數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19一、數(shù)字水準儀產(chǎn)品NA2000（世界第一）1990SokkiaSDL302002LeicaDNA03/101994TopconDL-101/102TrimbleDiNi12/DiNi22TopconDL-103數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19二、競爭對手–TrimbleDiNi12/DiNi22

主要特點:

0.3mm/0.7mm/km

PCMCIA數(shù)據(jù)存貯(DiNi12)

或在線數(shù)據(jù)存貯(DiNi22)

靜態(tài)的30cm電子視場

補償器置平精度0.2?

/0.5?

放大倍率32x/26x主要賣點:

字母與數(shù)字鍵盤

線路平差

精度0.3mm

視場=30cm缺點:

笨大

較小的顯示窗(4x21字符)

稍有點重

較老式

無圓水準器的照明

無標準電池的概念

用 Trimble儀器的PCMCIA卡才能測量數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19競爭對手-SokkiaSDL30

主要特點:

0.8mm/1.0mm/km

內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯(2000個點)

1°20’的電子視場

補償器置平精度0.3?

放大倍率32x主要賣點:

放大倍率

測量時間短

1.0mm精度

1°20’的視場

價格低缺點:

按鍵少

無字母數(shù)字鍵盤

顯示少（4x21個字符)

比較大

無圓水準器照明

無標準電池概念

只有內(nèi)存/RS232數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19競爭對手-TopconDL–101/102主要特點:

0.4mm/1.0mm/km

PCMCIA卡數(shù)據(jù)存貯和內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯

1°20’的電子視場

補償器置平精度0.3?

/0.5?

放大倍率32x/30x主要賣點:

字母數(shù)字輸入

5m標尺

內(nèi)存和PCMCIA卡

1°20’的視場角缺點:

顯示窗小(2x8字符)

卡槽位于電池倉后

無圓水準器照明

無標準電池概念

內(nèi)存小(51KB)、PCMCIA(

256KB)

卡存貯能力小

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19競爭對手-TopconDL–103主要特點:

1.8mm/km

RS232C接口數(shù)據(jù)輸出

1°30’的電子視場

補償器置平精度5”

放大倍率26x主要賣點:

較強的防雨功能

耗電少

重量輕

測量時間短(2秒)缺點:

樣子笨

顯示窗小(128x32象素)

應(yīng)用特色少

無圓水準器照明

測量距離近(2-60m)數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19競爭對手–Internet查詢更多的信息:www.Twww.TOPCON.comwww.SOKKIA.com數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19三、LeicaDNA03/10的特性和優(yōu)點1重量輕.直觀好用的字母數(shù)字鍵盤(TPS700概念)。大存貯容量.閃存.PCMCIA卡槽.RS232接口. 易提，易搬。縮短了學習時間.快速、容易、方便的數(shù)據(jù)存貯，無電纜，可處理大的任務(wù)。長期保存數(shù)據(jù)不用電。

易進行野外與辦公室的數(shù)據(jù)傳輸?？稍黾油獠繑?shù)據(jù)采集器。特性優(yōu)點數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19LeicaDNA03/10的特性和優(yōu)點28行24字符的大屏幕顯示機載程序功能用戶鍵。

程序鍵。

顯示屏液晶加熱易讀數(shù)。減少了外部計算?？焖龠M入用戶自定義的操作，在線程序和編碼功能。可在寒冷條件下繼續(xù)工作。特性優(yōu)點數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19LeicaDNA03/10的特性和優(yōu)點3雙側(cè)無限位微動螺旋鉆石般的圓水準器(有照明)帶有概略瞄準器的固定提把低耗能電池字母數(shù)字鍵盤RS232接口PCMCIA卡優(yōu)秀的光學系統(tǒng)可定制的顯示屏數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19LeicaDNA03/10的特性和優(yōu)點4中軸位置的測量按鈕分離的DATA

