1、Geosystems2022-7-271*数字水准仪及原理上海中振测量技术工程有限公司杜培毅Geosystems2022-7-272*水准测量原理 水准测量是由水准仪利用重力获得水平视线求取两点间的高差。a bhab=a-bGeosystems2022-7-273*水准测量原理水准测量原理-一个测站的工作一个测站的工作h=(a1-b1)+(a2-b2)/2a1a2 b1 b2Geosystems2022-7-274*水准测量原理线路水准h1=a1-b1h2=a2-b2hn=an-bnABhab=h1+h2+hnB点的高程：Hb=Ha+habGeosystems2022-7-275*线路测量BF
2、,aBFBFaBFB1F4F2B3B1F2B4F3奇数站奇数站偶数站偶数站Geosystems2022-7-276*BFFBaBFFB奇数站奇数站偶数站偶数站B11B24F12F23F23F12B11B24B11B24F12F23F24F11B12B23线路水准BFFB/aBFFBGeosystems2022-7-277*水准测量线路水准测量线路符合水准路线符合水准路线回归水准路线回归水准路线Geosystems2022-7-278*水准测量线路水准测量线路水准支线水准网Geosystems2022-7-279*水准测量的误差来源水准测量的误差来源i角误差iiD1D2dH=i(D2-D1)Ge
3、osystems2022-7-2710*水准测量的误差来源水准测量的误差来源 标尺零点差之差d1d2d0=d2-d1奇数站偶数站d0=d1-d2Geosystems2022-7-2711*水准测量的误差来源水准测量的误差来源 仪器仪器/标尺升沉误差标尺升沉误差 大气折光差大气折光差 测量误差测量误差 标尺倾斜误差标尺倾斜误差 标尺刻划误差标尺刻划误差F24F11B12B23B1Geosystems2022-7-2712*一、数字水准仪产品NA2000（世界第一）1990Sokkia SDL302019Leica DNA03/101994Topcon DL-101/102Trimble DiNi
4、12/DiNi22Geosystems2022-7-2713*二、竞争对手 Trimble DiNi12/DiNi22主要特点主要特点:0.3mm/0.7mm/km PCMCIA 数据存贮数据存贮(DiNi12)或在线数据存贮或在线数据存贮(DiNi22)静态的静态的 30cm电子视场电子视场 补偿器置平精度补偿器置平精度 0.2 /0.5 放大倍率放大倍率 32x/26x主要亮点主要亮点:字母与数字键盘字母与数字键盘 线路平差线路平差 精度精度 0.3 mm 视场视场=30cm缺点缺点:笨大笨大 较小的显示窗较小的显示窗(4x21字符字符)稍有点重稍有点重 较较老式老式 无圆水准器的照明无圆
5、水准器的照明 无标准电池的概念无标准电池的概念 用用Trimble仪器的仪器的PCMCIA卡才能测量卡才能测量Geosystems2022-7-2714*竞争对手-Sokkia SDL30主要特点主要特点:0.6mm/1.0mm/km 内部数据存贮内部数据存贮(2000个点个点)120的电子视场的电子视场 补偿器置平精度补偿器置平精度 0.3 放大倍率放大倍率 32x主要亮点主要亮点:放大倍率放大倍率 测量时间短测量时间短 1.0 mm精度精度 120的视场的视场 价格低价格低缺点缺点:按键少按键少 无字母数字键盘无字母数字键盘 显示少（显示少（4x21个字符个字符)比较大比较大 无圆水准器照
6、明无圆水准器照明 无标准电池概念无标准电池概念 只有内存只有内存/RS232 做一等水准差点做一等水准差点Geosystems2022-7-2715*竞争 对手-Topcon DL 101/102主要特点主要特点:0.4mm/1.0mm/km PCMCIA 卡数据存贮和内部数据存贮卡数据存贮和内部数据存贮 120的电子视场的电子视场 补偿器置平精度补偿器置平精度 0.3/0.5 放大倍率放大倍率 32x/30 x主要亮点主要亮点:字母数字输入字母数字输入 5m 标尺标尺 内存和内存和 PCMCIA卡卡 120的视场角的视场角 缺点缺点:显示窗小显示窗小(2x8字符字符)卡槽位于电池仓后卡槽位于
7、电池仓后 无圆水准器照明无圆水准器照明 无标准电池概念无标准电池概念 内存小内存小(51KB)、PCMCIA(256KB)卡存贮能力小卡存贮能力小Geosystems2022-7-2716*竞争对手-Topcon DL 103主要特点主要特点:1.8mm/km RS232C 接口数据输出接口数据输出 130的电子视场的电子视场 补偿器置平精度补偿器置平精度 5”放大倍率放大倍率 26x 主要亮点主要亮点:较强的防雨功能较强的防雨功能 耗电少耗电少 重量轻重量轻 测量时间短测量时间短(2秒秒)缺点缺点:样子笨样子笨 显示窗小显示窗小(128x32象素象素)应用特色少应用特色少 无圆水准器照明无圆
8、水准器照明 测量距离近测量距离近(2-60m)Geosystems2022-7-2717*三、Leica DNA03/10 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。Geosystems2022-7-2718*Leica DNA03/10 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
9、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。Geosystems2022-7-2719*Leica DNA03/10 的特性和优点3双侧无限位双侧无限位微动螺旋微动螺旋钻石般的圆水准器钻石般的圆水准器(有照明有照明)带有概略瞄准器带有概略瞄准器的固定提把的固定提把低耗能电池低耗能电池字母数字字母数字键盘键盘RS232接口接口PCMCIA 卡卡优秀的光学系统优秀的光学系统可定制的显示屏可定制的显示屏Geosystems2022-7-2720*Leica DNA03/10 的特性和优点4中轴位置中轴位置的测量按钮的测量按钮分离的分离的 DATA 和和 ESC 键键分离的开关键分离的开
