數(shù)字水準(zhǔn)儀產(chǎn)品及原理介紹

1、Geosystems3/15/20221數(shù)字水準(zhǔn)儀工作原理解放軍信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院測(cè)量工程與裝備系蔣理興Geosystems3/15/20222一、數(shù)字水準(zhǔn)儀產(chǎn)品NA2000（世界第一）1990Sokkia SDL302002Leica DNA03/101994Topcon DL-101/102Trimble DiNi12/DiNi22Topcon DL-103Geosystems3/15/20223二、 競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 Trimble DiNi12/DiNi22主要特點(diǎn)主要特點(diǎn): 0.3mm / 0.7mm/km PCMCIA 數(shù)據(jù)存貯數(shù)據(jù)存貯 (DiNi12) 或在線數(shù)據(jù)存貯或在線數(shù)據(jù)存貯(D

2、iNi22) 靜態(tài)的靜態(tài)的 30cm電子視場(chǎng)電子視場(chǎng) 補(bǔ)償器置平精度補(bǔ)償器置平精度 0.2 / 0.5 放大倍率放大倍率 32x / 26x主要賣點(diǎn)主要賣點(diǎn): 字母與數(shù)字鍵盤字母與數(shù)字鍵盤 線路平差線路平差 精度精度 0.3 mm 視場(chǎng)視場(chǎng) = 30cm缺點(diǎn)缺點(diǎn): 笨大笨大 較小的顯示窗較小的顯示窗 (4x21字符字符) 稍有點(diǎn)重稍有點(diǎn)重 較較老式老式 無圓水準(zhǔn)器的照明無圓水準(zhǔn)器的照明 無標(biāo)準(zhǔn)電池的概念無標(biāo)準(zhǔn)電池的概念 用用Trimble儀器的儀器的PCMCIA卡才能測(cè)量卡才能測(cè)量Geosystems3/15/20224競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手- Sokkia SDL30主要特點(diǎn)主要特點(diǎn): 0.8mm / 1

3、.0mm/km 內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯 (2000個(gè)點(diǎn)個(gè)點(diǎn)) 120的電子視場(chǎng)的電子視場(chǎng) 補(bǔ)償器置平精度補(bǔ)償器置平精度 0.3 放大倍率放大倍率 32x主要賣點(diǎn)主要賣點(diǎn): 放大倍率放大倍率 測(cè)量時(shí)間短測(cè)量時(shí)間短 1.0 mm精度精度 120的視場(chǎng)的視場(chǎng) 價(jià)格低價(jià)格低缺點(diǎn)缺點(diǎn): 按鍵少按鍵少 無字母數(shù)字鍵盤無字母數(shù)字鍵盤 顯示少（顯示少（4x21個(gè)字符個(gè)字符) 比較大比較大 無圓水準(zhǔn)器照明無圓水準(zhǔn)器照明 無標(biāo)準(zhǔn)電池概念無標(biāo)準(zhǔn)電池概念 只有內(nèi)存只有內(nèi)存/RS232Geosystems3/15/20225競(jìng)爭(zhēng) 對(duì)手- Topcon DL 101/102主要特點(diǎn)主要特點(diǎn): 0.4mm / 1.0mm

4、/km PCMCIA 卡數(shù)據(jù)存貯和內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯卡數(shù)據(jù)存貯和內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯 120的電子視場(chǎng)的電子視場(chǎng) 補(bǔ)償器置平精度補(bǔ)償器置平精度 0.3 / 0.5 放大倍率放大倍率 32x / 30 x主要賣點(diǎn)主要賣點(diǎn): 字母數(shù)字輸入字母數(shù)字輸入 5m 標(biāo)尺標(biāo)尺 內(nèi)存和內(nèi)存和 PCMCIA卡卡 120的視場(chǎng)角的視場(chǎng)角 缺點(diǎn)缺點(diǎn): 顯示窗小顯示窗小 (2x8字符字符) 卡槽位于電池倉(cāng)后卡槽位于電池倉(cāng)后 無圓水準(zhǔn)器照明無圓水準(zhǔn)器照明 無標(biāo)準(zhǔn)電池概念無標(biāo)準(zhǔn)電池概念 內(nèi)存小內(nèi)存小(51KB)、PCMCIA( 256KB) 卡存貯能力小卡存貯能力小Geosystems3/15/20226競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 - Topcon D

