数字水准仪产品及原理介绍课件

数字水准仪及原理

2/6/20231水准测量原理水准测量是由水准仪利用重力获得水平视线求取两点间的高差。abhab=a-b2/6/20232水准测量原理—-一个测站的工作h=[(a1-b1)+(a2-b2)]/2a1a2

b1

b22/6/20233线路测量BF,aBFBFaBFB1F4F2B3B1F2B4F3奇数站偶数站2/6/20235BFFBaBFFB奇数站偶数站B11B24F12F23F23F12B11B24B11B24F12F23F24F11B12B23线路水准—BFFB/aBFFB2/6/20236水准测量线路符合水准路线回归水准路线2/6/20237水准测量的误差来源i角误差iiD1D2dH=i(D2-D1)2/6/20239水准测量的误差来源标尺零点差之差d1d2d0=d2-d1奇数站偶数站d0=d1-d22/6/202310水准测量的误差来源仪器/标尺升沉误差大气折光差测量误差标尺倾斜误差标尺刻划误差F24F11B12B23B12/6/202311二、竞争对手–TrimbleDiNi12/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32x/26x主要亮点: 字母与数字键盘

线路平差 精度0.3mm 视场=30cm缺点: 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 无标准电池的概念 用 Trimble仪器的PCMCIA卡才能测量2/6/202313竞争对手-SokkiaSDL30

主要特点:

0.6mm/1.0mm/km

内部数据存贮(2000个点)

1°20’的电子视场 补偿器置平精度0.3˝

放大倍率32x主要亮点: 放大倍率

测量时间短 1.0mm精度 1°20’的视场 价格低缺点: 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 无标准电池概念 只有内存/RS232

做一等水准差点2/6/202314竞争对手-TopconDL–101/102主要特点:

0.4mm/1.0mm/km

PCMCIA卡数据存贮和内部数据存贮

1°20’的电子视场 补偿器置平精度0.3˝

/0.5˝ 放大倍率32x/30x主要亮点: 字母数字输入

5m标尺 内存和PCMCIA卡 1°20’的视场角缺点: 显示窗小(2x8字符)

卡槽位于电池仓后 无圆水准器照明 无标准电池概念 内存小(51KB)、PCMCIA(256KB)卡存贮能力小

2/6/202315三、LeicaDNA03/10的特性和优点1重量轻.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，可处理大的任务。长期保存数据不用电。

易进行野外与办公室的数据传输。可增加外部数据采集器。特性优点2/6/202317LeicaDNA03/10的特性和优点28行24字符的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。可在寒冷条件下继续工作。特性优点2/6/202318LeicaDNA03/10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2/6/202319‘你所要用的’-应用程序和功能机内即时调用应用简单，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2/6/202321DNA系列的外部特性显示内容可按层、名称和流程定制固件是可升级仪器软件接口上载通过PCMCIA卡输出数据2/6/202322四、数字水准仪工作原理1、相关法（威特NA2000，LeicaDNA03/10）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）2/6/202323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2.025mm（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。

2/6/202325相关法—标尺及相关原理（2）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０.116ｍ。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。

2/6/202326相关法—标尺及相关原理（3）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。

2/6/202327相关法—标尺及相关原理（5）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。

2/6/202329相关法—调焦移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，徕卡数字水准仪内部设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８０％的相关计算量．使读数时间缩短到４秒以内。

2/6/202330相关法—电子原理调焦编码器补偿器监视CCD读出电子部件ADACCU500mAh模块信号处理芯片8BitCPUGatearray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（ChargeCoupledDevice）是由按照一定规律排列的ＭＯＳ（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ＣＣＤ长约6.5mm，由中心距为２５μm的２５６个光敏二极管组成．其光敏窗口宽度为２５μｍ。一个光敏窗口也称一个象素（或象元）。2/6/202331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1.8—100m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}=111110111…10011012/6/202332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理后得到的测量码序列为：

{Q}=1011111000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：

+2/6/202333相关法—相关示例模二和的运算规则如下：

0⊕0=1

0⊕1=0

1⊕0=0

1⊕1=1

设t=0,

{P}=1111011111

{Q}=1011111000

相关函数序列{R}=1011011000

由此得相关函数R0=11－10＝1

相关系数

ρ0=1/21=0.05

P=111110111…Q=1011111000R=11101110012/6/202334相关法—相关示例设t=1,：{P}=1110111110{Q}=1011111000

{R}=1110111001此相关函数R1=12－9＝3

相关系数ρ1＝3／21＝0.14同理有t=2时R2=13－8＝5ρ2=5/21=0.24

2/6/202335相关法—相关示例t=3时R3=21-0=21ρ3=1

t=4时R4=11－10＝1ρ4=0.05

t=5时R5=10－11＝－1ρ5=－0.05

t=6时R6=9－12＝－3ρ6=－0.14

条码片段的下边界到标尺低端：h=b×t=2.025×3=6.75(mm)

