電子水準儀測量原理

以TrimbleDiNi03電子水準儀為例

美國天寶公司生產的天寶DiNi03電子水準儀是目前世界上高精度的電子水準儀之一，其各項參數和指標都明顯優于其他電子水準儀。在工程測量、沉降觀測、高精度水準網觀測、地形變觀測中，TrimbleDiNi03電子水準儀都能提供高精度的觀測結果和可靠的數據。

TrimbleDiNi03電子水準儀相關的精度指標

見表1。

工作原理

電子水準儀具有與自動安平水準儀相同的光學機械結構，如圖1所示。在電子水準儀光路中，具有標準刻度光敏元件CCD探測器(參觀信號)，固定于望遠鏡焦平面上，這時標心上的條碼分劃經過儀器物鏡、調焦透鏡組、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，電子水準儀又可以當做一般自動安平水準儀使用，而條碼分劃影響的另一束光成像于CCD探測器上。在CCD探測器上得到標尺條碼分劃影像(測量信號)與CCD探測器內存的標準碼(參考信號)按照相關方法進行比對。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尺上的視高數值。

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

目前標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方法)有相關法、幾何法和相位法三種,三種方法在原理上有較大差別,天寶公司的數字水準儀均采用的是相關法,將儲存在儀器內的基準碼與傳感器陣列的圖象信號進行比較,儀器和標尺之間的高差即是標尺條形碼象的位移量和因儀器、標尺間距離而產生的條形碼象的大小的二維相關函數。二維相關是在標尺條形碼影像上先確定一個待定點,稱之為目標點,以此待定點為中心選取m*n個像素的灰度陣列作為目標區,為了在儲存在儀器內的基準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,相關的過程就是依次在搜索區中取出m*n個像素灰度陣列,計算其與目標區的相似測度ρij,將儀器的調焦透鏡位置參數作為相關搜索的初始值,當ρ取最大時,認為是最佳相關,該搜索窗口的條形碼影像被認為是同名影像,這時標尺讀數就可以確定(如圖所示)。