数字水准仪产品及原理介绍

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12/17/20221一、数字水准仪产品NA2000（世界第一）1990SokkiaSDL302002LeicaDNA03/101994TopconDL-101/102TrimbleDiNi12/DiNi22TopconDL-10312/17/20222二、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12/17/20223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/RS23212/17/20224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/30x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

12/17/20225竞争对手-TopconDL–103主要特点:

1.8mm/km

RS232C接口数据输出

1°30’的电子视场 补偿器置平精度5” 放大倍率26x主要卖点: 较强的防雨功能

耗电少 重量轻 测量时间短(2秒)缺点: 样子笨

显示窗小(128x32象素) 应用特色少 无圆水准器照明 测量距离近(2-60m)12/17/20226竞争对手–Internet查询更多的信息:12/17/20227三、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12/17/20228LeicaDNA03/10的特性和优点28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12/17/20229LeicaDNA03/10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12/17/202210LeicaDNA03/10的的特特性性和和优优点点4中轴轴位位置置的测测量量按按钮钮分离离的的DATA和和ESC键键分离离的的开开关关键键独立立的的的定定位位键键内存存:6000测测量量点点或或1650个个测测站站的的前前后后视视杰出出的的设计计和和外外型型宽大大的的LC显显示示屏屏可变变的的数数据据输出出格格式式12/12/202211‘你你所所要要用用的的’’-应应用用程程序序和和功功能能机机内内即即时时调调用用应用用简简单单，，操操作作容容易易在线线作作业业管管理理按当当地地需需求求改改制制显显示示内内容容用户户可可定定义义数数据据输输出出格格式式DNA系系列列软软件件––概概要要12/12/202212DNA系系列列的的外外部部特特性性显示示内内容容可可按按层层、、名名称称和和流流程程定定制制固件件是是可可升升级级仪器器软软件件接接口口上上载载通过过PCMCIA卡卡输输出出数数据据12/12/202213四、、数数字字水水准准仪仪工工作作原原理理1、、相相关关法法（（威威特特NA2000，，LeicaNA03/10））2、、几几何何法法（（蔡蔡司司DINI10/20））3、、相相位位法法(拓拓普普康康DL101C/102C)12/12/2022141、相相关法法-仪器光光路示示意图图LeicaDNA系列列数字字水准准仪采采用相相关法法12/12/202215相关法法—标标尺及及相关关原理理（1）徕卡数数字水水准仪仪配套套的水水准标标尺为为伪随随机条条码，，该条条码图图象已已被存存储在在数字字水准准仪中中作为为参考考信号号。在在条码码标尺尺上，，最窄窄的条条码宽宽为2.025mm（黑黑的、、黄的的或白白的）），称称为基基本码码宽。。在标标尺上上共有有2000个基基本码码(指指4.05m的的标尺尺)，，不同同数量量的同同颜色色的基基本码码相连连在一一起，，就构构成了了宽窄窄不同同的码码条。。12/12/202216相关法法—标标尺及及相关关原理理（2）测量信信号与与参考考信号号进行行比较较，这就是是相关关过程程,称为相相关。。例如如先与与标尺尺底部部对齐齐，发发现不不相同同，然然后往往上移移动一一个步步距（（基本本码宽宽），，再比比较，，直到到两码码相同同为止止，或或说两两信号号相同同为止止，也也就是是最佳佳相关关位置置时，，读数就就可以以确定定。如如图中中的００.116ｍ。移移动一一个基基本码码宽来来进行行比较较的精精度是是不够够的，，但是是可以以作为为粗相相关过过程，，得到到粗读读数。。再在在粗读读数上上下选选取一一定范范围，，减少少步距距，进进行精精相关关，就就可以以得到到精度度足够够的读读数。。12/12/202217相关法——标尺及及相关原原理（3）由于标尺尺到仪器器的距离离不同，，条码在在探测器器上成像像的“宽宽窄”也也将不同同，测量量信号片片段条码码的“宽宽窄”会会变化，，引起相相关困难难。