万方数据２００４年第１０期测绘通报文章编号：０４９４－０９１１（２００４）１０－００５７－０３中图分类号：Ｐ２４２文献标识码：Ｂ几种数字水准仪标尺的编码规则和读数原理比较肖进丽， 李松，胡克伟（武汉大学电子信息学院， 湖北武汉４３００７９）Ａｎａｌｙｓｉｓ Ａｎｄ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｓｅｖｅｒａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｅｖｅｌｓｉ ｎ Ｃｏｄｉｎｇ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅａｄｉｎｇ ＰｒｉｎｃｉｐｌｅＸＩ ＡＯ Ｊｉｎ－Ｉｉ， ＬＩ Ｓｏｎｇ， ＨＵ Ｋｅ－ｗｅｉ摘要：介绍数字水准仪的系统组成，在研究常见的数字水准仪标尺的编码规则和自动读数原理的基础上，从测量精度的角度出发，对其优劣进行分析和比较。关健词：数字水准仪；编码标尺；编码规则泊动读数原理 随着ＣＣＤ传感器以及微处理技术迅猛发展，高照明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公司以及日本Ｔｏｐｃｏｎ和Ｓｏｋｋｉａ公司生产的几种型号的产品。国内各大厂家虽然也在积极进行数字水准仪方面的研究工作，但是，由于数字水准仪本身是一种集光学、微电子技术、计算机图像处理技术等于一体的高科技产品，与数字水准仪配套的数字编码水准尺也是一种高精度的水准标尺，其编码规则、刻划工艺、读数原理等一些关键性的技术图１数字水准仪测量系统组成原理图［２）难点没有解决，所以目前国内还没有相关产品上市。数字编码水准尺是高精度水准测量系统的重要组成 虽然各厂家生产的数字水准仪采用的结构不完部分，其编码规则和读数方法对水准测量系统的测全相同，但是其基本工作原理相似，即标尺上的条码量精度起着重要的作用。因此，分析和比较国外不图案经过光反射，一部分光束直接成像在望远镜分同厂家水准测量系统中使用的标尺的编码原则、自划板上，供目视观测，另一部分光束通过分光镜被转动读数原理，都将有助于我国自主研发国产数字水折到线阵ＣＣＤ传感器的像平面上，经光电转换、整形准仪的工作进程。后再经过模数转换，输出的数字信号被送到微处理器本文将首先介绍目前市场上已有的４种型号的 进行处理和存储，并将其与仪器内存的标准码（参考数字水准仪标尺的编码规则、自动读数原理，再从提信号）按一定方式进行比较，即可获得高度读数［３１０高测量精度的角度出发，对他们所采用的编码和读数方式的优劣进行分析和比较。二、 标尺编码规则和自动读数原理一、 数字水准测量系统的组成及工作原理１．编码规则闭 目前４种数字水准仪都采用的是条码标尺，即 一个数字水准仪测量系统主要是由编码标尺、用不同宽度的条码组合来表征标尺面的不同高度位光学望远镜、补偿器、ＣＣＤ传感器以及微处理控制置，但是其设计方法却不尽相同。器和相关的图像处理软件等组成，如图１所示。Ｌｅ ｉｃａ数字水准仪的标尺条码采用的是一种非周收稿日期：２００３－１２－０５作者简介：肖进丽（１９７６－），女，湖北天门人，硕士生，主要研究方向为光学信息处理及光电信息系统的研究与设计。万方数据测绘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ｈ［ｉ７ｏＴｏ ｐｃｏｎ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。Ｚｅ ｉｓｓ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。Ｓｏｋｋｉ ａ的编码标尺采用的是随机双向码（ＲＡＢ其中每个６ 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＝１０：６，２：４。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。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ｌｅｉ ｃａＲ Ａ Ｂ｝｝旧１１１１＂１１１｝｝１！日｝川１１１１１＇１｝旧．１１１１１１１１１１高度／ｍｍＩ丁飞厂曰几ｊ一Ｉ １１１１１｝１１．ＩＩＩ．Ｉ，Ｌ一一。Ｚｅｉ ｓｓＩ．…Ｊｉｌｌ．习！，，，｝，，１１，！１‘ＩＩＩ…｝￣ｉｏｌ二进制３ ３ ｚ：｝９是罗ｉ ４ ４ 是０ ２ ４多丧罗夭乡」 ３ ２一十进制Ｓｏｋｋｉ ａ图２几种数字水准仪的条码图案通报２００４年第１０期２．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３所示。目标图像预处标理及终处高度和视尺理距读数图３数字水准仪自动读数原理 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〔５１；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［６］０Ｔｏ ｐｃｏｎ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。