数字水准仪产品及原理介绍

Geosystems2019/8/231数字水准仪工作原理[e-mail]解放军信息工程大学测绘学院测量工程与装备系蒋理兴欢迎各位朋友惠顾郑州Geosystems2019/8/232一、数字水准仪产品NA2000（世界第一）1990SokkiaSDL302002LeicaDNA03/101994TopconDL-101/102TrimbleDiNi12/DiNi22TopconDL-103Geosystems2019/8/233二、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主要卖点: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Geosystems2019/8/234竞争对手-SokkiaSDL30主要特点:0.8mm/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主要卖点: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/RS232Geosystems2019/8/235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主要卖点: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Geosystems2019/8/236竞争对手-TopconDL–103主要特点:1.8mm/kmRS232C接口数据输出1°30’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耗电少重量轻测量时间短(2秒)缺点:样子笨显示窗小(128x32象素)应用特色少无圆水准器照明测量距离近(2-60m)Geosystems2019/8/237竞争对手–Internet查询更多的信息: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Geosystems2019/8/239LeicaDNA03/10的特性和优点2•8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Geosystems2019/8/2310LeicaDNA03/10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Geosystems2019/8/2311LeicaDNA03/10的特性和优点4中轴位置的测量按钮分离的DATA和ESC键分离的开关键独立的的定位键内存:6000测量点或1650个测站的前后视杰出的设计和外型宽大的LC显示屏可变的数据输出格式Geosystems2019/8/2312‘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Geosystems2019/8/2313DNA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Geosystems2019/8/2314四、数字水准仪工作原理1、相关法（威特NA2000，LeicaNA03/10）2、几何法（蔡司DINI10/20）3、相位法(拓普康DL101C/102C)Geosystems2019/8/23151、相关法-仪器光路示意图LeicaDNA系列数字水准仪采用相关法Geosystems2019/8/2316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。Geosystems2019/8/2317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，就可以得到精度足够的读数。Geosystems2019/8/2318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。Geosystems2019/8/2319相关法—标尺及相关原理（4）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。Geosystems2019/8/2320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。•Geosystems2019/8/2321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。Geosystems2019/8/2322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）。Geosystems2019/8/2323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}=1101000110111110111110001110111…010000001001001101Geosystems2019/8/2324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}=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Geosystems2019/8/2325相关法—相关示例模二和的运算规则如下：0⊕0=10⊕1=01⊕0=01⊕1=1设t=0,{P}=110100011011111011111{Q}=100011011111011111000相关函数序列{R}=101000111011011011000由此得相关函数R0=11－10＝1相关系数ρ0=1/21=0.05P=1101000110111110111110001110111…Q=100011011111011111000R=110100010111010111001Geosystems2019/8/2326相关法—相关示例设t=1,：{P}=101000110111110111110{Q}=100011011111011111000{R}=110100010111010111001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=0.24Geosystems2019/8/2327相关法—相关示例t=3时R3=21-0=21ρ3=1t=4时R4=11－10＝1ρ4=0.05t=5时R5=10－11＝－1ρ5=－0.05t=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)Geosystems2019/8/2328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。niPQhydPiyQiNhd0,*1,Geosystems2019/8/23292、几何法——光路示意图蔡司ＤＩＮＩ１０／２０采用几何法原理读数。Ge