数字水准仪产品及原理介绍ppt课件

1、数字水准仪任务原理JLXZTpublic2.zz.ha解放军信息工程大学测绘学院丈量工程与配备系蒋理兴 欢迎各位朋友 惠顾郑州 1一、数字水准仪产品NA2000世界第一1990Sokkia SDL302002Leica DNA03/101994Topcon DL-101/102Trimble DiNi12/DiNi22Topcon DL-1032二、 竞争对手 Trimble DiNi12/DiNi22主要特点: 0.3mm / 0.7mm/km PCMCIA 数据存贮 (DiNi12) 或在线数据存贮(DiNi22) 静态的 30cm电子视场 补偿器置平精度 0.2 / 0.5 放大倍率 3

2、2x / 26x主要卖点: 字母与数字键盘 线路平差 精度 0.3 mm视场 = 30cm缺陷: 笨大 较小的显示窗 (4x21字符) 稍有点重较老式无圆水准器的照明无规范电池的概念 用Trimble仪器的PCMCIA卡才干丈量3竞争对手- Sokkia SDL30主要特点: 0.8mm / 1.0mm/km 内部数据存贮 (2000个点) 120的电子视场 补偿器置平精度 0.3 放大倍率 32x主要卖点: 放大倍率 丈量时间短 1.0 mm精度120的视场价钱低缺陷: 按键少 无字母数字键盘 显示少4x21个字符) 比较大无圆水准器照明无规范电池概念 只需内存/RS2324竞争 对手- T

3、opcon DL 101/102主要特点: 0.4mm / 1.0mm/km PCMCIA 卡数据存贮和内部数据存贮 120的电子视场 补偿器置平精度 0.3 / 0.5 放大倍率 32x / 30 x主要卖点: 字母数字输入 5m 标尺内存和 PCMCIA卡120的视场角 缺陷: 显示窗小 (2x8字符) 卡槽位于电池仓后无圆水准器照明无规范电池概念 内存小(51KB)、PCMCIA( 256KB) 卡存贮才干小5竞争对手 - Topcon DL 103主要特点: 1.8mm/km RS232C 接口数据输出 130的电子视场 补偿器置平精度 5放大倍率 26x 主要卖点: 较强的防雨功能

4、耗电少分量轻丈量时间短 (2秒)缺陷: 样子笨 显示窗小 (128x32象素) 运用特征少无圆水准器照明丈量间隔近 (2-60m)6竞争对手 Internet查询更多的信息:TrimbleTOPCONSOKKIA7三、Leica DNA03/10 的特性和优点1分量轻.直观好用的字母数字键盘 (TPS700 概念)。大存贮容量.闪存.PCMCIA 卡槽.RS232 接口.易提，易搬。缩短了学习时间.快速、 容易、方便的数据存贮，无电缆， 可处置大的义务。长期保管数据不用电。 易进展野外与办公室的数据传输。可添加外部数据采集器。特性优点8Leica DNA03/10 的特性和优点28行24字符的

5、大屏幕显示机载程序功能 用户键。程序键。显示屏液晶加热易读数。减少了外部计算。快速进入用户自定义的操作， 在线程序和编码功能。可在冰冷条件下继续任务。特性优点9Leica DNA03/10 的特性和优点3双侧无限位微动螺旋钻石般的圆水准器(有照明)带有概略瞄准器的固定提把低耗能电池字母数字键盘RS232接口PCMCIA 卡优秀的光学系统可定制的显示屏10Leica DNA03/10 的特性和优点4中轴位置的丈量按钮分别的 DATA 和 ESC 键分别的开关键 独立的的定位键内存:6000 丈量点或1650个测站的前后视出色的设计和外型宽大的LC显示屏可变的数据输出格式11他所要用的-运用程序和

6、功能机内即时调用运用简单，操作容易在线作业管理按当地需求改制显示内容用户可定义数据输出格式DNA 系列软件 概要12DNA 系列的外部特性显示内容可按层、称号和流程定制固件是可晋级仪器软件接口上载经过 PCMCIA 卡输出数据13四、数字水准仪任务原理1、相关法威特NA2000， Leica NA03/102、几何法蔡司DINI10/203、相位法(拓普康DL101C/102C)14 1、相关法-仪器光路表示图Leica DNA系列数字水准仪采用相关法15相关法标尺及相关原理1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

7、.025mm黑的、黄的或白的，称为根本码宽。在标尺上共有2000个根本码(指4.05m的标尺)，不同数量的同颜色的根本码相连在一同，就构成了宽窄不同的码条。 16相关法标尺及相关原理2丈量信号与参考信号进展比较， 这就是相关过程, 称为相关。例如先与标尺底部对齐，发现不一样，然后往上挪动一个步距根本码宽，再比较，直到两码一样为止，或说两信号一样为止，也就是最正确相关位置时， 读数就可以确定。如图中的.116。挪动一个根本码宽来进展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，进展精相关，就可以得到精度足够的读数。 17相关法标尺及相关原理3由于标

8、尺到仪器的间隔不同，条码在探测器上成像的“宽窄也将不同，丈量信号片段条码的“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，以一定步距改动仪器内部参考信号的“宽窄与CCD采集到的丈量信号相比较，假设没有一样的两信号， 那么再改动 ，再进展一维相关， 直到信号一样为止。参考信号的“宽窄与视距是对应的。“宽窄一样的两信号相比较是求视野高的过程，在此二维相关中， 一维是视距， 另一维是视野高，二维相关之后视距就可以准确算出。 18相关法标尺及相关原理4由于标尺到仪器的间隔不同，条码在探测器上成像的“宽窄也将不同，丈量信号片段条码的“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

