电子水准仪原理.doc

1、电 子 水 准 仪 原 理培训讲课人：罗迪辉候 讲课时间：4 小时1.1 概 述 1963 年 Fennel 厂 研 制 出 了 编 码 经 纬 仪 ， 加 上 四 十 年 代 已 经 出 现 的 电 磁 波 测 距 技 术 ， 随 着 光 电 技 术 、计 算 机 技 术 和 精 密 机 械 的 发 展 ， 到 八 十 年 代 已 开 始 普 遍 使 用 电 子 测 角 和 电 子 测 距 技 术 ， 然 而 到 八 十 年 代 末水 准 测 量 还 在 使 用 传 统 仪 器 。 这 是 由 于 水 准 仪 和 水 准 标 尺 不 仅 在 空 间 上 是 分 离 的 ， 而 且 两 者 的

2、 距 离 可 以 以1 米 多 变 化 到 100 米 ， 因 此 在 技 术 上 引 起 数 字 化 读 数 的 困 难 。 为 现 实 水 准 仪 读 数 的 数 字 化 ， 人 们 进 行 了 近 30 年 尝 试 ， 如 蔡 司 厂 的 RENI 002A 已 使 测 微 器 读数 能 自 动 完 成 ， 但 粗 度 数 还 需 人 工 读 出 并 按 键 输 入 ， 与 精 读 数 一 起 存 入 存 储 器 ， 因 此 还 算 不 上 真 正 的 电 子水 准 仪 ， 又 如 利 用 激 光 扫 平 仪 和 带 探 测 的 水 准 标 尺 ， 可 以 使 读 数 由 标 尺 自 动

3、 记 录 ， 由 于 这 种 试 验 结果 还 不 能 达 到 精 密 几 何 水 准 测 量 的 要 求 ， 因 此 也 没 有 解 决 水 准 测 量 读 数 自 动 化 的 难 题 。 1990 年 威 特 厂 首 先 研 制 出 数 字 水 准 仪 NA2000。 可 以 说 ， 从 1990 年 起 ， 大 地 测 量 仪 器 已 经 完 成了 从 精 密 光 机 仪 器 向 光 机 电 测 一 体 化 的 高 技 术 产 品 的 过 渡 ， 攻 克 了 大 地 测 量 仪 器 中 水 准 仪 数 字 化 读 数 的 这一 最 后 难 关 。 到 1994 年 蔡 司 厂 研 制 出

4、 了 电 子 水 准 仪 DiNi10/20， 同 年 拓 普 康 厂 也 研 制 出 了 电 子 水 准 仪DL101/102。 这 意 味 着 电 子 水 准 仪 也 将 普 及 ， 并 开 始 了 激 烈 的 市 场 竞 争 。 同 时 也 说 明 ， 目 前 还 是 几 何 水 准测 量 的 精 度 高 ， 没 有 其 它 方 法 可 以 取 代 。 GPS 技 术 只 能 确 定 大 地 高 ， 大 地 高 换 算 成 工 程 上 感 兴 趣 的 正 ，还 需 要 知 道 高 程 异 常 ， 确 定 高 程 异 常 还 少 不 了 精 密 水 准 测 量 。 这 也 是 各 厂 家

5、努 力 开 发 电 子 水 准 仪 的 原 因 之一 。 最 后 还 说 明 了 拓 普 康 公 司 具 有 较 高 的 技 术 能 力 ， 能 在 世 界 上 第 二 批 研 制 出 电 子 水 准 仪 。 电 子 水 准 仪 具 有 测 量 速 度 快 、 读 数 客 观 、 能 减 轻 作 业 劳 动 强 度 、 精 度 高 、 测 量 数 据 便 于 输 入 计 算 机 和容 易 实 现 水 准 测 量 内 外 业 一 体 化 的 特 点 ， 因 此 它 投 放 市 场 后 很 快 受 到 用 户 青 睐 。 国 外 的 低 精 度 高 程 测 量 盛行 使 用 各 种 类 型 的 激

6、 光 定 线 仪 和 激 光 扫 平 仪 。 因 此 电 子 水 准 仪 定 位 在 中 精 度 和 高 精 度 水 准 测 量 范 围 ，分 为 两 个 精 度 等 级 ， 中 等 精 度 的 标 准 差 为 ： 1.0-1.5mm/Km,高 精 度 的 为 ： 0.3-0.4mm/Km。 1.2 电 子 水 准 仪 的 基 本 原 理 电 子 水 准 仪 又 称 数 字 水 准 仪 ， 它 是 在 自 动 安 平 水 准 仪 的 基 础 上 发 展 起 来 的 。 它 采 用 条 码 标 尺 ， 各 厂 家标 尺 编 码 的 条 码 图 案 不 相 同 ， 不 能 互 换 使 用 。 目