5、L 103主要特點(diǎn)主要特點(diǎn): 1.8mm/km RS232C 接口數(shù)據(jù)輸出接口數(shù)據(jù)輸出 130的電子視場(chǎng)的電子視場(chǎng) 補(bǔ)償器置平精度補(bǔ)償器置平精度 5” 放大倍率放大倍率 26x 主要賣點(diǎn)主要賣點(diǎn): 較強(qiáng)的防雨功能較強(qiáng)的防雨功能 耗電少耗電少 重量輕重量輕 測(cè)量時(shí)間短測(cè)量時(shí)間短 (2秒秒)缺點(diǎn)缺點(diǎn): 樣子笨樣子笨 顯示窗小顯示窗小 (128x32象素象素) 應(yīng)用特色少應(yīng)用特色少 無圓水準(zhǔn)器照明無圓水準(zhǔn)器照明 測(cè)量距離近測(cè)量距離近 (2-60m)Geosystems3/15/20227競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 Internet查詢更多的信息更多的信息:www.Twww.TOPCON.comwww.SOKKIA.c

6、omGeosystems3/15/20228三、Leica DNA03/10 的特性和優(yōu)點(diǎn)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?？s短了學(xué)習(xí)時(shí)間.快速、 容易、方便的數(shù)據(jù)存貯，無電纜， 可處理大的任務(wù)。長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)不用電。 易進(jìn)行野外與辦公室的數(shù)據(jù)傳輸?？稍黾油獠繑?shù)據(jù)采集器。Geosystems3/15/20229Leica DNA03/10 的特性和優(yōu)點(diǎn)2 8行24字符的大屏幕顯示 機(jī)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(jì)算。快速進(jìn)入用戶自定義的操作， 在線程序和編碼

7、功能?？稍诤錀l件下繼續(xù)工作。Geosystems3/15/202210Leica DNA03/10 的特性和優(yōu)點(diǎn)3雙側(cè)無限位雙側(cè)無限位微動(dòng)螺旋微動(dòng)螺旋鉆石般的圓水準(zhǔn)器鉆石般的圓水準(zhǔn)器(有照明有照明)帶有概略瞄準(zhǔn)器帶有概略瞄準(zhǔn)器的固定提把的固定提把低耗能電池低耗能電池字母數(shù)字字母數(shù)字鍵盤鍵盤RS232接口接口PCMCIA 卡卡優(yōu)秀的光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)秀的光學(xué)系統(tǒng)可定制的顯示屏可定制的顯示屏Geosystems3/15/202211Leica DNA03/10 的特性和優(yōu)點(diǎn)4中軸位置中軸位置的測(cè)量按鈕的測(cè)量按鈕分離的分離的 DATA 和和 ESC 鍵鍵分離的開關(guān)鍵分離的開關(guān)鍵 獨(dú)立的獨(dú)立的的定位鍵的定位

8、鍵內(nèi)存內(nèi)存:6000 測(cè)量點(diǎn)或測(cè)量點(diǎn)或1650個(gè)測(cè)站的前后視個(gè)測(cè)站的前后視杰出的杰出的設(shè)計(jì)和外型設(shè)計(jì)和外型寬大的寬大的LC顯示屏顯示屏可變的數(shù)據(jù)可變的數(shù)據(jù)輸出格式輸出格式Geosystems3/15/202212 你所要用的你所要用的-應(yīng)用程序和功能機(jī)內(nèi)即時(shí)調(diào)用應(yīng)用程序和功能機(jī)內(nèi)即時(shí)調(diào)用 應(yīng)用簡(jiǎn)單，操作容易應(yīng)用簡(jiǎn)單，操作容易 在線作業(yè)管理在線作業(yè)管理 按當(dāng)?shù)匦枨蟾闹骑@示內(nèi)容按當(dāng)?shù)匦枨蟾闹骑@示內(nèi)容 用戶可定義數(shù)據(jù)輸出格式用戶可定義數(shù)據(jù)輸出格式DNA 系列軟件系列軟件 概要概要Geosystems3/15/202213DNA 系列的外部特性系列的外部特性 顯示內(nèi)容可按層、名稱和流程定制顯示內(nèi)容可按

