电子水准仪测量原理

以TrimbleDiNi03电子水准仪为例

美国天宝公司生产的天宝DiNi03电子水准仪是目前世界上高精度的电子水准仪之一，其各项参数和指标都明显优于其他电子水准仪。在工程测量、沉降观测、高精度水准网观测、地形变观测中，TrimbleDiNi03电子水准仪都能提供高精度的观测结果和可靠的数据。

TrimbleDiNi03电子水准仪相关的精度指标

见表1。

工作原理

电子水准仪具有与自动安平水准仪相同的光学机械结构，如图1所示。在电子水准仪光路中，具有标准刻度光敏元件CCD探测器(参观信号)，固定于望远镜焦平面上，这时标心上的条码分划经过仪器物镜、调焦透镜组、分光镜，并通过分光镜的作用，条码影像的一束光成像于分划板上，便于目镜肉眼观测。因此，电子水准仪又可以当做一般自动安平水准仪使用，而条码分划影响的另一束光成像于CCD探测器上。在CCD探测器上得到标尺条码分划影像(测量信号)与CCD探测器内存的标准码(参考信号)按照相关方法进行比对。比对十字丝中央位置周围的测量信号，使之移植直到2个信号的最佳附合，通过电子CPU运算处理后，得到望远镜十字丝在标尺上的视高数值。

数字水准仪水准标尺采用条形码分划,代替人们眼睛读数的是光电二极管阵列(CCD探测器)。在水准测量中,仪器完成照准调焦之后,条形码的象通过一个分光器,将光线分为两束,一束转射到传感器光电二极管阵列上,供电子读数,另一束转射到观测望远镜的分划板上,供目视观测。

目前标尺条码信号的分析和处理采用的方法(也就是自动电子读数方法)有相关法、几何法和相位法三种,三种方法在原理上有较大差别,天宝公司的数字水准仪均采用的是相关法,将储存在仪器内的基准码与传感器阵列的图象信号进行比较,仪器和标尺之间的高差即是标尺条形码象的位移量和因仪器、标尺间距离而产生的条形码象的大小的二维相关函数。二维相关是在标尺条形码影像上先确定一个待定点,称之为目标点,以此待定点为中心选取m*n个像素的灰度阵列作为目标区,为了在储存在仪器内的基准码影像中搜索同名影像,必须估计出该同名影像可能存在的范围,建立一个k*l个像素的灰度阵列作为搜索区,相关的过程就是依次在搜索区中取出m*n个像素灰度阵列,计算其与目标区的相似测度ρij,将仪器的调焦透镜位置参数作为相关搜索的初始值,当ρ取最大时,认为是最佳相关,该搜索窗口的条形码影像被认为是同名影像,这时标尺读数就可以确定(如图所示)。