徕卡卡数字水水准仪采采用二维维相关法法，以一一定步距距改变仪仪器内部部参考信信号的““宽窄””与CCD采集集到的测测量信号号相比较较，如果果没有相相同的两两信号，，则再再改变，，再进进行一维维相关，，直到到信号相相同为止止。参考考信号的的“宽窄窄”与视视距是对对应的。。“宽窄窄”相同同的两信信号相比比较是求求视线高高的过程程，在此此二维相相关中，，一维维是视距距，另另一维是是视线高高，二维维相关之之后视距距就可以以精确算算出。12/12/202218相关法——标尺及及相关原原理（4）由于标尺尺到仪器器的距离离不同，，条码在在探测器器上成像像的“宽宽窄”也也将不同同，测量量信号片片段条码码的“宽宽窄”会会变化，，引起相相关困难难。徕卡卡数字水水准仪采采用二维维相关法法，以一一定步距距改变仪仪器内部部参考信信号的““宽窄””与CCD采集集到的测测量信号号相比较较，如果果没有相相同的两两信号，，则再再改变，，再进进行一维维相关，，直到到信号相相同为止止。参考考信号的的“宽窄窄”与视视距是对对应的。。“宽窄窄”相同同的两信信号相比比较是求求视线高高的过程程，在此此二维相相关中，，一维维是视距距，另另一维是是视线高高，二维维相关之之后视距距就可以以精确算算出。12/12/202219相关法——标尺及及相关原原理（5）移动一个个基本码码宽来进进行比较较的精度度是不够够的，但但是可以以作为粗粗相关过过程，得得到粗读读数。再再在粗读读数上下下选取一一定范围围，减少少步距，，进行精精相关，，就可以以得到精精度足够够的读数数。12/12/202220相关法——调焦移移动传感感器可以想象象从原始始参考信信号一步步一步缩缩放比较较的相关关的计算算量会很很大，使使读数数时间过过长。为为了缩短短读数时时间，徕徕卡数字字水准仪仪内部设设计有调调焦移动动量传感感器采集集调焦镜镜的移动动量，由由此可以以反算出出概略视视距，初初步可以以确定物物像比例例。对对仪器内内部的参参考信号号的“宽宽窄”进进行缩放放，使其其接近探探测器采采集到的的测量信信号的““宽窄””，然后后再进行行二维相相关。这这样可以以减少８８０％的的相关计计算量．．使读数数时间缩缩短到４４秒以内内。12/12/202221相关法——电子原原理调焦编码器补偿器监视CCD读出电子部件ADACCU500mAh模块信号处理芯片8BitCPUGatearray门阵列键盘显示屏GSI接口机外电源机外接口键盘和测量按钮调焦透镜位置条码影像视频信号CCD（ChargeCoupledDevice）是由按照照一定规规律排列列的ＭＯＯＳ（金金属一氧氧化物一一半导体体）电容容器阵列列组成的的移位寄寄存器，，线阵ＣＣＣＤ长长约6.5mm，由由中心距距为２２５μm的２２５６个个光敏二二极管组组成．其其光敏窗窗口宽度度为２５５μｍ。。一个光光敏窗口口也称一一个象素素（或象象元）。。12/12/202222相关法——伪随机机码简介介伪随机码码属于二二进制码码，它的的结构可可以预先先确定，，并且可可以重复复产生和和复制，，另一方方面它还还具有随随机特性性，即统统计特性性。GPS中的的载波就就是用这这种伪随随机码调调制的。。该码由由线性移移位寄存存器产生生。这种种码用在在数字水水准仪中中具有可可以在1.8——100m距离离内使用用相关法法的特点点。标尺上的的白码条条或黄码码条在CCD器器件上产产生光电电流，在在电路上上为高电电平，我我们用二二进制的的“1””表示，，相反黑黑码条用用“0””表示。。从条码码标尺上上测量得得到的徕徕卡仪器器的参考考码序列列为：{P}=1101000110111110111110001110111……01000000100100110112/12/202223相关法——相关函函数假定望远远镜从条条码标尺尺上截取取的条码码片段经经电子部部件处理理后得到到的测量量码序列列为：{Q}=100011011111011111000则相关函函数表示示为：式中：N为测量量码序列列中码元元的个数数；i=1,2,…,N为测量量码序列列中码元元的序号号;表表示示模二和和运算。。t=0,1,.2,……,M-N-1，是移位相相关的次次数，而而步距为为一个码码元M为参考码码元的个个数；表示两序序列中相相同元素素的个数数和减去去不同元元素的个个数和。。相关系数数表示为为：+12/12/202224相关关法法——相相关关示示例例模二二和和的的运运算算规规则则如如下下：：0⊕⊕0=10⊕⊕1=01⊕⊕0=01⊕⊕1=1设t=0,{P}=110100011011111011111{Q}=100011011111011111000相关关函函数数序序列列{R}=101000111011011011000由由此此得得相相关关函函数数R0=11－－10＝＝1相相关关系系数数ρ0=1/21=0.05P=1101000110111110111110001110111……Q=100011011111011111000R=11010001011101011100112/12/202225相关关法法——相相关关示示