9、層、名稱和流程定制 固件是可升級(jí)固件是可升級(jí) 儀器軟件接口上載儀器軟件接口上載 通過通過 PCMCIA 卡輸出數(shù)據(jù)卡輸出數(shù)據(jù)Geosystems3/15/202214四、數(shù)字水準(zhǔn)儀工作原理1、相關(guān)法（威特NA2000， Leica NA03/10）2、幾何法（蔡司DINI10/20）3、相位法(拓普康DL101C/102C)Geosystems3/15/202215 1、相關(guān)法-儀器光路示意圖Leica DNA系列數(shù)字水準(zhǔn)儀采用相關(guān)法Geosystems3/15/202216相關(guān)法標(biāo)尺及相關(guān)原理（1）Ntt PiQiR1徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀配套的水準(zhǔn)標(biāo)尺為偽隨機(jī)條碼，該條碼圖象已被存儲(chǔ)在數(shù)字水準(zhǔn)儀中

10、作為參考信號(hào)。在條碼標(biāo)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(biāo)尺上共有2000個(gè)基本碼(指4.05m的標(biāo)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。 Geosystems3/15/202217相關(guān)法標(biāo)尺及相關(guān)原理（2）Ntt PiQiR1測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較， 這就是相關(guān)過程, 稱為相關(guān)。例如先與標(biāo)尺底部對(duì)齊，發(fā)現(xiàn)不相同，然后往上移動(dòng)一個(gè)步距（基本碼寬），再比較，直到兩碼相同為止，或說兩信號(hào)相同為止，也就是最佳相關(guān)位置時(shí)， 讀數(shù)就可以確定。如圖中的.116。移動(dòng)一個(gè)基本碼寬來進(jìn)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)

11、。再在粗讀數(shù)上下選取一定范圍，減少步距，進(jìn)行精相關(guān)，就可以得到精度足夠的讀數(shù)。 Geosystems3/15/202218相關(guān)法標(biāo)尺及相關(guān)原理（3）由于標(biāo)尺到儀器的距離不同，條碼在探測(cè)器上成像的“寬窄”也將不同，測(cè)量信號(hào)片段條碼的“寬窄”會(huì)變化，引起相關(guān)困難。徠卡數(shù)字水準(zhǔn)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(hào)的“寬窄”與CCD采集到的測(cè)量信號(hào)相比較，如果沒有相同的兩信號(hào)， 則再改變 ，再進(jìn)行一維相關(guān)， 直到信號(hào)相同為止。參考信號(hào)的“寬窄”與視距是對(duì)應(yīng)的?！皩捳毕嗤膬尚盘?hào)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。 Ntt

12、 PiQiR1Geosystems3/15/202219Ntt PiQiR1相關(guān)法標(biāo)尺及相關(guān)原理（4）由于標(biāo)尺到儀器的距離不同，條碼在探測(cè)器上成像的“寬窄”也將不同，測(cè)量信號(hào)片段條碼的“寬窄”會(huì)變化，引起相關(guān)困難。徠卡數(shù)字水準(zhǔn)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(hào)的“寬窄”與CCD采集到的測(cè)量信號(hào)相比較，如果沒有相同的兩信號(hào)， 則再改變 ，再進(jìn)行一維相關(guān)， 直到信號(hào)相同為止。參考信號(hào)的“寬窄”與視距是對(duì)應(yīng)的?！皩捳毕嗤膬尚盘?hào)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。 Ntt PiQiR1Geosystems3/15/2

13、02220相關(guān)法標(biāo)尺及相關(guān)原理（5）移動(dòng)一個(gè)基本碼寬來進(jìn)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(jìn)行精相關(guān)，就可以得到精度足夠的讀數(shù)。 Geosystems3/15/202221相關(guān)法調(diào)焦移動(dòng)傳感器可以想象從原始參考信號(hào)一步一步縮放比較的相關(guān)的計(jì)算量會(huì)很大， 使讀數(shù)時(shí)間過長(zhǎng)。為了縮短讀數(shù)時(shí)間，徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀內(nèi)部設(shè)計(jì)有調(diào)焦移動(dòng)量傳感器采集調(diào)焦鏡的移動(dòng)量，由此可以反算出概略視距，初步可以確定物像比例。 對(duì)儀器內(nèi)部的參考信號(hào)的“寬窄”進(jìn)行縮放，使其接近探測(cè)器采集到的測(cè)量信號(hào)的“寬窄”，然后再進(jìn)行二維相關(guān)。這樣可以減少的相關(guān)計(jì)算量使讀數(shù)時(shí)間縮短到