10、关键 独立的独立的的定位键的定位键内存内存:6000 测量点或测量点或1650个测站的前后视个测站的前后视杰出的杰出的设计和外型设计和外型宽大的宽大的LC显示屏显示屏可变的数据可变的数据输出格式输出格式Geosystems2022-7-2721*你所要用的你所要用的-应用程序和功能机内即时调用应用程序和功能机内即时调用 应用简单，操作容易应用简单，操作容易 在线作业管理在线作业管理 按当地需求改制显示内容按当地需求改制显示内容 用户可定义数据输出格式用户可定义数据输出格式DNA 系列软件系列软件 概要概要Geosystems2022-7-2722*DNA 系列的外部特性系列的外部特性 显示内容
11、可按层、名称和流程定制显示内容可按层、名称和流程定制 固件是可升级固件是可升级 仪器软件接口上载仪器软件接口上载 通过通过 PCMCIA 卡输出数据卡输出数据Geosystems2022-7-2723*四、数字水准仪工作原理1、相关法（威特NA2000，Leica DNA03/10）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）Geosystems2022-7-2724*1、相关法-仪器光路示意图Leica DNA系列数字水准仪采用相关法线阵CCDGeosystems2022-7-2725*相关法标尺及相关原理（1）徕卡数字水准仪配
12、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。Geosystems2022-7-2726*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
13、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，就可以得到足够精度的读数。Geosystems2022-7-2727*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
14、可以精确算出。Geosystems2022-7-2728*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。Geosystems2022-7-2729*相关法标尺及相关原理（5）移动一个基本
15、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。Geosystems2022-7-2730*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。Geosystems2022-7-2731*
16、相关法电子原理调焦编码器补偿器监视CCD读出电子部件A DACCU500mAh模块信号处理芯片8Bit CPUGate array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（Charge Coupled Device）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6.5 mm，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）。Geosystems2022-7-2732*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
17、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1.8100m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：P=1101000110111110111110001110111010000001001001101Geosystems2022-7-2733*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
18、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：NttPiQiR1+NttPiQiN11Geosystems2022-7-2734*相关法相关示例 模二和的运算规则如下：00=1 01=0 10=0 11=1设t=0,P=110100011011111011111Q=100011011111011111000相关函数序列 R=101000111011011011000由此得相关函数 R
19、0=11101 相关系数 0=1/21=0.05 P=1101000110111110111110001110111Q=100011011111011111000R=110100010111010111001Geosystems2022-7-2735*相关法相关示例设t=1,：P=101000110111110111110 Q =1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 R=110100010111010111001 此相关函数 R1=1293 相关系数 13210.14同理有t=2时 R2=1385 2=5/21=0.24 Geosystems202
20、2-7-2736*相关法相关示例 t=3时 R3=21-0=21 3=1 t=4时 R4=11101 4=0.05 t=5时 R5=10111 5=0.05 t=6时 R6=9123 6=0.14 条码片段的下边界到标尺低端：h=bt=2.0253=6.75(mm)Geosystems2022-7-2737*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（12）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
