電子水準(zhǔn)儀測量原理

以TrimbleDiNi03電子水準(zhǔn)儀為例

美國天寶公司生產(chǎn)的天寶DiNi03電子水準(zhǔn)儀是目前世界上高精度的電子水準(zhǔn)儀之一，其各項參數(shù)和指標(biāo)都明顯優(yōu)于其他電子水準(zhǔn)儀。在工程測量、沉降觀測、高精度水準(zhǔn)網(wǎng)觀測、地形變觀測中，TrimbleDiNi03電子水準(zhǔn)儀都能提供高精度的觀測結(jié)果和可靠的數(shù)據(jù)。

TrimbleDiNi03電子水準(zhǔn)儀相關(guān)的精度指標(biāo)

見表1。

工作原理

電子水準(zhǔn)儀具有與自動安平水準(zhǔn)儀相同的光學(xué)機械結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在電子水準(zhǔn)儀光路中，具有標(biāo)準(zhǔn)刻度光敏元件CCD探測器(參觀信號)，固定于望遠鏡焦平面上，這時標(biāo)心上的條碼分劃經(jīng)過儀器物鏡、調(diào)焦透鏡組、分光鏡，并通過分光鏡的作用，條碼影像的一束光成像于分劃板上，便于目鏡肉眼觀測。因此，電子水準(zhǔn)儀又可以當(dāng)做一般自動安平水準(zhǔn)儀使用，而條碼分劃影響的另一束光成像于CCD探測器上。在CCD探測器上得到標(biāo)尺條碼分劃影像(測量信號)與CCD探測器內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)碼(參考信號)按照相關(guān)方法進行比對。比對十字絲中央位置周圍的測量信號，使之移植直到2個信號的最佳附合，通過電子CPU運算處理后，得到望遠鏡十字絲在標(biāo)尺上的視高數(shù)值。

數(shù)字水準(zhǔn)儀水準(zhǔn)標(biāo)尺采用條形碼分劃,代替人們眼睛讀數(shù)的是光電二極管陣列(CCD探測器)。在水準(zhǔn)測量中,儀器完成照準(zhǔn)調(diào)焦之后,條形碼的象通過一個分光器,將光線分為兩束,一束轉(zhuǎn)射到傳感器光電二極管陣列上,供電子讀數(shù),另一束轉(zhuǎn)射到觀測望遠鏡的分劃板上,供目視觀測。

目前標(biāo)尺條碼信號的分析和處理采用的方法(也就是自動電子讀數(shù)方法)有相關(guān)法、幾何法和相位法三種,三種方法在原理上有較大差別,天寶公司的數(shù)字水準(zhǔn)儀均采用的是相關(guān)法,將儲存在儀器內(nèi)的基準(zhǔn)碼與傳感器陣列的圖象信號進行比較,儀器和標(biāo)尺之間的高差即是標(biāo)尺條形碼象的位移量和因儀器、標(biāo)尺間距離而產(chǎn)生的條形碼象的大小的二維相關(guān)函數(shù)。二維相關(guān)是在標(biāo)尺條形碼影像上先確定一個待定點,稱之為目標(biāo)點,以此待定點為中心選取m*n個像素的灰度陣列作為目標(biāo)區(qū),為了在儲存在儀器內(nèi)的基準(zhǔn)碼影像中搜索同名影像,必須估計出該同名影像可能存在的范圍,建立一個k*l個像素的灰度陣列作為搜索區(qū),相關(guān)的過程就是依次在搜索區(qū)中取出m*n個像素灰度陣列,計算其與目標(biāo)區(qū)的相似測度ρij,將儀器的調(diào)焦透鏡位置參數(shù)作為相關(guān)搜索的初始值,當(dāng)ρ取最大時,認為是最佳相關(guān),該搜索窗口的條形碼影像被認為是同名影像,這時標(biāo)尺讀數(shù)就可以確定(如圖所示)。