和ESC鍵分離的開關(guān)鍵獨立的的定位鍵內(nèi)存:

6000測量點或

1650個測站的前后視杰出的設(shè)計和外型寬大的

LC顯示屏可變的數(shù)據(jù)輸出格式數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19‘你所要用的’-應(yīng)用程序和功能機內(nèi)即時調(diào)用應(yīng)用簡單，操作容易在線作業(yè)管理按當?shù)匦枨蟾闹骑@示內(nèi)容用戶可定義數(shù)據(jù)輸出格式DNA系列軟件–概要數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19DNA系列的外部特性顯示內(nèi)容可按層、名稱和流程定制固件是可升級儀器軟件接口上載通過PCMCIA卡輸出數(shù)據(jù)數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19四、數(shù)字水準儀工作原理1、相關(guān)法（威特NA2000，LeicaNA03/10）2、幾何法（蔡司DINI10/20）3、相位法(拓普康DL101C/102C)數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19

1、相關(guān)法-儀器光路示意圖LeicaDNA系列數(shù)字水準儀采用相關(guān)法數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相關(guān)法—標尺及相關(guān)原理（1）徠卡數(shù)字水準儀配套的水準標尺為偽隨機條碼，該條碼圖象已被存儲在數(shù)字水準儀中作為參考信號。在條碼標尺上，最窄的條碼寬為2.025mm（黑的、黃的或白的），稱為基本碼寬。在標尺上共有2000個基本碼(指4.05m的標尺)，不同數(shù)量的同顏色的基本碼相連在一起，就構(gòu)成了寬窄不同的碼條。

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相關(guān)法—標尺及相關(guān)原理（2）測量信號與參考信號進行比較，

這就是相關(guān)過程,稱為相關(guān)。例如先與標尺底部對齊，發(fā)現(xiàn)不相同，然后往上移動一個步距（基本碼寬），再比較，直到兩碼相同為止，或說兩信號相同為止，也就是最佳相關(guān)位置時，

讀數(shù)就可以確定。如圖中的０.116ｍ。移動一個基本碼寬來進行比較的精度是不夠的，但是可以作為粗相關(guān)過程，得到粗讀數(shù)。再在粗讀數(shù)上下選取一定范圍，減少步距，進行精相關(guān)，就可以得到精度足夠的讀數(shù)。

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相關(guān)法—標尺及相關(guān)原理（3）由于標尺到儀器的距離不同，條碼在探測器上成像的“寬窄”也將不同，測量信號片段條碼的“寬窄”會變化，引起相關(guān)困難。徠卡數(shù)字水準儀采用二維相關(guān)法，以一定步距改變儀器內(nèi)部參考信號的“寬窄”與CCD采集到的測量信號相比較，如果沒有相同的兩信號，則再改變，再進行一維相關(guān)，直到信號相同為止。參考信號的“寬窄”與視距是對應(yīng)的?！皩捳毕嗤膬尚盘栂啾容^是求視線高的過程，在此二維相關(guān)中，一維是視距，另一維是視線高，二維相關(guān)之后視距就可以精確算出。

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相關(guān)法—標尺及相關(guān)原理（4）由于標尺到儀器的距離不同，條碼在探測器上成像的“寬窄”也將不同，測量信號片段條碼的“寬窄”會變化，引起相關(guān)困難。徠卡數(shù)字水準儀采用二維相關(guān)法，以一定步距改變儀器內(nèi)部參考信號的“寬窄”與CCD采集到的測量信號相比較，如果沒有相同的兩信號，則再改變，再進行一維相關(guān)，直到信號相同為止。參考信號的“寬窄”與視距是對應(yīng)的。“寬窄”相同的兩信號相比較是求視線高的過程，在此二維相關(guān)中，一維是視距，另一維是視線高，二維相關(guān)之后視距就可以精確算出。

