（物理电子学专业论文）数字水准仪关键技术研究.pdf

摘要 摘要 数字水准仪可以实现水准测量数据采集、数据处理及数据记录的全程自动化， 目前世界上极少数公司垄断了数字水准仪的生产。在国内所有测绘仪器中，只有 数字水准仪未实现国产化，国内对数字水准仪的详细原理及具体实现的研究也几 乎是一片空白。因此，进行数字水准仪相关技术的研究具有现实意义。 本文研究了数字水准仪中的关键技术。文中首先介绍了现有几种数字水准仪 标尺的编码及读数原理，对比分析了其优缺点：接着提出了一种改进的数字水准 仪标尺编码设计方案，该方案针对不同视距分别采用了粗码区和细码区进行编码 并设置了数字分划区，以便特殊情况下进行光学水准测量；其次，使用面阵c c d 获得条码二二维图像利用质心检测算法精确定位条码位置，使用几何位置法进行 条码解码，并配合编解码方案，采用v i s u a l c + + 6 0 进行编程，设计了数字水准仪 标尺条码处理及识别软件，该软件首先对采集到的条码图像进行滤波、二值化、 平滑等必要的预处理，然后计算所测目标的物象比和视高；最后通过实验得到了 测量数据，并对数据进行了分析。实验数据表明，本文所提出的方法在原理上是 j 下确的，在技术上是可行的，本文的研究成果为数字水准仪的研制奠定了一个良 好的理论基础。 一 关键词： 数字水准仪 标尺 视高计算图像处理 a b s t r a c t a b s t r a c t d i g i t a ll e v e l i n gc a l lr e a l i z ea u t o m a t i o no i ld a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga n d d a t ar e c o r d i n gi nl e v e l i n gs u r v e y o n l yaf e wc o m p a n i e sc a i lp r o d u c ed i g i t a ll e v e l i n g i n s t r u m e n t ，o fa l lt h es u r v e yi n s t r u m e n t s , o n l yt h ed i g i t a ll e v e l i n gh a sn o tb e e n h o m e p r o d u c e d i ti sb l a n kf o rw o r ko ft h ed e t a i lp r i n c i p l ea n dc o n c r e t er e a l i z a t i o no f d i g i t a ll e v e l i n gi n s t r u m e n ti nc i v i lr e s e a r c h e s t h i sp a p e rf o c u s e d0 1 3t h ek e yt e c h n o l o g i e so fd i g i t a ll e v e l f i r s t ，i tb r i e f l y i n t r o d u c e dt h ec o d i n ga n dr e a d i n gp r i n c i p l e so fs e v e r a le x i a i n gd i g i t a ll e v e l i n gs t a f f , a n dp o i n t e do u tt h e i rc o m m o ns h o r t c o m i n g s t h e n ，a ni m p r o v e dc o d i n gs c h e m eo n d i g i t a ll e v e l s t a f fw a sp r o p o s e d t h i sc o d i n gr u l eu s e dw i d eb a r c o d e sa n dn a r r o w b a r c o d e sf o rd i f f e r e n tv i s u a ld i s t a n c er e s p e c t i v e l y , w h i c ha l s ou s e dd i g i ts c a l ei om a k e o p t i c a ll e v e l i n gs u r v e y n e x t ，w eg e tt h et w o - d i m e n s i o nb a r c o d ei m a g eb ya r e a - a r r a y c c d 1 0 c a t e dt h eb a r c o d e sb ym a s s - c e n t e rd e t e c t i o n , a n dd e c o d e dt h eb a r c o d e su s i n g g e o m e t r i cc o n s t r u c t i o n b a s e do na b o v e ，ad i g i t a