例例设t=1,：：{P}=101000110111110111110{Q}=100011011111011111000{R}=110100010111010111001此相相关关函函数数R1=12－－9＝＝3相相关关系系数数ρρ1＝3／／21＝＝0.14同理理有有t=2时时R2=13－－8＝＝5ρρ2=5/21=0.2412/12/202226相关法—相关关示例t=3时R3=21-0=21ρρ3=1t=4时时R4=11－10＝1ρρ4=0.05t=5时R5=10－11＝－1ρρ5=－0.05t=6时R6=9－12＝＝－3ρρ6=－0.14条码片段的下下边界到标尺尺低端：h=b×t=2.025×3=6.75(mm)12/12/202227相关法——二二维相关徕卡数字水准准仪的数值处处理以相关原原理为基础。。这就是将仪仪器“巳知的的”代码，即即式（1－2）所示的二二进制码同行行阵传感器上上标尺条码成成像经处理构构成的测量信信号进行比较较。数字水准准仪运用相关关方法时需要要优化的两个个参数，也就就是“视线高高”和“物象象比”。仪器器的视线高表表现为标尺条条码像在线性性传感器CCD上的上下下的位移，另另一方面标尺尺上的条码与与其成象的物物象比取决于于仪器到标尺尺的距离，或或说物象比是是视距的函数数。因此在徕徕卡数字水准准仪中，二维维离散相关系系数为：式中：ρPQ为Ｑ和Ｐ之间间的相关系数数;ＱＱ（y）为测测量信号;ＰＰ（ｄｄ，ｙ－h））为参考信号号;d为视距；；h为为视线高。。12/12/2022282、几何法———光路示意意图蔡司ＤＩＮＩＩ１０／２００采用几何法法原理读数。。12/12/2022292、几何法———条码标尺尺ＤＩＮＩ系列列的标尺每２２ｃｍ划分为为一个测量间间距，其中的的码条构成一一个码词，每个测量间间距的边界由由黑白过渡线线构成，其下下边界到标尺尺底部的高度度，可由该测测量间距中的的码词判读出出来，就象区区格式标尺上上的注记一样样ＤＩＮI系列列测量时，只只利用中丝的的上下两边各各１５cm的的标尺截距，，也就是１５５个测量间距距来计算视距距和视线高。。12/12/2022302、几何法———测量原理理图中Gi为某测量间距距的下边界，，Gi+1为上边界，它它们在ＣCD行阵上的成像像为Bi及Bi+1。它们到光轴轴（中丝）的的距离分别用用用ｂi及ｂi+1表示。ＣＣＤＤ上象素的宽宽度是己知的的，这两距离离在ＣCＤ上所占象素素的个数可以以由ＣＣＤ输输出的信号得得知，因此可可以算出ｂi和ｂi+1，也就是说ｂｂi和ｂi+1是计算视距和和视线高的己己知数。ｂi和ｂi+1在光轴之上方方为负值，在在光轴之下方方取正值。如果在标尺上上看，则是在在光轴之上为为正,反之为负。12/12/202231几何法——测测量原理ｇ为测量间距距长（２cm），用第ｉｉ个测量间距距来测量时，，则物象比Ａi=g/（bi+1－bi）视线高读数为为：Hi=g(Ci+l/2)-A(bi+1+bi)/2Ｃi是第ｉ个测量量间距从标尺尺底部数起的的序号，可由由所属码词判判读出来12/12/202232几何法——测测量原理为了提高测量量精度，ＤＩＩＮｉ系列取取Ｎ个测量间间距平均来计计算，也就是是取标尺上中中丝上下各１１５ｃｍ的范范围，即１５５个测量间距距取平均来计计算。12/12/2022333、相位法法——光路路示意图拓普康数字字水准仪ＤＤＬ１０1Ｃ／１０２２Ｃ采用相相位法。望望远镜光路路见图1—11。标尺的条条码像经望望远镜、物物镜、调焦焦镜、补偿偿器的光学学零件和分分光镜后，，分成两路路。一路成成像在ＣＣＣＤ线阵上上，用于进进行光电转转换；另一一路成像在在分划板上上，供目视视观测。12/12/202234相位法———标尺编码码有三种不同的的码条，ＲＲ表示参考考码，其中中有三条２２mm宽的的黑色码条条，每两条条黑色码条条之间是一一条1mm宽的黄色色码条，以以中间的黑黑码条的中中心线为准准，每隔３３０mm就就有一组ＲＲ码条重复复出现。在在每组Ｒ码码条左边１１０mm处处有一道黑黑色的Ｂ码码条。在每每组一参考考码Ｒ的右右边1０mm为一道道黑色的ＡＡ码条。每每组Ｒ码条条两边的ＡＡ和Ｂ码条条的宽窄不不相同。实际上ＡＡ和Ｂ码码条的宽度度是在1到到１０mm之间变变化，这两两种码包含含了水准测测量时的高高度信息。。其中Ａ码码条的周期期为600mm，ＢＢ码条的周周期为570mm12/12/202235相位法———标尺编码码在标尺长度度方向上就就形成了亮亮暗强度按按正弦规律律周期变化化的亮度波波。在图中中条码的上上面画出了了波形。纵纵坐标表示示黑条码的的宽度，横横坐标是标标尺的长度度。实线为Ａ码码的亮度波波，虚线为为Ｂ码的亮亮度波。由于Ａ和和Ｂ两条码码变化的周周期不同，，也可以说说Ａ和Ｂ亮亮度波的波波长不同，，在标尺长度方方向上的每每一位置上上两亮度波波的相位差差也不同。这种相位位差就好象象传统水准准标尺上的的分划，可可由它标出出标尺的长长度。只要要能测出标标尺某处的的相位差，，也就可以以知道该处处到标尺底底部的高度度，因为相相