数字水准仪在沉降观测中各种误差影响及解决方法.doc

数字水准仪在某火电厂二等水准测量的应用随着数字技术的发展，传统的光学水准仪正在被数字水准仪所替代，它实现了水准测量的数字采集、记录和处理的自动化目前各厂家生产的数字水准仪,虽然仪器型号不同,但在标尺读数、数据记录、各种误差(限差)报警等方面均已实现自动,从而减轻了仪器使用者的劳动强度并大幅度提高了观测工作的效率它具有人为干预少、工作速度快、读数准确、测量精度高等优点,目前已成为沉降观测、工程水准测量、高精度水准网观测的骨干仪器1、数字水准仪工作原理为:一个数字水准仪测量系统主要是由编码标尺、光学望远镜、补偿器、CCD传感器以及微处理控制器和相关的图象处理软件等组成。工作基本原是标尺上的条码图案经过光反射，一部分光束直接成像在望远镜分划板上，供目视观测，另一部分光束通过分光镜被转折到线阵CCD传感器的像平面上，经光电转换、整形后再经过模数转换，输出的数字信号被送到微处理器进行处理和存储，并将其与仪器内存的标准码（参考信号）按一定方式进行比较，即可获得高度读数和水平距离。2数字水准仪的误差影响及解决方法2.1视准线误差由数字水准仪的构造和测量原理知道,数字水准仪存在两个完全不同的i角,如图1所示,数字水准仪在它的望远镜光路中加装有分光镜和光电探测器CCD。望远镜照准标尺并进行调焦后,标尺条码影像一方面被成像在望远镜十字丝分划板上供观测者目视观测;另一方面又在分光镜的作用下成像在光电探测器CCD上进行电子测量。用于目视观测的光线与仪器水平轴线的夹角称作仪器的光学i角,而用于电子测量的光学(虚拟线)仪器水平轴线的夹角即是数字水准仪的电子i角。带的i角检测程序测出其值,却无法通过改变探测器CCD或补偿器位置的方法来对其进行校正。如图1所示,因为探测器CCD内存着标准编码,其参考点稍有变化都将直接影响仪器的精度,而调整补偿器位置也只能在工厂中进行。由此可知数字水准仪的电子i角存在着工作中只能测定、不可校正的特性。视准线(i角)误差的大小直接影响着精密水准测量的成果。数字水准仪的视准线误差随环境温度的变化而变化量还是比较大。仪器利用微处理器，将测定的视准线误差值储存起来并对以后每一个测量值进行自动改正，直到重新测定前一直沿用。这种特性对于不等视距的平面水准测量是很有利的，但对于区域精密水准测量并不一定有利，因为正常的测量作业中，不可能频繁地进行视准线误差测定，实际改正的误差值并非当时的真实值，从而又带来了另一种不应有的误差源。因此对于精密水准测量，除了严格执行前后等视距观测外，每次作业前要测定视准线误差。2.2仪器的分辨力数字水准仪的分辨力就是在一定视距和环境条件下CCD图象传感器对反映标尺码元的析象分辨能力。由物理光学光衍射的瑞利准则可知，光学部分的分辨力主要取决于物镜孔径和光源波长。波长一定，孔径越大，分辨力越高。但孔径越大，杂散光越强，反过来又影响分辨力，并使仪器的体积和重量加大。数字水准仪的物镜孔径的大小是与CCD传感器的象素大小相匹配的。2.3标尺间隔采样数对测量的影响数字水准仪的测量是建立在码元间隔测量原理上的，要保证测量精度，除了有足够的测量次数外，还要有足够的码元数可供阅读。因此测量过程中，任何对标尺有效码元的遮掩、阻挡或缺少都会使视场内的码元数减少而影响测量精度码元严重不足可能导致自动中断测量。因此精密水准测量应避免在树荫或视线常被中断下作业。