ll e v e ls t a f fb a r c o d ep r o c e s s i n ga n d r e c o g n i z i n gs o r w a r ew a sd e s i g n e di nt h ev i s u a lc + + 6 0 t h es o f t w a r ef i r s to fa l l p r e - p r o c e s s e dt h e b a r c o d e i m a g e i nt h ev i s u a l f i e l d ，i n c l u d i n gw a v e f i l t e r i n g ， b i n a r y - t r a n s f o r m a t i o n , i m n g cs m o o t h i n ge r e ，a n dt h e nc a l c u l a t e dt h er a t i oo f m a t t e rt o p i c t u r ea n ds i g h th e i g h to ft h et a r g e t l a s t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss c h e m ew a s e v a l u a t e db ya n a l y z i n gt h ed a t af r o me x p e r i m e n t s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h i ss c h e m e i st h e o r e t i c a l l yc o r r e c ta n dp r a c t i c a l l yf e a s i b l e t h er e s e a r c hl a y sas o l i dt h e o r e t i c a l f r a m e w o r kf o r t h ep r o d u c t i o no f d i g i t a ll e v e l 。 k e y w o r d s ：d i g i t a ll e v e l i n g s t a f f s i g h th e i g h tc a l c u l a t i o n i m a g ep r o c e s s 创新性声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的 任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 牲 日期：丝堑： ：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部和部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名： f 1 期：丝堕：! ：竺 同期： 抛t f jk 盏碑j 始冲 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 随着人类科学技术日新月异的发展，测量精度r 益提高，测量手段也越加先 进。测量作为一门古老的综合学科，更加焕发出新的活力。对测量中如位移、形 变、长度、距离、尺寸( 长、宽、高) 、厚度、深度等几何量参数的测量最为古老也 最为基本，人们从未放弃对其测量精度的探索和追求。 早在几千年前，由于当时社会生产发展的需要，中国、埃及、希膳等占代国 家的人民就创造了测量工具，并运用其进行测量。在史汜中记载了四于年以 i j 大禹治水“左准绳，右规矩，载四时，以歼九州”，说明了公元前2 l 世纪我国就 已经丌始使用测量工具。元代郭守敬通过修渠治水，总结了水准测量的经验，创 造性地提出了海拔高程的概念。1 7 世纪工业革命发明了望远镜，使人类能够利用 光学仪器进行测量，减轻了劳动强度，提高了工作效率。2 0 世纪中叶，随着光学、 电子学、计算机等技术的迅猛发展，为测量科学开拓了广阔的道路，创造了发展 的条件，推动了测量技术和仪器的变革和进步。微处理机的出现、自动安平水准 仪的问世，标志着测量自动化的丌端。随着图像处理技术的进步，计算机处理能 力的增强，特别是光电探测器件c c d 的出现，大大促进了水准测量自动化、数字 化的研究。经过各国科研人员的不懈努力，1 9 9 0 年瑞士徕卡( l e i e a ) 公司推出了 世界上第一台数字水准仪n a 2 0 0 0 。数字水准仪的出现，是传统几何水准测量技术 的突破，代表了现代水准测量技术的发展方向。它创造性的采用c c d 取代观测员 的肉眼读取编码标尺，并用数字图像技术处理标尺影像，依据图像识别原理，将 水准编码标尺的图像信息与事先存储的参考信息进行比较进而获得测量高程信 息，从而实现了水准测量的数据采集、数据处理及数据记录的全程自动化。它具 有测量速度快、操作简便、读数客观、测量精度高、能极大减轻作业劳动强度、 测量数据便于输入计算机，便于实现水准测量内外业一体化等优点。 