数字水准仪产品及原理介绍.ppt

2020 1 9 1 数字水准仪工作原理 JLXZT 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 2020 1 9 2 一 数字水准仪产品 SokkiaSDL30 TrimbleDiNi12 DiNi22 TopconDL 103 2020 1 9 3 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 2020 1 9 4 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 RS232 2020 1 9 5 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 30 x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 2020 1 9 6 竞争对手 TopconDL 103 2020 1 9 7 竞争对手 Internet查询 更多的信息 www Twww TOPCON comwww SOKKIA com 2020 1 9 8 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 2020 1 9 9 LeicaDNA03 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 2020 1 9 10 LeicaDNA03 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 2020 1 9 11 LeicaDNA03 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 2020 1 9 12 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 2020 1 9 13 DNA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 2020 1 9 14 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 2020 1 9 15 1 相关法 仪器光路示意图 LeicaDNA系列数字水准仪采用相关法 2020 1 9 16 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 2020 1 9 17 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 116 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 2020 1 9 18 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 2020 1 9 19 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 2020 1 9 20 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 2020 1 9 21 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 的相关计算量 使读数时间缩短到 秒以内 2020 1 9 22 相关法 电子原理 CCD ChargeCoupledDevice 是由按照一定规律排列的 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 长约6 5mm 由中心距为 m的 个光敏二极管组成 其光敏窗口宽度为 一个光敏窗口也称一个象素 或象元 2020 1 9 23 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 010000001001001101 2020 1 9 24 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 2020 1 9 25 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 0 1 21 0 05 P 1101000110111110111110001110111 Q 100011011111011111000R 110100010111010111001 2020 1 9 26 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 1 3 21 0 14同理有t 2时R2 13 8 5 2 5 21 0 24 2020 1 9 27 相关法 相关示例 t 3时R3 21 0 21 3 1t 4时R4 11 10 1 4 0 05t 5时R5 10 11 1 5 0 05t 6时R6 9 12 3 6 0 14 条码片段的下边界到标尺低端 h b t 2 025 3 6 75 mm 2020 1 9 28 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 PQ为 和 之间的相关系数 y 为测量信号 h 为参考信号 d为视距 h为视线高 2020 1 9 29 2 几何法 光路示意图 蔡司 采用几何法原理读数 2020 1 9 30 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 2020 1 9 31 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 2020 1 9 32 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 1 bi 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 2020 1 9 33 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 2020 1 9 34 3 相位法 光路示意图 拓普康数字水准仪 1 采用相位法 望远镜光路见图1 11 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 2020 1 9 35 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1 mm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 码条的周期为600mm 码条的周期为570mm 2020 1 9 36 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