7、前 照 准 标 尺 和 调 焦 仍 需 目 视 进 行 。 人 工 完 成 照 准 和 调 焦 之后 ， 标 尺 条 码 一 方 面 被 成 象 在 望 远 镜 分 化 板 上 ， 供 目 视 观 测 ， 另 一 方 面 通 过 望 远 镜 的 分 光 镜 ， 标 尺 条 码 又被 成 象 在 光 电 传 感 器 （ 又 称 探 测 器 ） 上 ， 即 线 阵 CCD 器 件 上 ， 供 电 子 读 数 。 因 此 ， 如 果 使 用 传 统 水准 标 尺 ， 电 子 水 准 仪 又 可 以 象 普 通 自 动 安 平 水 准 仪 一 样 使 用 。 不 过 这 时 的 测 量 精 度 低 于

8、 电 子 测 量 的 精 度 。特 别 是 精 密 电 子 水 准 仪 ， 由 于 没 有 光 学 测 微 器 ， 当 成 普 通 自 动 安 平 水 准 仪 使 用 时 ， 其 精 度 更 低 。 当 前 电 子 水 准 仪 采 用 了 原 理 上 相 差 较 大 的 三 种 自 动 电 子 读 数 方 法 ： 1） 相 关 法 （ 徕 卡 NA3002/3003） 2) 几 何 法 （ 蔡 司 DiNi10/20） 3) 相 位 法 （ 拓 普 康 DL101C/102C） 1.3 相 位 法 原 理 拓 普 康 电 子 水 准 仪 DL101C/102C 采 用 相 位 法 。 标 尺

9、的 条 码 象 经 望 远 镜 、 调 焦 镜 、 补 偿 器 的 光 学 零件 和 分 光 镜 后 ， 分 成 两 路 ， 一 路 成 象 在 CCD 线 阵 上 ， 用 于 进 行 光 电 转 换 ， 另 一 路 成 象 在 分 划 板 上 ， 供目 视 观 测 。 DL101 标 尺 上 部 份 条 码 的 图 案 ， 其 中 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

10、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 组参 考 码 R 的 右 边 10mm 处 为 一 道 黑 色 的 A 码 条 。 读 者 不 难 发 现 ， 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 0 到 10mm 之 间 变 化 ， 这 两 种 码 包 含 了 水 准 测 量 时 的 高度 信 息 。 仪 器 设 计 时 有 意 安 排 了 它 们 的 宽 度 按 正 弦 规 律 变 化 。 其 中

11、 A 码 条 的 周 期 为 600mm， B 码条 的 周 期 为 570mm。 当 然 ， R 码 条 组 两 边 的 黄 码 条 宽 度 也 是 按 正 弦 规 律 变 化 的 ， 这 样 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 。 条 码 的 下 面 画 出 了 波 形 。 纵 坐 标 表 示 黑 条 码 的 宽 度 ， 横坐 标 市 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

12、 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 ， 它 可 由 标 出 标 尺 的 长 度 。 只 要 3 能 测 出 标 尺 底 部 某 处 的相 位 差 ， 也 就 可 由 知 道 该 处 到 标 尺 底 部 的 高 度 ， 因 为 相 位 差 可 以 作 到 和 标 尺 长 度 一 一 对 应 ， 即 具 有 单 值 性 。这 就 是 适 当 选 则 两 亮 度 波 的 波 长 ， 在 DL101 中 A 码 的

13、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 底 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 过 了 /2。 DL 102C 的 标 尺 与 DL 101C 的 略 有 区 别 ， DL 102C 的 标 尺 为 白 底 黑 条 码 ， A 码 的 波 长 为330mm， 最 小 公 倍 数 为 3300mm。 A 和 B 码 在 波 长 底

14、部 错 开 的 相 位 差 为 。 DL101 C 的 标 尺 与DL 102C 的 标 尺 可 由 互 换 使 用 。 当 望 远 镜 照 准 标 尺 后 ， 标 尺 上 某 一 段 的 条 码 就 成 象 在 线 阵 CCD 上 ， 黄 条 码 使 CCD 产 生 光 电 流 ，随 条 码 宽 窄 的 改 变 ， 光 电 流 强 度 也 变 化 。 将 它 进 行 模 数 转 换 (A/D)后 ， 得 到 不 同 的 灰 度 值 。 视 距 在 0.6m 时 标 尺 上 某 小 段 成 象 到 CCDA 上 经 A/D 转 换 后 ， 得 到 的 不 同 灰 度 值 (纵 坐 标 )， 横