1 2课题研究背景 高程测定是测量领域中的一项基本任务，而水准测量是一种常规的高精度高 程测量方法，在地形测定、建筑施工、水利建设、大型精密仪器的安装等领域中 起着非常重要的作用。高程水准测量中的几何水准测量方法是最古老、耗费最大、 但又是最精密的测量方法，因而一直运用至今。尽管出现了三角高程测量、g p s 高程测量、流体静力水准测量等一些快速确定高程的手段和技术，但是它们的精 度较低，只能达到三、四等水准测量的精度，对于建立国家高精度的大地水准控 2数字水准仪关键技术研究 制网或需要高精度高程值的部门，如地壳形变监测、大型工程设备的安装等，仍 是采用几何水准测量的手段，目前还没有其它方法可以取代。虽然几何水准测量 精度高，但是若采用纯光学水准仪和传统的刻线标尺，需要人工目视读数，存在 测量速度慢、读数易受人为影响、作业劳动强度大、测量数据联机处理不便，难 以实现内外业一体化等问题。因而近几十年来人们一直致力于如何提高传统几何 水准测量的作业效率。 2 0 世纪四十年代随着电磁波测距技术的发展，距离测量完成了从钢尺人工测 量到自动化电f 测量的转变。2 0 世纪六十年代出现了电子测角技术，使角度测量 完成了从光学仪器到电子仪器的转变。然而到八十年代术水准测量还在使用传统 的光学水准仪。究其原因主要是由于在距离测量和角度测量中，待测量和测量仪 器在空间上可以认为是一体的，测量仪器的读出值就是待测量，其自动化过程就 是实现读数自动化，而水准仪和水准标尺不仅在空间上是分离的，而且两者的距 离可以从1 米多变化到1 0 0 米，因此在技术上引起实现数字化读数的困难。 随着现代光电f 技术、计算机技术的综合发展，新的高精度的精密i ：程测量 硬件设备和软件相继面世，并很快应用于精密工程测量的各个领域，使现代精密 工程测量的乒段和方法发! 了革命性的变化。1 9 9 0 年瑞士l e i c a 公司创造性的研 制出世界七第一台数字水准仪n a 2 0 0 0 之后，德国蔡斯( z e i s s ) 公司、同本拓普康 f t o p c o n ) 公司、f 1 本索佳公司等公司相继研制出各自数字水准仪系列。经过了十余 年的发展，数字水准仪已_ 丌= 发出第二代产品，精度也己达到一、二等水准测量的 要求。 数字水准仪巨大优越性，引起了国内测绘领域的高度重视，并在9 0 年代中后 期开始引进使用数字水准仪，使用范围和数量逐年提升，达到一个非常町观的程 度。但是，目前市场上各种档次的数字水准仪全部依靠进口，在国内所有测绘仪 器中，只有数字水准仪未实现国产化，这也从一个侧面反映出数字式水准仪的研 制难度。因此丌发数字水准仪是国内测绘企业的迫切要求，实现数字水准仪的国 产化可以全面提高众多测绘仪器生产企业的经济效益和技术水平，大大提升测绘 企业的技术水平，同时对工程建设质量也可以提供更好的基础技术保证。 1 3国内外研究历程及现状 为了实现水准仪器读数的数字化，人们进行了各种尝试【。最早进行数字水准 仪测量原理研究的是德国的z e t s e h e 教授，他在1 9 6 6 年已经论述了数字水准方法 的全部基本特征。z c t s c h c 的研制工作被看成是无激光束和“电子水准标尺”的“被 动”测量方法的开端。 实现水准测量自动化的另一种方法是“主动法”。二十世纪六十年代未静民主 第一章绪论 德国德累斯顿大学的大地测量学者曾研制过窄束水平无线电波加主动水准标尺的 测量系统，由于当时科学技术水平的限制而未获成功。七十年代至八十年代前西 德研制过自动化测量系统，是用扫平仪t e l a m a t 与主动水准标尺构成测量系统，前 者产生一束水平旋转激光作为测量基准面，后者是由大面积差分光敏二极管组成 的探测器，该探测器可沿标尺垂直移动，直至探测到由扫平仪张开的激光束平面 为止，然后由人工读定标尺读数。试验样机的测量精度达士1 4 m m k m 。上述系统 的致命弱点是标尺结构复杂而娇嫩，极易损坏，故未能实现商品化生产。 自动化水准测量方法经二十余年的发展，到1 9 8 7 年，德国蔡司公司向市场投 放了可用作自动化水准测量的水准仪r e n l 0 0 2 a ，该仪器已经用了线阵c c d 传感 器以取代光学测微器，可以使测微器读数自动完成，在人工读出租读数后按键输 入，与精读数一起存入存储器。由于这种水准仪还需要输入标尺的粗读数，没有 实现真正的自动化读数，所以它还不算真正意义上的数字水准仪。该仪器在很多 国家得到了应用，但是它的体积和重量仍然较大，测量效率也不高，这些都使得 它不能达到预期效果。 1 9 9 0 年3 月瑞士徕卡( l e i c a ) 公司推出了世界上第一台数字水准仪n a 2 0 0 0 ， n a 2 0 0 0 上首次采用数字图像技术处理标尺影像，并以线阵c c d 取代测量员的肉 眼获得成功这种传感器可以识别水准标尺上的条码分划，并用相关技术处理信 号模型，自动显示与记录标尺读数和视距，从而实现观测自动化。随后卡尔蔡司、 拓普康、索佳也先后推出了各自的数字水准仪。 各厂家推出的数字水准仪测量系统结构大体一致，基本测量原理也相似，但 是各厂家在测量算法上有较大的差别。