平精度补偿器置平精度 0.3 / 0.5 放大倍率放大倍率 32x / 30 x主要亮点主要亮点: 字母数字输入字母数字输入 5m 标尺标尺 内存和内存和 PCMCIA卡卡 120的视场角的视场角 缺点缺点: 显示窗小显示窗小 (2x8字符字符) 卡槽位于电池仓后卡槽位于电池仓后 无圆水准器照明无圆水准器照明 无标准电池概念无标准电池概念 内存小内存小(51KB)、PCMCIA( 256KB) 卡存贮能力小卡存贮能力小第14页/共54页主要特点主要特点: 1.8mm/km RS232C 接口数据输出接口数据输出 130的电子视场的电子视场 补偿器置平精度补偿器置平精度 5” 放大倍率放大倍率

6、26x 主要亮点主要亮点: 较强的防雨功能较强的防雨功能 耗电少耗电少 重量轻重量轻 测量时间短测量时间短 (2秒秒)缺点缺点: 样子笨样子笨 显示窗小显示窗小 (128x32象素象素) 应用特色少应用特色少 无圆水准器照明无圆水准器照明 测量距离近测量距离近 (2-60m)第15页/共54页第16页/共54页第17页/共54页双侧无限位双侧无限位微动螺旋微动螺旋钻石般的圆水准器钻石般的圆水准器(有照明有照明)带有概略瞄准器带有概略瞄准器的固定提把的固定提把低耗能电池低耗能电池字母数字字母数字键盘键盘RS232接口接口PCMCIA 卡卡优秀的光学系统优秀的光学系统可定制的显示屏可定制的显示屏第

7、18页/共54页中轴位置中轴位置的测量按钮的测量按钮分离的分离的 DATA 和和 ESC 键键分离的开关键分离的开关键 独立的独立的的定位键的定位键内存内存:6000 测量点或测量点或1650个测站的前后视个测站的前后视杰出的杰出的设计和外型设计和外型宽大的宽大的LC显示屏显示屏可变的数据可变的数据输出格式输出格式第19页/共54页你所要用的你所要用的-应用程序和功能机内即时调用应用程序和功能机内即时调用应用简单，操作容易应用简单，操作容易在线作业管理在线作业管理按当地需求改制显示内容按当地需求改制显示内容用户可定义数据输出格式用户可定义数据输出格式DNA 系列软件系列软件 概要概要第20页/

8、共54页DNA 系列的外部特性系列的外部特性显示内容可按层、名称和流程定制显示内容可按层、名称和流程定制固件是可升级固件是可升级仪器软件接口上载仪器软件接口上载通过通过 PCMCIA 卡输出数据卡输出数据第21页/共54页1、相关法（威特NA2000， Leica DNA03/10）2、几何法（蔡司DINI10/20）3、相位法(拓普康DL101C/102C)4、相关法2（索佳SDL30）第22页/共54页Leica DNA系列数字水准仪采用相关法线阵CCD第23页/共54页徕卡数字水准仪配套的水准标尺为伪随机条码，该条码图象已被存储在数字水准仪中作为参考信号。在条码标尺上，最窄的条码宽为2.

9、025mm（黑的、黄的或白的），称为基本码宽。在标尺上共有2000个基本码(指4.05m的标尺)，不同数量的同颜色的基本码相连在一起，就构成了宽窄不同的码条。 第24页/共54页测量信号与参考信号进行比较， 这就是相关过程, 称为相关。例如先与标尺底部对齐，发现不相同，然后往上移动一个步距（基本码宽），再比较，直到两码相同为止，或说两信号相同为止，也就是最佳相关位置时， 读数就可以确定。如图中的.116。移动一个基本码宽来进行比较的精度是不够的，但是可以作为粗相关过程，得到粗读数。再在粗读数上下选取一定范围，减少步距，进行精相关，就可以得到足够精度的读数。 第25页/共54页由于标尺到仪器的距

10、离不同，条码在探测器上成像的“宽窄”也将不同，测量信号片段条码的“宽窄”会变化，引起相关困难。徕卡数字水准仪采用二维相关法，以一定步距改变仪器内部参考信号的“宽窄”与CCD采集到的测量信号相比较，如果没有相同的两信号， 则再改变 ，再进行一维相关， 直到信号相同为止。参考信号的“宽窄”与视距是对应的。“宽窄”相同的两信号相比较是求视线高的过程，在此二维相关中， 一维是视距， 另一维是视线高，二维相关之后视距就可以精确算出。 第26页/共54页由于标尺到仪器的距离不同，条码在探测器上成像的“宽窄”也将不同，测量信号片段条码的“宽窄”会变化，引起相关困难。徕卡数字水准仪采用二维相关法，以一定步距改