14、秒以內(nèi)。 Geosystems3/15/202222相關(guān)法電子原理調(diào)焦編碼器補(bǔ)償器監(jiān)視CCD讀出電子部件A DACCU500mAh模塊信號(hào)處理芯片8Bit CPUGate array門陣列鍵盤顯示屏GSI接口機(jī)外電源機(jī)外接口鍵盤和測(cè)量按鈕調(diào)焦透鏡位置條碼影像視頻信號(hào)CCD（Charge Coupled Device）是由按照一定規(guī)律排列的（金屬一氧化物一半導(dǎo)體）電容器陣列組成的移位寄存器，線陣長(zhǎng)約6.5 mm，由中心距為 m的 個(gè)光敏二極管組成其光敏窗口寬度為。一個(gè)光敏窗口也稱一個(gè)象素（或象元）。Geosystems3/15/202223相關(guān)法偽隨機(jī)碼簡(jiǎn)介Ntt PiQiR1 偽隨機(jī)碼屬于二進(jìn)

15、制碼，它的結(jié)構(gòu)可以預(yù)先確定，并且可以重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，另一方面它還具有隨機(jī)特性，即統(tǒng)計(jì)特性。GPS中的載波就是用這種偽隨機(jī)碼調(diào)制的。該碼由線性移位寄存器產(chǎn)生。這種碼用在數(shù)字水準(zhǔn)儀中具有可以在1.8100m距離內(nèi)使用相關(guān)法的特點(diǎn)。 標(biāo)尺上的白碼條或黃碼條在CCD器件上產(chǎn)生光電流，在電路上為高電平，我們用二進(jìn)制的“1”表示，相反黑碼條用“0”表示。從條碼標(biāo)尺上測(cè)量得到的徠卡儀器的參考碼序列為：P=1101000110111110111110001110111010000001001001101Geosystems3/15/202224相關(guān)法相關(guān)函數(shù)假定望遠(yuǎn)鏡從條碼標(biāo)尺上截取的條碼片段經(jīng)電子部件處理后

16、得到的測(cè)量碼序列為：Q=100011011111011111000 則相關(guān)函數(shù)表示為：式中：N為測(cè)量碼序列中碼元的個(gè)數(shù)； i =1,2,N為測(cè)量碼序列中碼元的序號(hào); 表示模二和運(yùn)算。 t=0,1,.2,M-N-1，是移位相關(guān)的次數(shù)，而步距為一個(gè)碼元 M 為參考碼元的個(gè)數(shù)； 表示兩序列中相同元素的個(gè)數(shù)和減去不同元素的個(gè)數(shù)和。相關(guān)系數(shù)表示為： NttPiQiN11+ niPQhydPiyQiNhd0,*1,Geosystems3/15/202225相關(guān)法相關(guān)示例 模二和的運(yùn)算規(guī)則如下： 00=1 01=0 10=0 11=1設(shè)t=0, P =110100011011111011111Q =1000

17、11011111011111000相關(guān)函數(shù)序列 R =101000111011011011000由此得相關(guān)函數(shù) R0=11101 相關(guān)系數(shù) 0=1/21=0.05 P=1101000110111110111110001110111Q= 100011011111011111000R= 110100010111010111001Geosystems3/15/202226相關(guān)法相關(guān)示例設(shè)t=1, ：P=101000110111110111110 Q = 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 R=110100010111010111001 此相關(guān)函數(shù) R1

18、=1293 相關(guān)系數(shù) 13210.14同理有t=2時(shí) R2=1385 2=5/21=0.24 Geosystems3/15/202227相關(guān)法相關(guān)示例 t=3時(shí) R3=21-0=21 3=1 t=4時(shí) R4=11101 4=0.05 t=5時(shí) R5=10111 5=0.05 t=6時(shí) R6=9123 6=0.14 條碼片段的下邊界到標(biāo)尺低端 ： h=bt=2.0253=6.75(mm) Geosystems3/15/202228相關(guān)法二維相關(guān) 徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀的數(shù)值處理以相關(guān)原理為基礎(chǔ)。這就是將儀器“巳知的”代碼，即式（12）所示的二進(jìn)制碼同行陣傳感器上標(biāo)尺條碼成像經(jīng)處理構(gòu)成的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較。