当前数字水准仪测量系统主要有三种原理 上相差较大的测量算法，三种测量算法与其相应的编码标尺的编码法则相关联。 l 、l e i e a 数字水准仪 l e i c a 数字水准仪的标尺条码采用的是一种非周期性的伪随机二进制代码，在 进行测量时，条码影像相对于仪器内存参考条码会有一个相对位移，这个位移量就 体现仪器与标尺间高差h 。 l e i c a 数字水准仪采用相关法读数测量时，由望远镜截取的某段标尺条码被 c c d 传感器转换成测量信号后，与水准仪内存的参考信号做二维离散相关，相关 函数值最大的地方其坐标值即为所求的高度读数，根据所成像的放大倍率可以求 出视距及视高的大小。 2 、t o p c o n 数字水准 t o p c o n 水准仪编码及读数时采用的是相位法。a 、b 两种信息码的码元宽度按 正弦规律变化，因而在标尺长度增加方向就形成了按正弦规律变化的亮度波。当 水准仪照准标尺时，就会截取a 波和b 波的一段，其亮度变化通过线阵c c d 转换成 数字水准仪关键技术研究 相应电信号，再通过快速傅晕叶变换( f f d 就可以获得频率和相位差，进而可确 定视距和视高。 3 、z e i s s 数字水准仪 z e i s s 数字水准仪标尺采用的是双相位码。标尺上每2 0 m m 为一个测量单元| 日j 距，其中的条码组成一个码组。每个码组的边界处为黑白明暗过渡，其下边界到 标尺底部的高度，可以通过该码组的码词判读出来。这种双相位码在整个视场上 的分布是最佳的，以便水准仪在一个3 0 c m 的视场宽度内可以至少检测到1 5 个黑白 过渡值。 z e i s s 的水准仪采用几何位置法进行读数。它在1 5 1 0 0 m 范围内用一个仅为 3 0c m 的最小视场就足以确定高程和视距的大小。标尺上的码元只被用来作粗测 精测则是通过探测码元间边界的明暗过渡来进行的。 数字水准仪集光机电技术于一体，读数原理新颖，且相关核心技术受知识产 权的保护，所以数字水准仪国产化具有相当难度。国内测绘科学研究院h 、武汉大 学5 1 、西安工业学酣3 1 等单位也进行了数字水准仪的相关实验研究工作，但是相 关研究仍未取得突破。 1 4本论文的主要工作及内容 文中首先介绍了现有几种数字水准仪标尺的编码及读数原理，对比分折了其 优缺点；接着提出了一种改进的数字水准仪标尺编码设计方案，该方案针对不同 视距分别采用了粗码区和细码区进行编码，并设置了数字分划区，以便特殊情况 下进行光学水准测量：其次，使用面阵c c d 获得条码二维图像，利用质心检测算 法精确定位条码位置，使用几何位置法进行条码解码，并配合编解码方案，采用 v i s u a lc + + 6 0 进行编程，设计了数字水准仪标尺条码处理及识别软件，该软件首 先对采集到的条码图像进行滤波、二值化、平滑等必要的预处理，然后计算所测 目标的物象比和视高；最后通过实验得到了测量数据，并对数据进行了分析。 本文第二章分析了现有几种数字水准仪的编码及读数原理，总结了各厂家数 字水准仪的特点，第三章提出了一种改进的数字水准仪编码标尺设计方案，第四 章重点讨论了数字水准仪条码解码的方法，并给出了数字水准仪标尺条码处理软 件系统的设计方案，第五章是实验部分， 了分析，最后是结造对全文进行总结， 通过实验得到测量数据，并对数据进行 指出下一步工作的努力方向。 第二章 数字水准仪的原理及特点 第二章数宇水准仪的原理及特点 2 1数字水准仪测量的基本原理【3 1 数字水准仪测量系统的测量原理如图2 1 所示。它由条码尺和主机两部分构 成。其中条码尺由宽度相等或不等的黑白( 黄) 条码按照某种编码规则进行有序 排列而成，这些黑白条码的不同排列方法就构成了目前各数字水准仪生产厂家编 码标尺自主知识产权的核心。数字水准仪主机是在自动安平水准仪的基础上发展 起来的。从世界上第一台数字水准仪n a 2 0 0 0 到当今精度最高的数字水准仪 d i n i l 2 ，各厂家的数字水准仪主机采用了大体一致的结构，其基本构造由光学机械 部分、自动安平补偿装置和电子设备组成，电子设备主要包括调焦编码器、光电 传感器( 线阵c c d 器件) 、读取电子元件、单片微处理机、c s i 接口( 外部电源和外 部存储记录) 、显示器件、键盘和测量键以及影像、数据处理软件等。 各厂家数字水准仪测量系统不仅结构大体一致，其基本测量原理也相似：即 采用编码标尺，水准仪内装c c d 光电传感器和图像数据处理系统。编码标尺用不 同宽度的条码组合来表征尺面的不同位置，人工完成照准及调焦后，标尺条码一 方面被成像在望远镜分划板上，供目视观测，另一方面经过分光镜的反射又被成 像在c c d 器件上，随后转化成电信号，经整形后进入模数转换系统( a d ) ，从而 输出数字信号送入微处理器进行处理和存储，并将其与内存的标准码( 参考信号) 按一定的方式进行比较，即可获得编码标尺的高程读数。 编码 标尺 卜赢一 图2 1 数字水准测量系统原理图 各厂家标尺编码的条码图案不同，不能互换使用。各公司标尺的编码方式和电 子读数求值过程仅仅是由于专利权的原因而完全不同。目前照准标尺和调焦仍需 人工目视进行。如果使用传统水准标尺，数字水准仪又可以象普通自动安平水准 6 数字水准仪关键技术研究 仪一样使用，但是由于其没有光学测微器。