各类数字水准尺条码尺原理介绍.PPT

土木八班 20110101434 杜昊桐 随着CCD传感器以及微处理技术迅猛发展，高精度水准测量自动化已经成为现实。十余年来，数字水准仪在中、高精度水准测量方面已获得了长足的发展，其测量精度已达到0.3一0.5 mm/km。 目前占据数字水准仪市场的主要是： 瑞士 Leica公司 德国Zeiss公司 日本Sokkia公司 日本Topcon公司 世界第一台数字水准仪创造者——徕卡全新推出的第二代数字水准仪！亲切的中文字体、时尚的外观设计、符合人类工程学的合理搭配、市场上最大的LC显示屏，这一切都成为让人们投注无限热情的理由。当然还包括：先进的电子技术，优秀的光学机械系统、自如地揉合了TPS700全站仪的菜单设计概念。徕卡的前沿科技给测量引入了新的行业标准。 日本Sokkia、Topcon 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像处理软件等组成，如图所示 标尺编码规则和自动读数原理 编码规则 目前4种数字水准仪都采用的是条码标尺，即用不同宽度的条码组合来表征标尺面的不同高度位置，但是其设计方法却不尽相同 Leica数字水准仪 Leica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，在全长3m标尺上分布有近1 500个宽度为2.025 mm的码元。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 Topcon数字水准尺 Topcon数字水准尺上有3种不同条码。一种是参考码R码，它为3道等宽的黑色码条，以中间条码的中心线为基准，每隔3 cm就有1组R码。信息码A和B分别位于R码的两边，上边10 mm处为A码，下边10 mm处为B码。A码和B码的码条宽度按正弦规律从2 mm到10 mm改变，其信号波长分别为330 mm和300 mm，在标尺底端条码的起始处，这2个正弦信号有一个士7r /2的相位差，但是在标尺的不同部位相位差不同。上述3种条码相互嵌套在一起。对3组条码进行快速傅里叶变换后，可以获得在标尺某一部位的相位差 Zeiss数字水准标尺 Zeiss数字水准标尺采用的是双相位码。标尺上每20 mm为一个测量单元间距，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30 cm的视场宽度内可以至少检测到巧个黑白过渡值。 Sokkia的编码标尺 Sokkia的编码标尺采用的是随机双向码(RA码)。每6个码组成一个宽度变化的间隔，其中每个码元的宽度和16 mm的基码宽度存在某种对应关系这种对应关系为1 =4: 12,2=6: 10,3=8:8,4=10:65=12:4。通过这种对应关系，每个码的码词便能被判读出来。图2是这几种数字水准仪的条码图案。 数字水准测量系统自动读数的原理 在数字水准测量系统中，当望远镜把标尺成像在其十字丝分划面上时，一组由光敏二极管组成的探测器阵列把条码图像转换成具有256位灰度值的模拟视频信号，对其整形放大和数字化后，形成的测量信号与仪器内存的标准信号进行比较，就可以实现自动读数，如图 Leica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CCD传感器转换成测量信号后，与水准仪内存的参考信号做2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的大小。在一个高度为0一3m，距离为1.8一60 m的测量范围内，高度或距离上毫米级的微小变化都将导致微处理器做几万次的相关系数计算。为减少次数，提高测量速度，读数过程被分为3步。 第1步首先通过调焦透镜的位置算出一个粗略的视距; 第2步是作粗相关，即根据精度要求在第1步所确定的大致距离的基础上以一定的步距改变仪器内存参考信号的宽窄与测量信号进行比较来探求近似值 最后一步是在粗相关结果的基础上进行精相关，找到其最佳相关位置，高精度地确定标尺条码相对于行阵探测器的位置以及标尺条码的比例，最终高精度地获取视距和高度的值 Topcon水准仪读数时采用相位法 Topcon水准仪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CCD转换成相应电信号，再通过快速傅里叶变换(FFT)就可以获得频率和相位差，进而确定视距和高度。 Zeiss的水准仪采用几何位置法 它在1.5一100 m范围内用一个仅为30 cm的最