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相關(guān)法—標尺及相關(guān)原理（5）移動一個基本碼寬來進行比較的精度是不夠的，但是可以作為粗相關(guān)過程，得到粗讀數(shù)。再在粗讀數(shù)上下選取一定范圍，減少步距，進行精相關(guān)，就可以得到精度足夠的讀數(shù)。

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相關(guān)法—調(diào)焦移動傳感器可以想象從原始參考信號一步一步縮放比較的相關(guān)的計算量會很大，使讀數(shù)時間過長。為了縮短讀數(shù)時間，徠卡數(shù)字水準儀內(nèi)部設(shè)計有調(diào)焦移動量傳感器采集調(diào)焦鏡的移動量，由此可以反算出概略視距，初步可以確定物像比例。對儀器內(nèi)部的參考信號的“寬窄”進行縮放，使其接近探測器采集到的測量信號的“寬窄”，然后再進行二維相關(guān)。這樣可以減少８０％的相關(guān)計算量．使讀數(shù)時間縮短到４秒以內(nèi)。

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相關(guān)法—電子原理調(diào)焦編碼器補償器監(jiān)視CCD讀出電子部件ADACCU500mAh模塊信號處理芯片8BitCPUGatearray門陣列鍵盤顯示屏GSI接口機外電源機外接口鍵盤和測量按鈕調(diào)焦透鏡位置條碼影像視頻信號CCD（ChargeCoupledDevice）是由按照一定規(guī)律排列的ＭＯＳ（金屬一氧化物一半導體）電容器陣列組成的移位寄存器，線陣ＣＣＤ長約6.5mm，由中心距為２５μm的２５６個光敏二極管組成．其光敏窗口寬度為２５μｍ。一個光敏窗口也稱一個象素（或象元）。數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相關(guān)法—偽隨機碼簡介

偽隨機碼屬于二進制碼，它的結(jié)構(gòu)可以預先確定，并且可以重復產(chǎn)生和復制，另一方面它還具有隨機特性，即統(tǒng)計特性。GPS中的載波就是用這種偽隨機碼調(diào)制的。該碼由線性移位寄存器產(chǎn)生。這種碼用在數(shù)字水準儀中具有可以在1.8—100m距離內(nèi)使用相關(guān)法的特點。

標尺上的白碼條或黃碼條在CCD器件上產(chǎn)生光電流，在電路上為高電平，我們用二進制的“1”表示，相反黑碼條用“0”表示。從條碼標尺上測量得到的徠卡儀器的參考碼序列為：

{P}=1101000110111110111110001110111…010000001001001101數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相關(guān)法—相關(guān)函數(shù)假定望遠鏡從條碼標尺上截取的條碼片段經(jīng)電子部件處理后得到的測量碼序列為：

{Q}=100011011111011111000則相關(guān)函數(shù)表示為：

式中：N為測量碼序列中碼元的個數(shù)；

i=1,2,…,N為測量碼序列中碼元的序號;

表示模二和運算。

t=0,1,.2,…,M-N-1，是移位相關(guān)的次數(shù)，而步距為一個碼元

M為參考碼元的個數(shù)；

表示兩序列中相同元素的個數(shù)和減去不同元素的個數(shù)和。相關(guān)系數(shù)表示為：

+數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相關(guān)法—相關(guān)示例

模二和的運算規(guī)則如下：

0⊕0=1

0⊕1=0

1⊕0=0

1⊕1=1

設(shè)t=0,

{P}=110100011011111011111

{Q}=100011011111011111000

相關(guān)函數(shù)序列{R}=101000111011011011000

由此得相關(guān)函數(shù)R0=11－10＝1

相關(guān)系數(shù)

ρ0=1/21=0.05

P=1101000110111110111110001110111…Q=100011011111011111000R=110100010111010111001數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相關(guān)法—相關(guān)示例設(shè)t=1,：{P}=101000110111110111110{Q}=100011011111011111000