Ｚｅ ｉｓｓ的水准仪采用几何位置法进行读数１１１，它在１．５一１００ ｍ范围内用一个仅为３０ ｃｍ的最小视场就足以确定高程和视距的大小。标尺上的码元只被用来作粗测，精测则是通过探测码元间边界的明暗过渡来进行的。Ｓｏｋｋｉａ采用的读数方法和Ｚｅｉｓｓ很相似，它用最小为８ ｃｍ的视场间隔来进行测量。需要说明的事，尽管各厂家的编码尺具有不同的编码规则和读数方法，但编码标尺全是由同一厂家，即码）。每６个码组成一个宽度变化的间隔，码元的宽度和１５＝１万方数据２００４年第１０期测绘德国的Ｚｅｉｓｓ公司生产的。这也是目前世界上惟一能够生产数字编码水准标尺的厂家。三、分析与比较 测量精度是评价一种数字水准仪性能优劣的极为重要的指标。数字水准仪的测量精度不仅与仪器本身、外界干扰因素有关，并且还与标尺采用的编码规则以及读数方法有关。下述将就这几种型号的数字水准尺在编码规则和读数方法两方面的差异对测量精度的影响进行比较。对于一个标尺长为３ ｍ的数字水准仪，要使其在近１００ ｍ的测量范围内进行很精确的读数，其测量所使用的码必须具备以下几个条件〔７１ １．码元的宽度必须足够窄。这是因为测量精度取决于所使用的码元的宽度，宽度越小，测量精度越高；２．测量所用码的自相关特性为８函数， 且互相关函数为零；３．为了提高测量的效率， 测量所用码中０和１出现的次数大致相等。Ｌｅ ｉｃａ的数字水准尺采用的是伪随机码。伪随机码是指一种预先确定，并可重复实现的具有某种随机特性的码，它虽然仅有２个电平，却具有类似白噪声的相关特性，只是幅度概率分布不再服从高斯分布。它具有功率谱密度在很宽的频带内是均匀的、自相关特性为ｓ函数以及互相关函数为零等优点，显然具备了上述３个条件，很适合在数字水准仪中使用。 Ｚｅｉｓｓ的数字水准尺使用的是双相位码，这种码对每个二进制代码分别用２个具有２个不同相位的二进制新码去取代。编码规则之一是：０－卜 ０１（零相位的１个周期的方波）１ －１０（ｒ７相位的１个周期的方波） 它的特点是：①码元具有内在检错能力；②码元间的相关性低，误码增殖系数小；③编码简单。所以，在数字水准仪中采用双相位码也能提高测量精度，但是从这２种码自身的特点来看伪随机码更适合作测量码使用，因而仅从编码规则来讲，Ｌｅｉｃａ所用的编码规则较Ｚｅｉｓｓ的更为理想。数字水准仪在进行自动判读时， 通过观测信号和参考信号的全截段对比，对条码图案的影像所有通报分化取平均值来消除分化误差，从而提高了精度。所以数字水准仪的测量精度要较传统光学水准仪的高［”〕。为了提高测量精度，Ｚｅｉｓｓ ＤＩＮＩ１２取１５个测量距离（３０ ｃｍ）来进行平均计算，Ｌｅｉｃａ则是取约４个码来进行平均，而Ｓｏｋｋｉａ的视线间隔为８ ｃｍ，它的基准码元的宽度为１６ ｍｍ，所以最大只能取５个码来平均。设“为第ｉ个码或测量间距，其宽度为ｐ，Ｂ‘为它在ＣＣＤ上所成的像且到中丝的距离为ｂｉｔ，取ｎ个‘进行平均计算，则其物像比为Ａ二ｎｐ／（ ｂ。一ｂｏ）。由此可见，在一定的程度上，一个数字水准仪在进行自动读数时，参与平均计算的码元或测量间隔越多，则它的分化误差越小，测量精度越高。因而，利用几何测量法进行自动读数较其他几种读数方式测量精度要高。四、结论 数字水准仪是一种新型的水准仪，已被广泛应用于高等级的水准测量中。在国外，它已开始被用于几何水平测量，利用带自动对焦的电动水准仪可以同时对几个目标进行长期的自动观测。此外，在垂直测量、跟踪大型设备变形等领域的应用也正在开发之中。可以预见，数字水准仪的应用将会有广阔的发展前景。参考文献：［１」 ＩＮＧＥＮＳＡＮＤ Ｈ． Ｔｈｅ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ ＬｅｖｅｌｌｉｎｇＴｅｃｈｉｑｕｅｓ－Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ［ＥＢ／０Ｌ〕． ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ． ｄｄｇ． ｏｒｇ／．［２〕ＷＯＳＣＨＩＴＺ Ｈ， ＢＲＵＮＮＥＲ Ｆ Ｋ． Ｓｙｓｔｅｍ Ｃａｉｌｂｒａｔｉｏｎ ｏｆＤｉｇｉｔａｌ Ｌｅｖｅｌｓ－Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ Ｅｆｆｅｃｔｓ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ： ／／ｗ ｗ ｗ ． ｃｉｓ． ｔｕｇｒａｚ． ａｔ／．ｒｅｓ，ｅｓ飞Ｌ）．．Ｊ杨振涛，张正禄，杨蜀江．电子水准仪ＤＩＮＩ２０和ＤＬ１０２试验与精度分析【Ｊｌ．测绘工程，１９９７，（４）．Ｌｅｓｅｓ４ｌｅｓＬｅｓＪ范会敏，李晋惠．数字水准仪的测量算法概述【Ｊ」．西安工业学院学报，２００２，（４）．ＬｅｓｅｓＪｌｊ门ｅｓｅｓＪ郭金运，徐洋林，曲国庆．数字水准仪的性能比较与分析【Ｊｌ．测绘通报，２００２，（３）．ｒ，Ｉ．Ｌ了ｂ．Ｊ薄志鹏，刘国辉，王．数字水准仪述评〔Ｊ」．测绘通报，１９９６，（２）．Ｌ气ｅｓｅｓｅｓ，ｅｓＬ矛Ｊ樊昌信，詹道庸，徐炳祥，等．通信原理【Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９５．