19、數(shù)字水準(zhǔn)儀運(yùn)用相關(guān)方法時(shí)需要優(yōu)化的兩個(gè)參數(shù)，也就是“視線高”和“物象比”。儀器的視線高表現(xiàn)為標(biāo)尺條碼像在線性傳感器CCD上的上下的位移，另一方面標(biāo)尺上的條碼與其成象的物象比取決于儀器到標(biāo)尺的距離，或說物象比是視距的函數(shù)。因此在徠 卡 數(shù) 字 水 準(zhǔn) 儀 中 ， 二 維 離 散 相 關(guān) 系 數(shù) 為 ： 式中：PQ 為和之間的相關(guān)系數(shù); （y）為測(cè)量信號(hào); （，h）為參考信號(hào); d 為視距； h 為視線高。 Geosystems3/15/2022292、幾何法光路示意圖蔡司采用幾何法原理讀數(shù)。 Geosystems3/15/2022302、幾何法條碼標(biāo)尺系列的標(biāo)尺每劃分為一個(gè)測(cè)量間距，其中的碼條構(gòu)

20、成一個(gè)碼詞，每個(gè)測(cè)量間距的邊界由黑白過渡線構(gòu)成，其下邊界到標(biāo)尺底部的高度，可由該測(cè)量間距中的碼詞判讀出來，就象區(qū)格式標(biāo)尺上的注記一樣I系列測(cè)量時(shí)，只利用中絲的上下兩邊各cm的標(biāo)尺截距，也就是個(gè)測(cè)量間距來計(jì)算視距和視線高。 Geosystems3/15/2022312、幾何法測(cè)量原理圖中Gi為某測(cè)量間距的下邊界，Gi+1為上邊界，它們?cè)贑D行陣上的成像為Bi及Bi+1。它們到光軸（中絲）的距離分別用用i及i+1表示。上象素的寬度是己知的，這兩距離在C上所占象素的個(gè)數(shù)可以由輸出的信號(hào)得知，因此可以算出i和i+1，也就是說i和i+1是計(jì)算視距和視線高的己知數(shù)。i和i+1在光軸之上方為負(fù)值，在光軸之下

21、方取正值。如果在標(biāo)尺上看，則是在光軸之上為正, 反之為負(fù)。 Geosystems3/15/202232幾何法測(cè)量原理為測(cè)量間距長(zhǎng)（cm），用第個(gè)測(cè)量間距來測(cè)量時(shí)，則物象比 i=g /（bi+1bi） 視線高讀數(shù)為： Hi=g(Ci+l/2)-A(bi+1+bi)/2 i 是第個(gè)測(cè)量間距從標(biāo)尺底部數(shù)起的序號(hào)，可由所屬碼詞判讀出來 Geosystems3/15/202233幾何法測(cè)量原理為了提高測(cè)量精度，系列取個(gè)測(cè)量間距平均來計(jì)算，也就是取標(biāo)尺上中絲上下各的范圍，即個(gè)測(cè)量間距取平均來計(jì)算。 Geosystems3/15/2022343、相位法光路示意圖拓普康數(shù)字水準(zhǔn)儀1采用相位法。望遠(yuǎn)鏡光路見圖1

22、11。標(biāo)尺的條碼像經(jīng)望遠(yuǎn)鏡、物鏡、調(diào)焦鏡、補(bǔ)償器的光學(xué)零件和分光鏡后，分成兩路。一路成像在線陣上，用于進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；另一路成像在分劃板上，供目視觀測(cè)。 Geosystems3/15/202235相位法標(biāo)尺編碼有三種不同的碼條，表示參考碼，其中有三條mm寬的黑色碼條，每?jī)蓷l黑色碼條之間是一條1mm寬的黃色碼條，以中間的黑碼條的中心線為準(zhǔn)，每隔mm就有一組碼條重復(fù)出現(xiàn)。在每組碼條左邊mm處有一道黑色的碼條。在每組一參考碼的右邊1mm為一道黑色的碼條。每組碼條兩邊的和碼條的寬窄不相同。實(shí)際上 和 碼條的寬度是在1到 mm之間變化，這兩種碼包含了水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)的高度信息。其中碼條的周期為600mm，碼條的周期為570 mm Geosystems3/15/202236相位法標(biāo)尺編碼在標(biāo)尺長(zhǎng)度方向上就形成了亮暗強(qiáng)度按正弦規(guī)律周期變化的亮度波。在圖中條碼的上面畫出了波形?？v坐標(biāo)表示黑條碼的寬度，橫坐標(biāo)是標(biāo)尺的長(zhǎng)度。實(shí)線為碼的亮度波，虛線為碼的亮度波。由于和兩條碼變化的周期不同，也可以說和亮度波的