15、 坐 标 是CCD 上 象 素 的 序 号 ， 当 灰 度 值 逐 一 输 出 时 ， 横 轴 就 代 表 时 间 了 。 横 坐 标 标 记 的 数 字 判 断 ， 仪 器 采 用 了 512个 象 素 的 线 阵 CCD。 视 距 和 视 线 高 的 信 息 的 测 量 信 号 。 如 何 从 上 述 测 量 信 号 中 求 出 A 和 B 两 亮 度 波 的 相 位 差 呢 ？ 下 文 用 测 量 人 员 容 易 理 解 的 方 式 来 说 明 。设 想 纵 坐 标 的 灰 度 值 就 是 表 示 亮 度 大 小 的 十 进 位 数 字 ， 而 且 横 坐 标 尺 寸 已 放 大 到 和

16、 标 尺 尺 寸 一 致 。 我 们 用一 波 长 为 600mm 的 正 弦 曲 线 中 的 离 散 灰 度 值 曲 线 拟 合 ， 就 可 由 得 到 A 波 的 最 大 振 幅 和 初 相 位 。 再 用波 长 为 570mm 的 正 弦 曲 线 ， 就 可 由 得 到 B 波 的 最 大 振 幅 和 初 相 位 。 我 们 对 最 大 振 幅 不 太 感 兴 趣 ， 因 为随 着 标 尺 上 的 照 度 不 同 ， 最 大 振 幅 在 不 同 次 数 的 测 量 中 也 不 同 ， 对 我 们 求 视 线 高 无 关 紧 要 。 我 们 求 出 的 A和 B 两 亮 度 波 的 初 相

17、 位 之 差 就 是 高 度 数 据 。 不 过 这 是 与 CCD 上 第 一 个 象 素 对 应 的 位 置 到 标 尺 底 端 面的 高 度 。 我 们 不 难 把 它 换 算 成 CCD 中 点 象 素 上 的 相 位 差 ， 这 就 好 象 是 中 丝 读 数 。 象 上 述 那 样 人 工 处 理 测 量 信 号 是 很 麻 烦 的 ， 而 且 很 费 时 间 。 在 DL 系 列 中 则 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

18、 位 差 ，即 得 到 视 线 高 读 数 。 这 只 是 初 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 相 同 ， 可 由 求 出 相 位 差 ， 或 说 视 线 高 ， 但 是 可 以 想 象 其 精 度 并 不 高 。 R 码 是 为 了 提 高 读 数 精 度 和 求 视 距 二 安 排 的 。 设 两 组 R 码 的 间 距 为 P(=30mm)， 它 在 CCD 行 阵上 成 象 所 占 的 象 素 个 数 为 Z,象 素 宽 为 D(=25 m)，

19、则 P 在 CCD 行 阵 上 的 成 象 长 度 为 : L=Z*b (1 5) Z 可 由 一 信 号 分 析 中 得 出 ， b 是 CCD 光 敏 窗 口 的 宽 度 ， 因 此 l 和 P 都 为 已 知 数 据 。 根 据 几 何 光学 成 象 原 理 ， 可 以 象 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/l*f (1 6) 式 中 f 是 望 远 镜 物 镜 的 焦 距 。 同 时 还 可 以 求 出 物 象 比 A=P/l (1 7) 于 是 将 测 量 信 号 放 大 到 与 标 尺 上 的 一 样 时

20、 ， 再 进 行 相 位 测 量 ， 就 可 以 精 确 得 出 相 位 差 ， 即 视 线 高 。 电 子 水 准 仪 的 三 种 测 量 原 理 各 有 奥 妙 ， 三 类 仪 器 都 经 受 了 各 种 检 验 和 实 际 测 量 的 考 验 ， 能 胜 任 精 密 水准 测 量 作 业 。 拓 普 康 公 司 在 原 理 上 能 独 树 一 帜 ， 说 明 该 公 司 具 有 雄 厚 的 技 术 实 力 ， 市 的 值 得 信 赖 的 公 司 。 1.4 电 子 水 准 仪 的 特 点 1.4.1 电 子 水 准 仪 的 共 同 特 点 电 子 水 准 仪 是 以 自 动 安 平 水

21、准 仪 为 基 础 ， 在 望 远 镜 光 路 中 增 加 了 分 光 镜 和 探 测 器 (CCD),并 采 用条 码 标 尺 和 图 象 处 理 电 子 系 统 二 构 成 的 光 机 电 测 一 体 化 的 高 科 技 产 品 。 采 用 普 通 标 尺 时 ， 又 可 象 一 般 自 动安 平 水 准 仪 一 样 使 用 。 它 与 传 统 仪 器 相 比 有 以 下 共 同 特 点 ： 1) 读 数 客 观 。 不 存 在 误 差 、 误 记 问 题 ， 没 有 人 为 读 数 误 差 。 2) 精 度 高 。 视 线 高 和 视 距 读 数 都 是 采 用 大 量 条 码 分 划

