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1、测量工程与装备系:范 百 兴,2023年7月20日,电子水准仪,5.4 电子水准仪,1987年，徕卡推出了世界上第一台数字水准仪NA2000，开始了水准测量的自动化,主要数字水准仪及其原理如下:1、相关法（威特NA2000，Leica NA03/10）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）国产数字水准仪可能会在今后两年内诞生.,一、数字水准仪产品,Sokkia SDL30,Trimble DiNi12/DiNi22,Topcon DL-103,5.4 电子水准仪,主要特点:0.3mm/0.7mm/km PCMCIA 数据存贮
2、(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 0.3 mm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,5.4 电子水准仪,主要特点:0.6mm/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 测量时间短 1.0 mm精度120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
3、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,5.4 电子水准仪,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,5.4 电子水准仪,5.4 电子水准仪,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,RS23
4、2接口,PCMCIA 卡,优秀的光学系统,可定制的显示屏,5.4 电子水准仪,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,5.4 电子水准仪,DNA系列数字水准仪原理,5.4 电子水准仪,一、相关法数字水准仪,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，称为基本码宽。在标尺上共有2000个基本码，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。,5.4 电子水准仪,测量信号
5、与参考信号进行比较的过程为相关过程.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，也就是最佳相关位置时，读数就可以确定。通过移动一个基本码宽来得到粗读数。然后再上下选取一定范围，减少步距，进行精相关，就可以得到足够精度的读数。,5.4 电子水准仪,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。“宽窄”相同的两信号相比较是求视线高 的过程，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。,5.4 电子水准仪,相关法标尺及相关原理（4）,
6、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。,5.4 电子水准仪,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
7、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。这样可以减少的相关计算量使读数时间缩短到秒以内。,调焦移动传感器,5.4 电子水准仪,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。这种码用在数字水准仪中具有可以在1.8100m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：,5
8、.4 电子水准仪,蔡司Dini 10/20,5.4 电子水准仪,二、几何法数字水准仪,2、几何法条码标尺,系列的标尺每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I系列测量时，只利用中丝的上下两边各cm的标尺截距，也就是个测量间距来计算视距和视线高。,5.4 电子水准仪,2、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CD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i及i+1表示。上象素的宽度是己知的，这两距离在C上所占象素的个数可
9、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是计算视距和视线高的己知数。i和i+1在光轴之上方为负值，在光轴之下方取正值。如果在标尺上看，则是在光轴之上为正,反之为负。,5.4 电子水准仪,几何法测量原理,为测量间距长（cm），用第个测量间距来测量时，则物象比 i=g/（bi+1bi）视线高读数为：Hi=g(Ci+l/2)-A(bi+1+bi)/2 i 是第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,5.4 电子水准仪,几何法测量原理,为了提高测量精度，系列取个测量间距平均来计算，也就是取标尺上中丝上下各的范围，即个测量间距取平均来计算。,5.4 电子水准仪,3、相
10、位法光路示意图,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，用于进行光电转换；另一路成像在分划板上，供目视观测。,5.4 电子水准仪,三、拓普康数字水准仪的相位法,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就有一组码条重复出现。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相同。实际上 和 码条的宽度是在1到 mm之间变化，这两种码包含了水准测量时的高度信息。其中码条的周期
11、为600mm，码条的周期为570 mm,5.4 电子水准仪,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L-101C中，码的周期为，码的周期
12、为，它们的最小公倍数为，因此在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，和码的相位在此错开了。,5.4 电子水准仪,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。在系列中采用快速傅里叶变换（）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。虽然在同一视距上和的波长比例相同，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。,5.4 电子水准仪,相位法信号分析,码是为了提高读数精度和求视距而安排的。设两组码之间的间距为（P30 mm）,它在行阵上成像所占象素的个数为，象素宽为b（25m）,则P在CCD行阵上的成像长度为：I=zb Z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/If 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,5.4 电子水准仪,相位法信号分析,5.4 电子水准仪,电子水准仪的检校：,相关检校项目按照光学水准仪的规定进行检校,谢谢！,祝大家身体健康，学业有成！,