9、定步距改动仪器内部参考信号的“宽窄与CCD采集到的丈量信号相比较，假设没有一样的两信号， 那么再改动 ，再进展一维相关， 直到信号一样为止。参考信号的“宽窄与视距是对应的。“宽窄一样的两信号相比较是求视野高的过程，在此二维相关中， 一维是视距， 另一维是视野高，二维相关之后视距就可以准确算出。 19相关法标尺及相关原理5挪动一个根本码宽来进展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，进展精相关，就可以得到精度足够的读数。 20相关法调焦挪动传感器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

10、卡数字水准仪内部设计有调焦挪动量传感器采集调焦镜的挪动量，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“宽窄进展缩放，使其接近探测器采集到的丈量信号的“宽窄，然后再进展二维相关。这样可以减少的相关计算量使读数时间缩短到秒以内。 21相关法电子原理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丈量按钮调焦透镜位置条码影像视频信号CCDCharge Coupled Device是由按照一定规律陈列的金属一氧化物一半导体电容器阵列组成的移位存放器，线阵长约6

11、.5 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。22相关法伪随机码简介 伪随机码属于二进制码，它的构造可以预先确定，并且可以反复产生和复制，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。该码由线性移位存放器产生。这种码用在数字水准仪中具有可以在1.8100m间隔内运用相关法的特点。 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。从条码标尺上丈量得到的徕卡仪器的参考码序列为：P=1101000110111110111110001110111010000

12、00100100110123相关法相关函数假定望远镜从条码标尺上截取的条码片段经电子部件处置后得到的丈量码序列为：Q=100011011111011111000 那么相关函数表示为：式中：N为丈量码序列中码元的个数； i =1,2,N为丈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； 表示两序列中一样元素的个数和减去不同元素的个数和。相关系数表示为： +24相关法相关例如 模二和的运算规那么如下： 00=1 01=0 10=0 11=1设t=0, P =110100011011111011111Q =10001

13、1011111011111000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= 11010001011101011100125相关法相关例如设t=1, ：P=101000110111110111110Q=100011011111011111000 R=110100010111010111001 此相关函数 R1=1293 相关系数 13210.14同理有t=2时 R2=1385 2=5/21=0

14、.24 26相关法相关例如 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 条码片段的下边境到标尺低端 ： h=bt=2.0253=6.75(mm) 27相关法二维相关 徕卡数字水准仪的数值处置以相关原理为根底。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置构成的丈量信号进展比较。数字水准仪运用相关方法时需求优化的两个参数，也就是“视野高和“物象比。仪器的视野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

15、取决于仪器到标尺的间隔，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为丈量信号; ，h为参考信号; d 为视距； h 为视野高。 282、几何法光路表示图蔡司采用几何法原理读数。 292、几何法条码标尺系列的标尺每划分为一个丈量间距，其中的码条构成一个码词，每个丈量间距的边境由黑白过渡线构成，其下边境到标尺底部的高度，可由该丈量间距中的码词判读出来，就象区格式标尺上的注记一样I系列丈量时，只利用中丝的上下两边各cm的标尺截距，也就是个丈量间距来计算视距和视野高。 302、几何法丈量原理图中Gi为某丈量间距的下边境，Gi+1为上边境，

16、它们在CD行阵上的成像为Bi及Bi+1。它们到光轴中丝的间隔分别用用i及i+1表示。上象素的宽度是己知的，这两间隔在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是计算视距和视野高的己知数。i和i+1在光轴之上方为负值，在光轴之下方取正值。假设在标尺上看，那么是在光轴之上为正, 反之为负。 31几何法丈量原理为丈量间距长cm，用第个丈量间距来丈量时，那么物象比 i=g /bi+1bi 视野高读数为： Hi=g(Ci+l/2)-A(bi+1+bi)/2 i 是第个丈量间距从标尺底部数起的序号，可由所属码词判读出来 32几何法丈量原理为了提高丈量精度，系列取个丈

17、量间距平均来计算，也就是取标尺上中丝上下各的范围，即个丈量间距取平均来计算。 333、相位法光路表示图拓普康数字水准仪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，用于进展光电转换；另一路成像在分划板上，供目视观测。 34相位法标尺编码有三种不同的码条，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线为准，每隔mm就有一组码条反复出现。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一样。实践上

18、 和 码条的宽度是在1到 mm之间变化，这两种码包含了水准丈量时的高度信息。其中码条的周期为600mm，码条的周期为570 mm 35相位法标尺编码在标尺长度方向上就构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。只需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，由于相位差可以做到和标尺长度一一对应，即具有单值性，这也是适中选择两亮度波的波长的缘由。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一样的相位差。为了确保标尺低端面，或说相位差分划的端点相位差具有独一性，和码的相位在此错开了。 36相位法信号分析人工处置丈量信号是很费事的，而且很费时间。在系列中采用快速傅里叶变换计算方法将丈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，即得到视野高读数。这只是粗读数，由于视距不同时，标尺上的波长与丈量信号波长的比例不同。虽然在同一视距上和的波长比例一样，可以求出相位差，或说是视野高，但是可以想象其精度并不高。 3