22、图 象 经 处 理 后 取 平 均 得 出 来 的 ， 因 此 削 弱 了标 尺 分 划 误 差 的 影 响 。 多 数 仪 器 都 有 进 行 多 次 读 数 取 平 均 的 功 能 ， 可 以 削 弱 外 界 条 件 影 响 。 不 熟 练 的 作 业人 员 业 也 能 进 行 高 精 度 测 量 。 3) 速 度 快 。 由 于 省 去 了 报 数 、 听 记 、 现 场 计 算 的 时 间 以 及 人 为 出 错 的 重 测 数 量 ， 测 量 时 间 与 传 统 仪器 相 比 可 以 节 省 1/3 左 右 。 4) 效 率 高 。 只 需 调 焦 和 按 键 就 可 以 自 动 读

23、 数 ， 减 轻 了 劳 动 强 度 。 视 距 还 能 自 动 记 录 ， 检 核 ， 处 理 并能 输 入 电 子 计 算 机 进 行 后 处 理 ， 可 实 线 内 外 业 一 体 化 。 1.4.2 拓 普 康 DL(C)系 列 的 具 体 特 点 拓 普 康 DL 系 列 作 为 电 子 水 准 仪 家 族 中 的 一 员 。 以 高 性 能 、 低 价 格 深 受 广 大 用 户 的 欢 迎 。 DL系 列 造 型 美 观 、 内 置 功 能 强 、 菜 单 功 能 丰 富 、 操 作 界 面 友 好 ， 有 各 种 信 息 提 示 ， 大 大 方 便 了 实 际 操 作 。 主

24、要 特 点 为 ： ） 在 字 母 状 态 下 ， 可 输 入 数 字 、 大 小 写 字 母 及 常 用 标 点 符 号 如 (！ “ ()*_+等 )。 ） 即 可 以 进 行 自 动 测 量 (用 条 码 标 尺 ， 目 前 可 使 用 三 种 标 尺 ： 铝 合 金 标 尺 SA 5M、 玻 璃 纤维 尺 SG 3M 和 铟 钢 尺 SI 3/T 或 SI 3)， 又 可 以 进 行 人 工 读 数 (普 通 标 尺 )。 ） 有 多 次 测 量 、 自 动 求 平 均 值 ， 统 计 测 量 误 差 功 能 。 ） 有 三 种 线 路 水 准 测 量 模 式 ： 后 前 前 后 、

25、后 后 前 前 、 后 前 。 给 定 测 量 限 差 值 ， 仪 器 可 自 动 判 断 测量 现 差 ， 超 限 时 提 示 重 测 ， 能 自 动 计 算 线 路 闭 合 差 等 。 ） DL 系 列 有 三 种 记 录 模 式 ： 即 RAM 方 式 ， 直 接 存 在 仪 器 内 部 RAM 中 (128K)， 可 存 大 约2400 组 数 据 ： RS 232C 方 式 ， 可 通 过 电 缆 将 测 量 数 据 存 到 外 接 计 算 机 或 用 户 开 发 的 电 子 手 簿 ， 进 行 联机 实 时 测 量 ： OFF 方 式 ， 测 量 结 果 只 显 示 在 仪 器 屏

26、 幕 上 ， 不 进 行 存 储 。 DL 系 列 主 机 内 存 可 存 储 约1100 个 点 的 数 据 ， 并 在 前 一 型 号 DL 系 列 基 础 上 增 加 了 PCMCIA 卡 存 储 功 能 。 目 前 ， PCMCIA 卡的 容 量 主 要 有 256K、 512K、 1M。 ） 虽 然 仪 器 的 显 示 屏 较 小 ， 但 保 存 在 仪 器 内 部 的 测 量 结 果 可 在 仪 器 上 用 SRCH 键 进 行 查 阅 。 ） 具 有 高 程 放 样 和 测 量 水 准 支 点 的 功 能 。 ） 当 测 量 键 不 起 作 用 时 (如 光 线 太 暗 、 遮

27、挡 太 多 时 )， 可 输 入 人 工 测 量 的 高 程 和 平 距 读 数 ， 以 使线 路 水 准 测 量 程 序 能 继 续 进 行 。 ） 有 倒 置 标 尺 功 能 ， 适 合 于 天 花 板 、 地 下 水 准 测 量 。 ） DL(C)系 列 具 有 独 立 的 测 距 功 能 可 方 便 地 用 于 前 、 后 视 距 离 测 量 ， 精 度 为 1Cm 至 5Cm ） 可 用 来 概 略 测 定 水 平 角 ， 精 度 到 1 度 或 1gon。 ） 标 尺 为 等 间 距 分 划 ， 可 以 象 检 验 普 通 水 准 标 尺 一 样 ， 检 验 它 的 分 划 误 差 。 ） 仪 器 有 i 角 检 验 程 序 ， 在 野 外 可 方 便 地 进 行 i 角 检 验1999 年 11 月