2/6/202336相关法——二维相关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（1－2）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：ρPQ为Ｑ和Ｐ之间的相关系数;

Ｑ（y）为测量信号;

Ｐ（ｄ，ｙ－h）为参考信号;

d为视距；

h为视线高。2/6/2023372、几何法——光路示意图蔡司ＤＩＮＩ１０／２０采用几何法原理读数。

2/6/2023382、几何法——条码标尺ＤＩＮＩ系列的标尺每２ｃｍ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样ＤＩＮI系列测量时，只利用中丝的上下两边各１５cm的标尺截距，也就是１５个测量间距来计算视距和视线高。

2/6/2023392、几何法——测量原理图中Gi为某测量间距的下边界，Gi+1为上边界，它们在ＣCD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ｂi及ｂi+1表示。ＣＣＤ上象素的宽度是己知的，这两距离在ＣCＤ上所占象素的个数可以由ＣＣＤ输出的信号得知，因此可以算出ｂi和ｂi+1，也就是说ｂi和ｂi+1是计算视距和视线高的己知数。ｂi和ｂi+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。

2/6/202340几何法——测量原理ｇ为测量间距长（２cm），用第ｉ个测量间距来测量时，则物象比Ａi=g/（bi+1－bi）

视线高读数为：Hi=g(Ci+l/2)-A(bi+1+bi)/2Ｃi是第ｉ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

2/6/202341几何法——测量原理为了提高测量精度，ＤＩＮｉ系列取Ｎ个测量间距平均来计算，也就是取标尺上中丝上下各１５ｃｍ的范围，即１５个测量间距取平均来计算。

2/6/2023423、相位法——光路示意图拓普康数字水准仪ＤＬ１０1Ｃ／１０２Ｃ采用相位法。望远镜光路见图1—11。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ＣＣＤ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。

2/6/202343相位法——标尺编码有三种不同的码条，Ｒ表示参考码，其中有三条２mm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３０mm就有一组Ｒ码条重复出现。在每组Ｒ码条左边１０mm处有一道黑色的Ｂ码条。在每组一参考码Ｒ的右边1０mm为一道黑色的Ａ码条。每组Ｒ码条两边的Ａ和Ｂ码条的宽窄不相同。实际上Ａ和Ｂ码条的宽度是在1到１０mm之间变化，这两种码包含了水准测量时的高度信息。其中Ａ码条的周期为600mm，Ｂ码条的周期为570mmRRBBBAAP10mm2/6/202344相位法——标尺编码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Ａ码的亮度波，虚线为Ｂ码的亮度波。由于Ａ和Ｂ两条码变化的周期不同，也可以说Ａ和Ｂ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ＤL-101C中，Ａ码的周期为６００ｍｍ，Ｂ码的周期为５７０ｍｍ，它们的最小公倍数为１１４００ｍｍ，因此在３ｍ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，Ａ和Ｂ码的相位在此错开了π／２。600mm570mmRA码B码2/6/202345相位法——信号分析人工处理测量信号是很麻烦的，而且很费时间。在ＤＬ系列中采用快速傅里叶变换（ＦＦＴ）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Ａ和B两信号的相位求相位差，即得到视线高读数。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Ａ和Ｂ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。

2/6/202346相位法——信号分析Ｒ码是为了提高读数精度和求视距而安排的。设两组Ｒ码之间的间距为（P＝30mm）,它在ＣＣＤ行阵上成像所占象素的个数为Ｚ，象素宽为b（＝25μm）,则P在CCD行阵上的成像长度为：I=z×bZ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/I×f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2/6/202347随机双码—索佳数字水准仪索佳电子水准仪的标尺编码采用RAB码（随机双码）。标尺条码宽度分别为3mm、4mm、7mm、8mm、11mm、12mm，条码之间的中心距离为16mm，采用6进制码和3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的CPU内。1.6m～9.0m短视距测量取6进制码的5个以上数码作为计算依据，而9.0m～100m长视距测量取3进制码的8个以上数码作计算依据，另外对RAB码标尺的编码信息扫描有两种方式：即短距离测量是采用边缘探测方式2/6/202348随机双码—索佳数字水准仪六进制码条码宽（mm）16mm三进制码01234781112012345标尺条码宽度分别为3mm、4mm、7mm、8mm、11mm、12mm，条码之间的中心距离为16mm，采用6进制码和3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的CPU内。1.6m～9.0m短视距测量取6进制码的5个以上数码作为计算依据，而9.0m～100m长视距测量取3