电子水准仪技术方案研究

　　1　引　言

　　现在尽管有了三角高程测量和GPS高程测量等一些快速确定高程的手段和技术,但是,它们的精度较低,只能达到三、四等水准测量的精度。对于建立国家高精度的大地控制网或用于高精度高程测量领域,如地壳形变监测、各种高精度的工业测量,大型工程设备的安装等,几何水准测量仍是不可取代的一种测量手段。电子水准仪的出现,继承了几何水准测量精度高的优点,弥补了作业效率低下的不足,可大幅度提高工作效率,降低生产成本,保证测量精度,具有显著的社会经济效益。电子水准仪在国内目前还处在实验室阶段,离产品化还有一定的距离。在研究已有的众多国外电子水准仪产品的基础上,特提出自己的具体技术方案,希望对加快该产品国产化的进度有所贡献。

　　2　技术方案

　　2.1　概述[3,4]

　　电子水准仪又称数字水准仪,定位在中精度和高精度水准测量范围。它是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。其基本结构由光学机械部分、自动安平补偿装置和电子设备组成。其光学、机械和补偿器结构与自动安平水准仪大致相同;其电子设备主要包括: CCD(或CMOS)相机、微处理器、存储器、数字I/O等集为一体,使用嵌入式软件,运用CCD(或CMOS)、图像信息处理等先进技术,能够独立完成信息采集、数据处理等,快速实现高差、距离测量等任务;该方案还可以同时做到仪器对条码标尺的通用性,这一点是现有产品还没达到的。

　　2.2　电子水准仪的基本原理[5,6]

　　目前国外的电子水准仪基本都采用条码标尺(具有一定编码规律的条码,供电子读数用),而各厂家标尺编码的条码图案不相同,不能互换。其照准标尺和调焦需人工目视进行。完成照准和调焦之后,标尺条码分别成像在望远镜分化板上和光电传感器(线阵CCD或CMOS)上,供电子读数(见图1)。当前的电子读数方法有:(1)相关法;(2)几何法;(3)相位法。

　　2.3　技术核心

　　现采用了目前具有最高运算速度及性能的DSP处理器的嵌入式软硬件解决方案。将CCD/CMOS技术、图像信息处理技术、数字信号处理DSP(digital signal processor)技术、嵌入式软件技术有机地整合在一体,从而构成了系统的技术核心。

　　3　读数原理[7,8]

　　目前各电子水准仪的读数方法中,其标尺都是采用有规律的条码分划来代替传统水准标尺分划。其测量原理是将水准标尺上宽度不同的条码通过望远镜成像到CCD(或CMOS)上。CCD(或CMOS)将黑白(或其他不同颜色)相间的条码图像采集下来,并对其进行数字转换。再经过仪器对其进行数字图像处理,便可获得条码标尺上的读数。