11、变仪器内部参考信号的“宽窄”与CCD采集到的测量信号相比较，如果没有相同的两信号， 则再改变 ，再进行一维相关， 直到信号相同为止。参考信号的“宽窄”与视距是对应的。“宽窄”相同的两信号相比较是求视线高的过程，在此二维相关中， 一维是视距， 另一维是视线高，二维相关之后视距就可以精确算出。 第27页/共54页移动一个基本码宽来进行比较的精度是不够的，但是可以作为粗相关过程，得到粗读数。再在粗读数上下选取一定范围，减少步距，进行精相关，就可以得到精度足够的读数。 第28页/共54页可以想象从原始参考信号一步一步缩放比较的相关的计算量会很大， 使读数时间过长。为了缩短读数时间，徕卡数字水准仪内部设

12、计有调焦移动量传感器采集调焦镜的移动量，由此可以反算出概略视距，初步可以确定物像比例。 对仪器内部的参考信号的“宽窄”进行缩放，使其接近探测器采集到的测量信号的“宽窄”，然后再进行二维相关。这样可以减少的相关计算量使读数时间缩短到秒以内。 第29页/共54页调焦编码器补偿器监视CCD读出电子部件A DACCU500mAh模块信号处理芯片8Bit CPUGate array门阵列键盘显示屏GSI接口机外电源机外接口键盘和测量按钮调焦透镜位置条码影像视频信号CCD（Charge Coupled Device）是由按照一定规律排列的（金属一氧化物一半导体）电容器阵列组成的移位寄存器，线阵长约6.5

13、mm，由中心距为 m的 个光敏二极管组成其光敏窗口宽度为。一个光敏窗口也称一个象素（或象元）。第30页/共54页相关法伪随机码简介 伪随机码属于二进制码，它的结构可以预先确定，并且可以重复产生和复制，另一方面它还具有随机特性，即统计特性。GPS中的载波就是用这种伪随机码调制的。该码由线性移位寄存器产生。这种码用在数字水准仪中具有可以在1.8100m距离内使用相关法的特点。 标尺上的白码条或黄码条在CCD器件上产生光电流，在电路上为高电平，我们用二进制的“1”表示，相反黑码条用“0”表示。从条码标尺上测量得到的徕卡仪器的参考码序列为：P=11010001101111101111100011101

14、11010000001001001101第31页/共54页假定望远镜从条码标尺上截取的条码片段经电子部件处理后得到的测量码序列为：Q=100011011111011111000 则相关函数表示为：式中：N为测量码序列中码元的个数； i =1,2,N为测量码序列中码元的序号; 表示模二和运算。 t=0,1,.2,M-N-1，是移位相关的次数，而步距为一个码元 M 为参考码元的个数； 表示两序列中相同元素的个数和减去不同元素的个数和。相关系数表示为： NttPiQiR1+NttPiQiN11第32页/共54页 模二和的运算规则如下： 00=1 01=0 10=0 11=1设t=0, P =1101

15、00011011111011111Q =100011011111011111000相关函数序列 R =101000111011011011000由此得相关函数 R0=11101 相关系数 0=1/21=0.05 P=1101000110111110111110001110111Q= 100011011111011111000R= 110100010111010111001第33页/共54页相关法相关示例设t=1, ：P=101000110111110111110Q=100011011111011111000 R=110100010111010111001 此相关函数 R1=1293 相关系数

16、13210.14同理有t=2时 R2=1385 2=5/21=0.24 第34页/共54页相关法相关示例 t=3时 R3=21-0=21 3=1 t=4时 R4=11101 4=0.05 t=5时 R5=10111 5=0.05 t=6时 R6=9123 6=0.14 条码片段的下边界到标尺低端 ： h=bt=2.0253=6.75(mm) 第35页/共54页 徕卡数字水准仪的数值处理以相关原理为基础。这就是将仪器“巳知的”代码，即式（12）所示的二进制码同行阵传感器上标尺条码成像经处理构成的测量信号进行比较。数字水准仪运用相关方法时需要优化的两个参数，也就是“视线高”和“物象比”。仪器的视线

17、高表现为标尺条码像在线性传感器CCD上的上下的位移，另一方面标尺上的条码与其成象的物象比取决于仪器到标尺的距离，或说物象比是视距的函数。因此在徕 卡 数 字 水 准 仪 中 ， 二 维 离 散 相 关 系 数 为 ： 式中：PQ 为和之间的相关系数; （y）为测量信号; （，h）为参考信号; d 为视距； h 为视线高。 niPQhydPiyQiNhd0,*1,第36页/共54页蔡司采用几何法原理读数。 第37页/共54页系列的标尺每划分为一个测量间距，其中的码条构成一个码词，每个测量间距的边界由黑白过渡线构成，其下边界到标尺底部的高度，可由该测量间距中的码词判读出来，就象区格式标尺上的注记一