若用作普通自动安平水准仪使用时， 测量精度低于电子测量的精度。 2 2数字水准仪的编码及读数方法 虽然各厂家数字水准仪测量系统结构大体一致，基本测量原理也相似，但是各 厂家在测量算法上有较大的差别。当前数字水准仪测量系统主要有三种原理上相 差较大的测量算法，三种测量算法与其相应的编码标尺的编码法则相关联。 2 2 1徕卡数字水准仪的读数原圳4 删 徕卡公司的n a 2 0 0 2 n a 3 0 0 3 系列数字水准仪条码标尺编码采用了伪随机码， 读数使用了相关法。为便于理解，先介绍一下有关伪随机码和相关的知识。 1 、徕# 数字水准仪伪随机码编码原理及其特性 在现代数字通信技术中，广泛使用二进制数( 即0 和“1 ”及其组合) 来表示各种 信息。这些表达不同信息的= 进制数及其组合，便称为码，它是一组二进制的数 码序列，又町以表达成以0 和l 为幅度的时间函数。组码序列u l ( t ) ，对某一时 刻来说，码元是0 或l 完全是随机的，但其出现的概率均为1 2 。这种码元幅度的 取值，是完全无规律的码序列，通常称为随机码序列。随机码的特性是其自相关 性好。将随机码序列u i ( t ) 平移k 个码元，由此便得到一个新的随机序列，设为u 2 ( t ) 。 如果两随机序列u l ( t ) 和u 2 ( t ) 所对应的码元中，相同的码元数( 同为0 或1 ) 为a 。，相 异的码元数为b 。，则随机序列u 1 ( t ) 的自相关系数r ( t ) 定义为： 肌，= 糟( 2 - - 1 ) 很明显，当平移的码元数k = 0 时，说明这是两个结构相同的随机码序列，其相 应的码元均相互对齐，即b 。= o ，则自相关系数r ( t ) = l ；而当k o 时，说明这是两 个结构不同的随机码序列。由于码序列的随机性，当序列中的码元数充分大时， 便有a , 产b u ，则自相关系数r 0 ) = 0 。于是根据码序列自相关系数的取值，我们便可 以判断两个随机码序列的相应码元是否已经相互对齐。 虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的序列，不服从 任何编码规则，所以实际上无法复制和利用。为了实际的应用，由一种称为“多极 反馈移位寄存器”的装置产生一种伪随机码，它的主要特点是，不仅具有类似随机 码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性的，可以容易 地复制。表2 1 为一个4 位移位寄存器所能够表示的1 6 种状态。 表2 i4 位寄存器的状态序列 第二章 数字水准仪的原理及特点 7 状态编号寄存器所处状态状态编号 寄存器所处状态 1 lll 1 9io o1 2lllo1 0o ol l 3 llo ol lol 1o 4lo o o1 2l lo1 5o o o o1 3101o 6 o ool1 4ol0l 7 o 0lo1 5lol 1 80lo o1 6oll1 这1 6 种状态可以组成一个数列：【l ，1 ，1 ，1 ，0 ，0 ，0 ，0 ，l ，0 ，o ，l ，l ， 0 ，l ，1 ，1 1 。从这个数列中顺序选取4 个数字，其值具有唯一性，可以唯一确定 移位寄存器的状态。 徕卡公司的数字水准仪条码标尺就是基于该原理进行编码的。存储器的个数r 与存储器能够表达的状态( 条码的总数) m 之间存在下述关系： 2f2m(2-2) 徕卡公司数字水准仪的条码标尺选用的基本码元为2 0 2 5 毫米，各条码的杯称 长度为基码宽度的整数倍，条码结构“黑+ 白”，其中黑条码和白条码各有1 5 种宽 度，共可以组成2 2 5 种类型的条码。由式( 2 2 ) 得知：r 的最小值为1 1 ，这时有2 0 4 8 个基本码元信息可以利用。 2 、相关法读数原理 徕卡数字水准仅的数值处理以相关原理为基础，这就是事先将代表水准标尺伪 随机码的图像存储在数字水准仪中，作为参考信号或基准信号；标尺条码经过望 远镜系统后成像在c c d 探测器上形成测量信号，读数时将两信号进行比较，即按 一定步距移动参考信号直至两个信号获得最大相关系数，由此获得标尺读数和视 距，这就是相关过程，此方法称为相关法。图2 2 表示了这种读数方法的原理。 徕卡数字水准仪运用相关方法时需要优化两个参数，也就是“高度”和“比例”。 一方面“仪器一标尺”的高差表现为参考信号的位移，另一方面条码成像的宽窄比例 是作为“仪器一标尺”之距离的函数变化的，二维离散相关函数表示为： n e , q ( d ，_ 1 1 ) = 寺q ( y ) + 只p ，_ ) ，一| j 1 ) ( 2 3 ) 式中：p p o 为q 和p 之间的相关函数，q ( y ) 为测量信号，p ( d ，y - h ) 自变量d , h 分别为视距和视线高。 数字水准仪戈键技术研究 尺 幽2 2 相关法读数原理 由于仪器到杯尺的距离不同，条码在探测器上成像的宽窄也将不同，即图2 2 中片段条码的宽窄会变化，随之电信号的“宽窄”也将改变。这将会引起相关的困难。 