21、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。niPQhydPiyQiNhd0,*1,Geosystems2022-7-2738*2、几何法光路示意图蔡司采用几何法原理读数。Geosystems2022-7-2739*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
22、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。Geosystems2022-7-2740*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。Geosystems2022-7-2741
23、*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 Geosystems2022-7-2742*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。Geosystems2022-7-2743*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111。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
24、行光电转换；另一路成像在分划板上，供目视观测。Geosystems2022-7-2744*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。其中码条的周期为600mm，码条的周期为570 mm RRBBBAAP10mmGeosystems2022-7-2745*相位法标尺编码在
25、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
26、，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。600mm570mmRA码B码Geosystems2022-7-2746*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。Geosystems2022-7-2747*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（P3
27、0 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 Geosystems2022-7-2748*随机双码索佳数字水准仪 索佳电子水准仪的标尺编码采用RAB码（随机双码）。标尺条码宽度分别为3mm、4mm、7mm、8mm、11mm、12
28、mm，条码之间的中心距离为16mm，采用6进制码和3进制码两种编码形式，并把标尺的相关数码信息预置在仪器的CPU内。1.6m9.0m短视距测量取6进制码的5个以上数码作为计算依据，而9.0m100m长视距测量取3进制码的8个以上数码作计算依据，另外对RAB码标尺的编码信息扫描有两种方式：即短距离测量是采用边缘探测方式 Geosystems2022-7-2749*随机双码索佳数字水准仪六进制码条码宽（mm）16mm三进制码01234781112012345标尺条码宽度分别为标尺条码宽度分别为3 3mmmm、4mm4mm、7mm7mm、8mm8mm、11mm11mm、12mm12mm，条码之间条码
29、之间的中心距离为的中心距离为1616mmmm，采用采用6 6进制码进制码和和3 3进制码两种编码形式，并把标进制码两种编码形式，并把标尺的相关数码信息预置在仪器的尺的相关数码信息预置在仪器的CPUCPU内。内。1.61.6m m9.0m9.0m短视距测量取短视距测量取6 6进制码的进制码的5 5个以上数码作为计算依个以上数码作为计算依据，而据，而9.0m9.0m100m100m长视距测量取长视距测量取3 3进制码的进制码的8 8个以上数码作计算依据，个以上数码作计算依据，另外对另外对RABRAB码标尺的编码信息扫描码标尺的编码信息扫描有两种方式：即短距离测量是采用有两种方式：即短距离测量是采用
30、边缘探测方式边缘探测方式 Geosystems2022-7-2750*随机双码索佳数字水准仪标尺物镜CCDSP16mmHdf=280mm物镜到CCD的焦距为f280mm，标尺条码中心间距为16mm，标尺到物镜的水平距离为Hd，SP是CCD拾取的标尺条码图像的长度（以mm为单位），由几何光学原理可得比例式：16/HdSP/280，经整理得:)m(148.4)m(100028016SPSPHdGeosystems2022-7-2751*随机双码索佳数字水准仪N140N142N141N143N144N145N146N编码序号CCD探测到的条码尺图像分划丝SP1800像素内插数CCD像素序号02131
31、03CCD电平索佳电子水准仪获取视线高读数的过程分为两步，即粗读数和精读数。CCD输出的图像信息是一个对应于标尺条码变化而连续变化的模拟量信号，该信号经过模数转换、高阶傅立叶级数变换、低通滤波和量化等一系列步骤后，可得到该测量信号的脉冲数字编码。将这组编码与存储在仪器中标尺的基准码进行比较，可确认这组编码所对应的标尺条码区域。Geosystems2022-7-2752*随机双码索佳数字水准仪索佳电子水准仪的编码运算与运算结果302019021030213103201903233仪器内存的已知基准码0213103021310302131030213103021310310814012相关码标尺条码序号相关码140141142143144261014145Geosystems2022-7-2753*随机双码索佳数字水准仪 而分划板横丝与序号为143的编码中心线之差的读数由精读数过程来完成。该差值被CCD相对于分划板横丝约900个像素探测到，经CPU的内插计算可以得出该差值为n个线性单位，由于标尺条码之间的中心距离为16mm，所以很容易算出视线高。这样，经过粗读数和精读数两个过程，求得了唯一的视线高的精确读数。Geosystems2022-7-2754*谢谢！谢谢！上海中振测量技术工程有限公司杜培毅