另外，由于其光学系统具有一定的视角，视距越长，视场范围越大，也就是提供测量用的标尺段越长，因此近距离的遮掩影响较大。不同的图象处理方法对标尺遮掩的影响是不同的，但视场中丝附近对遮掩是很敏感的位置，应尽量避免。2.4光亮度对测量的影响在水准测量过程中，水准标尺的亮度是很重要的。区域水准测量都是在野外进行，标尺的亮度或者由标尺分划(条码)反射来的光通量是由太阳、云量、空气状况及观测方向等因素决定的，而各个因素又都在动态变化着，因此，对其控制是困难的，而数字水准仪的CCD图象传感器只能在有限的亮度范围内将图像转换为用于测量的有效电信号。这些有效的信号强度是由时间积分决定的。象照相机一样用控制曝光时间来保证一定的光通量，其曝光时间的范围大约为几毫秒到2秒之间。采样条码群体中亮度不均匀时(如遇阴影)，就会使曝光时间失控，部分条码曝光过度，部分条码曝光不足，轻微的不均匀引起局部畸变，影响测量精度，严重时使仪器自动中止测量。在逆光或背景光线很强时进行测量，标尺图象对比度下降，即使传感器CCD有充分的光通量，而测量实体标尺条码却曝光不足，使测量信号的估算产生困难，往往造成测量失败。即使能够测量，也使测量精度下降。在此种情况下，必须改变仪器或标尺的安置位置或转动标尺方向，重新进行测量。另外在测量中光强发生强烈变化时，如闪烁、闪断等，往往使正在进行的测量中断而又自动重新开始，不但影响测量精度，而且使单次测量时间延长，此时应停止测量。在测量中，若仪器处的亮度大于标尺处的亮度时，光线通过仪器的物镜和目镜的漫反射，使CCD的本底噪声增大，造成标尺条码曝光不足，使测量失败或影响测量。这时可将目镜遮住，物镜罩上遮光罩，情况就会得到改善。光强变化对测量的影响。使用数字水准仪进行水准测量的过程中,光线环境对测量精度影响很大。野外作业时,由于太阳光、云层、空气状况及瞄准方向等因素的影响,条形码尺的尺面反射光和仪器单位时间内接收的光通量是不断变化的。由于数字水准仪的CCD图像传感器只能在一定的光强范围内有效的将图像转换为点信号,对于采样范围内的亮度不均匀的条形码群体,极易影响测量精度。数字水准仪不但对光线变化要求较高,对光线强度也十分敏感,所以使用数字水准仪测量时要充分考虑到环境光对仪器的影响。因此,数字水准仪进行测量时,要选择时间对称的早晨、傍晚进行路线测量或光线相对温和、均匀的时段进行观察,尽量避免在强光、逆光的情况下进行观测,以防光线太强或太弱给测量精度带来的影响。2.4大气折光对测量的影响。我们知道,如果前后视线超过地面的高度不同,则视线所经空气层的密度也不同,其弯曲程度也就不同,前后视读数相减所得高差就要受到垂直折光的影响,特别是当路线通过一个较长坡度时,由于前后视线超出地面的高度不同,这种影响尤其明显。为了减弱垂直折光对观测高差的影响,除了要保持前后视距尽量相等外,还要使视线离地面有足够的高度。数字水准仪可以输入最低视线高,并在测量时视线高低于规定最低视线高时自动发出报警,从而提醒操作员架高仪器,提高视线距地面的高度。2.5调焦对测量的影响数字水准仪和光学水准仪一样，只有将标尺的象准确地聚焦在望远镜的分划板(或CCD传感器)上，才能提高对标尺分划(或条码)的分辨能力，才能准确地确定视准线的准直状态，这是测量估算方法优化以达到最佳精度的条件。但是数字水准仪是依据用于测量的所有间隔码元估算并多次测量的平均值，因此调焦对测量的影响远比光学水准仪小得多。若仅是通常调焦波动，则对测量结果只产生微不足道的影响，测量时间相对延长而己;若是大量的测量都是这样，就会影响最后的测量精度。