n a 系列仪器采用二维相关法来解决这个问题，也就是根据精度要求以一定步距改 变仪器内部参考信号的“宽窄”，与探测器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，直到两信号相同为止，可以确定读数。 参考信号的“宽窄”与视距相对应，“宽窄”相同的两信号相比较是求视线高的过程， 因此二维相关中，一维是视距，另一维是视线高。 为了找到相关函数的最大值，必需在整个测量范围内进行系统搜索，在参考信 号同测量信号重合的位置上会出现明显突出于其它相关系数的峰值，也就是要在 距离高度格网的每一个交点上都进行相关系数计算，这个计算量是相当大的，使 得读数时间过长。为了缩短读数时间( - - 维相关时间) ，n a 系列仪器内部设计有 调焦移动量传感器，它用来采集调焦的移动量，由此可以反算出视距，初步可以 确定物像比例，对仪器内部参考信号的“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。 设调焦透镜处于参考零点时调焦移动量为零，此时的物方焦距为f 像方焦距 为厂t ，像距为，。，以上三个参数都是己知量，则在理想情况下，由牛顿公式町得大 概的等效光学系统的物距。满足： 善 f - a z ：1 ( 2 - 4 ) r， 第一二章数字水准仪的原理及特点9 其中，口为比例系数，得光学系统的物距： ，= 1 - 。二f 坐 r ( 2 - 5 ) 而垂直放大率1 3 相对于高斯公式： 夕= 等 ( 2 6 ) 当光学系统位于同一介质中时，刀i = ，l ，则： 卢= ( 2 7 ) 当k l f 一- m a sr 寸，有 = ，l 一- f 必 ( 2 - 8 )，一船 根据垂直放大率b 的定义，即 ：y _ 2 ( 2 9 ) y 其中y 为物高，y 为像高，则由式( 2 8 ) ，( 2 - 9 ) 可知： ，= f l f - - 磊f y ( 2 l o ) 此时，初步确定了物象比例a = i ，b ，对仪器内部的参考信号的“宽窄”进行缩放， 使其接近c c d 传感器采集到的测量信号的“宽窄”，然后进行二维相关。这样可以 减少8 0 的相关计算量，使读数时间缩短到4 秒以内。 2 2 2 拓普康数字水准仪的编码及读数原理【6 i t j 1 、拓普康数字水准仪编码原理 拓普康数字水准仪d l - 1 0 1 c 1 0 2 c 编码及读数采用了相位法。d l - 1 0 1 编码标 尺上有三种不同的码条。r 表示参考码，其中有三条2 m m 宽的黑色码条，每两条 黑色码条之问是一条l m m 宽的黄色码条。以中间的黑色码条的中心线为准，每隔 3 0 m m 就有一组r 码条重复出现。在每组r 码条的左边1 0 m m 处有一道黑色的b 码条。在每组参考码r 的右边1 0 m m 处为一道黑色的a 码条。每组r 码条两边的 a 和b 码条的宽窄不相同，仪器设计时安排它们的宽度按j 下弦规律在0 到1 0 m m 之间变化。其中a 码条的周期为6 0 0 m m 。b 码条的周期为5 7 0 m m 。当然，r 码条 组两边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。在图2 3 中，上方表示的是条码，条码的下面 1 0 数字水准仪关键技术研究 画出了波形。纵坐标表示黑条码的宽度，横坐标表示标尺的长度。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。这种相位差就好像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d l i o i c 中，a 码的周期为6 0 0 r a m ，b 码的周期为5 7 0 m m ，它们的最小公 倍数为1 1 4 0 0 m m ，因此在3 m 长的标尺上不会有相同的相位差。为了确保标尺底 端面，或者说相位差分划的端点相位差具有唯一性，a 和b 码的相位在此错丌了 北。 rra rrab l o m m 黑条码宽度p | i i ii11 1 111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 i 图2 3拓晋康数字水准仪编码标j t 2 、拓普康数字水准仪读数原理 在实际测量中，当望远镜照准标尺后，标尺上某一段的条码就成像在线阵 c c d 上，黄条码使c c d 产生光电流，随a 条码和b 条码的宽度d a 、d b 的变化， 光电流强度也发生变化。将它进行模数转化后，得到不同的灰度值。可建立一个 像素一灰度值坐标图，当厌度值逐一输出时，横轴就表示时间。分别用a ，b 码条 为周期的正弦曲线去拟合，就分别得到a ，b 波的增幅和初相位。因为随着标尺的 照度不同，甚至在不同次数的测量当中，增幅都会不同，对求视线高无关紧要。 只要相位表达了视线高，在此通过一定的门限，进行二值化处理，通过比较，即 可算出条码的宽度。 设“、d b 分别为a 条码和b 条码的宽度，t a 、t b 分别为a 条码和b 条码的 变化周期，则根据编码原理有： - n斗i1 lilii 第二章数字水准仪的原理及特点 d 。； + 爿c 。s ( 呈! + m ) 小加。