18、样I系列测量时，只利用中丝的上下两边各cm的标尺截距，也就是个测量间距来计算视距和视线高。 第38页/共54页图中Gi为某测量间距的下边界，Gi+1为上边界，它们在CD行阵上的成像为Bi及Bi+1。它们到光轴（中丝）的距离分别用用i及i+1表示。上象素的宽度是己知的，这两距离在C上所占象素的个数可以由输出的信号得知，因此可以算出i和i+1，也就是说i和i+1是计算视距和视线高的己知数。i和i+1在光轴之上方为负值，在光轴之下方取正值。如果在标尺上看，则是在光轴之上为正, 反之为负。 第39页/共54页为测量间距长（cm），用第个测量间距来测量时，则物象比 i=g /（bi+1bi） 视线高读数

19、为： Hi=g(Ci+l/2)-A(bi+1+bi)/2 i 是第个测量间距从标尺底部数起的序号，可由所属码词判读出来 第40页/共54页为了提高测量精度，系列取个测量间距平均来计算，也就是取标尺上中丝上下各的范围，即个测量间距取平均来计算。 第41页/共54页拓普康数字水准仪1采用相位法。望远镜光路见图111。标尺的条码像经望远镜、物镜、调焦镜、补偿器的光学零件和分光镜后，分成两路。一路成像在线阵上，用于进行光电转换；另一路成像在分划板上，供目视观测。 第42页/共54页有三种不同的码条，表示参考码，其中有三条mm宽的黑色码条，每两条黑色码条之间是一条1mm宽的黄色码条，以中间的黑码条的中心

20、线为准，每隔mm就有一组码条重复出现。在每组码条左边mm处有一道黑色的码条。在每组一参考码的右边1mm为一道黑色的码条。每组码条两边的和码条的宽窄不相同。实际上 和 码条的宽度是在1到 mm之间变化，这两种码包含了水准测量时的高度信息。其中码条的周期为600mm，码条的周期为570 mm RRBBBAAP10mm第43页/共54页在标尺长度方向上就形成了亮暗强度按正弦规律周期变化的亮度波。在图中条码的上面画出了波形。纵坐标表示黑条码的宽度，横坐标是标尺的长度。实线为码的亮度波，虚线为码的亮度波。由于和两条码变化的周期不同，也可以说和亮度波的波长不同，在标尺长度方向上的每一位置上两亮度波的相位差

21、也不同。这种相位差就好象传统水准标尺上的分划，可由它标出标尺的长度。只要能测出标尺某处的相位差，也就可以知道该处到标尺底部的高度，因为相位差可以做到和标尺长度一一对应，即具有单值性，这也是适当选择两亮度波的波长的原因。在L-101C中，码的周期为，码的周期为，它们的最小公倍数为，因此在长的标尺上不会有相同的相位差。为了确保标尺低端面，或说相位差分划的端点相位差具有唯一性，和码的相位在此错开了。 600mm570mmRA码B码第44页/共54页人工处理测量信号是很麻烦的，而且很费时间。在系列中采用快速傅里叶变换（）计算方法将测量信号在信号分析器中分解成三个频率分量。由和B两信号的相位求相位差，即

22、得到视线高读数。这只是粗读数，因为视距不同时，标尺上的波长与测量信号波长的比例不同。虽然在同一视距上和的波长比例相同，可以求出相位差，或说是视线高，但是可以想象其精度并不高。 第45页/共54页码是为了提高读数精度和求视距而安排的。设两组码之间的间距为（P30 mm）, 它在行阵上成像所占象素的个数为，象素宽为b（25m）, 则P在CCD行阵上的成像长度为： I=zb Z可由信号分析中得出，b是CCD光敏窗口的宽度，因此I和P都是已知数据。根据几何光学成像原理，可以像传统仪器用视距丝测量距离的视距测量原理一样求出视距： D=P/If 式中f是望远镜物镜的焦距。 同时还可以求出物相比 A=P/I

23、 于是将测量信号放大到与标尺上一样时，再进行相位测量，就可以精确得出相位差，即视线高 第46页/共54页第47页/共54页六进制码条码宽（mm）1 6 mm三进制码01234781112012345标尺条码宽度分别为标尺条码宽度分别为3 3mmmm、4mm4mm、7mm7mm、8mm8mm、11mm11mm、12mm12mm，条码之条码之间的中心距离为间的中心距离为1616mmmm，采用采用6 6进制进制码和码和3 3进制码两种编码形式，并把进制码两种编码形式，并把标尺的相关数码信息预置在仪器标尺的相关数码信息预置在仪器的的CPUCPU内。内。1.61.6m m9.0m9.0m短视距测量短视距测量取取6 6