因此要获得最佳的测量精度，必须保证每站的仪器调焦质量。2.6观测精度与视距的关系。不同视距视线观测精度的测试是检验数字水准仪的观测精度与视距的关系，NA3003数字水准仪的最大视距为60m ，在50m视距下观测精度不受影响，而超过50m 后精度骤降。DiNi12数字水准仪的最大视距为100m,在60m视距下较好,而超过60m后精度骤降。2.7标尺安置状态对测量的影响对于数字水准仪，仪器在自动测量过程中对标尺安置状态的监视反映很迟钝，偏离垂直状态很大范围，仪器仍然测量。因此标尺安置更为重要。水准尺经检验校正合格后,便可实际作业。但在外业观测中,会出现水准尺竖立不直的现象,影响水准测量的读数精度。如果尺子没有竖直则会使尺上的读数增大。如下图设尺子的倾斜角,因为=cos,=-=(1-cos),可见的大小既与尺子倾斜角的大小有关也和在尺上的读数的大小有关,如果设=2 m,当尺子倾斜大约2时,就会造成约1 mm的读数误差,因此作业时努力使水准尺保持竖直位置是很重要的。在外业观测时,为保持尺的竖直,一定要采用尺撑,避免仅用手来扶尺的做法。2.7仪器的晾置和预热问题由于仪器参数受环境温度影响易发生变化，作业前仪器充分晾置或预热，使仪器与外界气温趋于一致或处于稳定的热交换平衡状态，避免仪器在初始阶段(温度不稳定阶段)进行测量而影响精度。数字水准仪属于有源(电池)的光电仪器，但它的耗能很小，对仪器温度的影响比环境温度要小得多，几乎可以忽略，因此作业前的仪器晾置时间可和精密光学自平水准仪基本一致。2.8振动对测量的影响数字水准仪和光学自动安平水准仪一样，由于交通、机械、风等产生的振动，影响补偿器致使视准线不稳。在周围环境恶劣时，如明显的机械振动、载重运输车通过、风力过大等，应终止测量。测量员可根据仪器中图象的情况来判定。2.9磁场对测量的影响。作为电子仪器,数字水准仪内部的电子元件不可避免地受到周围磁场的干扰影响,在观测成果中产生误差,所以在选择水准路线时,尽量避开强磁场地区。磁场垂直分量和与视线平行的水平分量对仪器影响显著。这就是说，在实际作业中，沿南北方向观测，仪器将受地球磁场水平分量与垂直分量影响;而沿东西方向观测，仪器虽不受水平分量的影响，但仍受到垂直分量的影响。”我们已经知道，一定大小的水平和垂直磁场场强都可以改变Nil的剩磁状态。水平磁场大约在10倍以上、垂直磁场大约在5倍以上的地磁场强时，引起的磁效应变化明显，并易于测出。Nil仪器在水平方向施加31倍地磁场作用下，可使地磁影响最大变化smm/km;在垂直方向施加8倍地磁场作用下，可使地磁影响最大变化化smm/km;在垂直方向施加31倍地磁场作用下可使地磁影响最大变化12mm/km，且此状态下已接近饱和。由此可以估计，在可能产生的剩磁状态下，最大地磁影响为6mm/km，变化范围为一6mm/km十6mm/km.经大量试验证明,几乎所有的数字水准仪均不同程度地受电磁场的影响。在110 kV高压线路下,当视距小于30 m时,Dini12和NA3003受到的影响可达0.2 mm。当视距大于50 m时,对Dini12的影响可达0.3 mm,对NA3003的影响可达0.8mm。因此,实际作业时,应尽量避免水准线路经过强电磁场磁场对Ni002水准仪是有影响的，这种影响主要是对补偿反射摆的影响;。另外,在测前应检查各观测点和水准基点是否符合要求,有无松动损坏情况,以便顺利工作。在沉降观测中应采