s ( 筹+ o b ) 因为d a 、d b 是x 的函数，满足： 2 ，w 。x + 日d a = 生d 2 窟 f j 等舢。一d 凇 4 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 其中，d 是a ，b 条码的最大宽度，由式( 2 1 3 ) ，( 2 - 1 4 ) n y 得： 尝争m s 吨，= 华2 ，r ( 2 - 1 5 ) 则可得到视线高的理论计算公式： 华2 万+ ( 8 一蚴 拈j i 盯 协1 6 2 j，； r 码是为了提高读数精度和求视距而安排的。利用参考码r 码，我们可求出 物像比。设两组r 码的间距p 为3 0 m m ，它在c c d 上成像所占的像素个数为z ， 像素宽为b ，则p 在c c d 线阵上的成像长度为l - - z x b ，z 可由信号分析中得出，b 是c c d 光敏窗口的宽度，因此l 和p 都为己知数据。这样，就可以计算出物像比 a = p l ，利用物像比a ，将测量信号放大到与标尺上的一样( 仪器内的参考值) 时。 即可读出精确的视线高。根据几何成像原理中横轴放大率的定义及求视距的方法， 即可以推算出视距： s = a + f ( 2 1 7 ) 其中，为物方焦距。 从以上分析可知，拓普康的条码尺的条码编码表达了视线高，再利用物像比及 仪器的光学参数即可推算出视距 2 2 3蔡司数字水准仪的编码及读数原理【1 1 2 l 、蔡司数字水准仪编码原理 蔡司d i n i l 2 1 2 t 2 2 系列数字水准仪标尺编码采用双相位码。d i n i 系列水准仪 的标尺每2 c m 划分为一个测量间距，其中的条码构成一个码词，条码的结构有“黑+ 数字水准仪艾键技术研究 黑”、“黑+ 白”、“白+ 黑”、“白+ 白”4 种( 称为4 进制码) ，4 进制码适用于视距大于5 m 时，其中黑码和白码的宽度相等，均为1 0 0 0 r a m ：当视距小于5 m 时，在黑码中日j 加入1 0 0 r a m 的白线，在白码中间加入1 0 0 m m 的黑线，这样可以构成1 6 种码( 称为 1 6 进制码) 。 蔡司水准仪标尺如图2 4 所示。标尺上每个测量间距的边界由黑白过渡线组 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。d i n i 系列 水准仪测量时，只利用对称于视线的3 0 c m 的标尺截距来确定全部单次测量值，也 就是只用1 5 个测量间距来计算视距和视线高。虽然大于3 0 c m 的标尺截距也能获 取，但原则上不用来求取测量值。在原理上d i n i 也可以用小于3 0 c m 的标尺截距 进行测量，只要该截距还足以读出码词。对1 5 m 的最短视距而言，最小的测量视 场约为1 0 c m 。此时，在从标尺起点或终点起约6 e m 的范围内不能读数。 i i - i i i il li i ii _ - 几n 几厂 j 翻2 4 蔡司水准仪编码标尺 2 、蔡司数字水准仪读数原理 蔡司数字水准仪采用几何法读数原理。当人工照准标尺并调焦后，条码标尺像 经分光镜，一路成像在分划板上，供目视观测，一路成像在c c d 探测器上，供电 子读数。读数时，首先根据条码图像相邻条码间的关系确定对应的数字编码，再 依据事先存储的数字编码与标尺位置日j 的对应关系确定每个条码的粗读数，然后 再依据光学成像原理确定每个条码的精读数，将粗、精读数组合就得到最后的测 量结果。精读数的测量方法原理如图2 5 所示。 杯尺 图2 5 精读数测量方法原理图 o c d 第一二章 数字水准仅的原理及特点 图中g 。为测量条码的起始边界，g i + l 为本条码的结束边界和下一条码的起始 边界，它们在c c d 传感器上的成像为b i 和酢l ，代表该测量条码到电子税准轴( 即 到c c d 传感器参考线) 的距离，用所占像素的个数来表示。由相似三角形的关系 得出物像比为： d ：g ：! 二鱼( 2 - 1 8 ) 4 一岛“ 对于蔡司数字水准仪条码尺而言，g j + l g i 为2 0 m m 的常数。 在求得物像比d 后，则可依据图2 。5 所示的几何关系求得视线离，其公式为： 吩= g t + d 6 ， ( 2 1 8 ) h i + t = g ，+ i d 包“ ( 2 - 1 9 ) 如果将c c d 传感器参考线( 即电子视准轴) 之上的b i 定为j 下值，参考线之下 的b 。定为负值，则可得视线商求解的通式： 曩= g j + d x b ， ( 2 2 0 ) 为了提高测量精度，蔡司数字水准仪d i n i l 0 2 0 系列取标尺上中丝上下各1 5 c m 的 范围即1 5 个测量日j 距平均来计算，于是物象比为： ( g j + 1 g ) d = 竺l 一 ( 2 2 1 ) ( b i 一6 j + 1 ) 则视高的最后结果为： h = ( g 。+ d x b ，) ( 2 - 2 2 ) h 篇 。 由以上分析得知，禁司d i n i 系列数字水准仪，先算出物象比之后，它的标尺 条码编码只须表达出视线高的信息，然后可以根据仪器的光学参数推算出视距， 计算原理与用视距丝进行视距测量一样。 几何法通过高质量的标尺刻划和几何光学实现了标尺的自动读数，而不是靠 电信号的比较处理，从而既保证了高精度又保证了测量速度。 由上述可见，各厂家的数字水准仪的读数方法与其编码标尺的编码方法是一 体的，只有两者配合使用才能进行测量读数，离开其中任何一个部分，另一个部 分都无法工作。 数字水准仪关键技术研究 2 - 3数字水准仪特点及指标 2 3 1 数字水准仪的特点h 数字水准仪是以自动安平水准仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和光 电探测器( c c d ) ，并采用条码标尺和电子图像处理系统构成的光机电测一体化的高 科技产品。当采用普通标尺时，数字水准仪又可像一般自动安平水准仪样使用。 它与传统仪器相比有以下共同特点： 1 ) 读数客观。数字水准仪读数不存在误差、误记问题，没有人为读数误差； 2 ) 精度高。数字水准仪利用图像处理技术自动识别读数，免除了观测员人工 读数误差的影响。观测信号与参考信号采取全截断比对，对图形影像所有分划取 平均值，视线商和视距读数都是采用大量条码分划图像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； 3 ) 速度快。作业速度快慢取决于仪器整平的速度，由于自动探测读数，记录， 省去了报数、昕记、现场计算的时间以及人为出错的影响，测量时| 、日j 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数，减轻了劳动强度。视距还能自 动记录，捡核，处理并能输入电子计算机进行后处理，可实现内外业体化： 5 ) 仪器重量轻，操作简便，减轻作业员的劳动强度； 6 ) 易于实现测量内外一体化。测量数据能自动采集、检核、处理。光学水准 仪的标尺读数，只能用人工输入电子手薄，难以实现自动化。数字水准仪将数据 直接记录在p c m c i a 存储卡上，及时检核，按规定格式输出，便于在计算机上处 理，形成自动流程。 另外，数字水准仪也存在一些不如光学水准仪的缺点，主要表现为： 1 ) 数字水准仪测量不如光学水准仪测量灵活。由于数字水准仪只能对其配套 标尺进行照准读数，而在有些部门的应用中，使用自制的标尺，甚至是普通的钢 板尺，只要有刻划线，光学水准仪就能读数，而数字水准仪则无法工作。同时， 数字水准仪要求有一定的视场范围，但有些情况下，只能通过一个较窄的狭缝进 行照准读数，这时就只能使用光学水准仪。 2 ) 数字水准仪受外界条件影响大。由于数字水准仪是由c c d 探测器来分辨标 尺条码的图像，然后进行电子读数，而光照强度、大气折射、热抖动、调焦质量 的好坏，都会影响编码标尺在c c d 上的成像质量，从而影响测量精度。此外，周 围环境的磁场强度、大气通视程度等因素都会影响数字水准仪测量。 2 3 2 不同厂家数字水准仪的比较f 4 l 御 第矗二章 数字水准仪的原理及特点 虽然各厂家的数字水准仪都采用编码标尺，实现了读数的自动化，都能胜任 相应精度等级的水准测量，但是由于各厂家的标尺编码规则不同，读数原理也不 同，导致不同厂家的产品在技术指标和性能上也有一些差别。下面对徕卡、蔡司 和拓普康三个厂家的精密数字水准仪加以比较。 1 ) 测量原理与编码标尺规则不同：徕卡仪器采用相关法读数，禁司采用几何 法读数，拓扑康采用相位法读数； 2 1 技术指标的差别： 各厂家的数字水准仪由于设计思路不同，采用的原理不同，导致在技术指标 上存在一些差别，如测量时间不同，对标尺条码截取的范围不同，计算方法不同 等。 3 ) 性能的差别： 由于不同厂家产品的电子读数原理不同，从而反映在它们的性能上也存在差 别： ( n 折光差的影响不同 当视线较低靠近地面时，由于受折光的影响，标尺影像将产生形变，导致c c d 器件图像处理的困难，从而对电子读数产生影响，造成折光差。但由于三种仪器 的读数原理不同，受折光差的影响大小也不同，蔡司仪器受折光差的影响要小于 其它两种仪器。这主要是因为蔡司数字水准仪在读数时，仅用到中丝上下各1 5 c m 的标尺截距，并没有利用全视场的条码，所以当视线靠近地面时，受折光差的影 响小，而其它两种仪器利用视场中的所有条码，靠近地面的条码也参加读数，而 最后的判读结果是所有这些条码的平均值，所以受折光差的影响大。 ( 2 ) 受红外光的影响不同 徕卡n a 系列数字水准仪具有“谱灵敏度”，即数字水准仪的探测器是利用光线 的红外部分接收和检测条码影像的。因此，在人工光线下进行测量时，如果红外 光成分较弱时，会造成测量误差，甚至无法读数。另外，对标尺像的背景色也有 一定的要求，当标尺背景为红色( 如红色墙等) 或接近探测器的工作色谱时，则读数 将遇到困难。而蔡司和拓普康的数字水准仪是利用可见光束接收和检测条码影像 的，所以不受此影响，它们只要求标尺有足够的照明。 ( 3 ) 调焦对测量结果的影响不同 蔡司数字水准仪的标尺每2 c m 划分为一个测量间距，其中的条码构成一个码 词，每个测量间距的边界由黑自过渡线构成，其下边界到标尺底部的高度，可以 由该测量间距中的码词判读出来，望远镜中丝照准的那个码词，被判读出来后就