{R}=110100010111010111001

此相關(guān)函數(shù)R1=12－9＝3

相關(guān)系數(shù)ρ1＝3／21＝0.14同理有t=2時R2=13－8＝5ρ2=5/21=0.24

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相關(guān)法—相關(guān)示例t=3時R3=21-0=21ρ3=1

t=4時R4=11－10＝1ρ4=0.05

t=5時R5=10－11＝－1ρ5=－0.05

t=6時R6=9－12＝－3ρ6=－0.14

條碼片段的下邊界到標尺低端：h=b×t=2.025×3=6.75(mm)

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相關(guān)法——二維相關(guān)

徠卡數(shù)字水準儀的數(shù)值處理以相關(guān)原理為基礎(chǔ)。這就是將儀器“巳知的”代碼，即式（1－2）所示的二進制碼同行陣傳感器上標尺條碼成像經(jīng)處理構(gòu)成的測量信號進行比較。數(shù)字水準儀運用相關(guān)方法時需要優(yōu)化的兩個參數(shù)，也就是“視線高”和“物象比”。儀器的視線高表現(xiàn)為標尺條碼像在線性傳感器CCD上的上下的位移，另一方面標尺上的條碼與其成象的物象比取決于儀器到標尺的距離，或說物象比是視距的函數(shù)。因此在徠卡數(shù)字水準儀中，二維離散相關(guān)系數(shù)為：

式中：ρPQ

為Ｑ和Ｐ之間的相關(guān)系數(shù);

Ｑ（y）為測量信號;

Ｐ（ｄ，ｙ－h(huán)）為參考信號;

d為視距；

h為視線高。數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/192、幾何法——光路示意圖蔡司ＤＩＮＩ１０／２０采用幾何法原理讀數(shù)。

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/192、幾何法——條碼標尺ＤＩＮＩ系列的標尺每２ｃｍ劃分為一個測量間距，其中的碼條構(gòu)成一個碼詞，每個測量間距的邊界由黑白過渡線構(gòu)成，其下邊界到標尺底部的高度，可由該測量間距中的碼詞判讀出來，就象區(qū)格式標尺上的注記一樣ＤＩＮI系列測量時，只利用中絲的上下兩邊各１５cm的標尺截距，也就是１５個測量間距來計算視距和視線高。

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/192、幾何法——測量原理圖中Gi為某測量間距的下邊界，Gi+1為上邊界，它們在ＣCD行陣上的成像為Bi及Bi+1。它們到光軸（中絲）的距離分別用用ｂi及ｂi+1表示。ＣＣＤ上象素的寬度是己知的，這兩距離在ＣCＤ上所占象素的個數(shù)可以由ＣＣＤ輸出的信號得知，因此可以算出ｂi和ｂi+1，也就是說ｂi和ｂi+1是計算視距和視線高的己知數(shù)。ｂi和ｂi+1在光軸之上方為負值，在光軸之下方取正值。如果在標尺上看，則是在光軸之上為正,反之為負。

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19幾何法——測量原理ｇ為測量間距長（２cm），用第ｉ個測量間距來測量時，則物象比

Ａi=g/（bi+1－bi）

視線高讀數(shù)為：Hi=g(Ci+l/2)-A(bi+1+bi)/2Ｃi是第ｉ個測量間距從標尺底部數(shù)起的序號，可由所屬碼詞判讀出來

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19幾何法——測量原理為了提高測量精度，ＤＩＮｉ系列?。蝹€測量間距平均來計算，也就是取標尺上中絲上下各１５ｃｍ的范圍，即１５個測量間距取平均來計算。

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/193、相位法——光路示意圖拓普康數(shù)字水準儀ＤＬ１０1Ｃ／１０２Ｃ采用相位法。望遠鏡光路見圖1—11。標尺的條碼像經(jīng)望遠鏡、物鏡、調(diào)焦鏡、補償器的光學零件和分光鏡后，分成兩路。一路成像在ＣＣＤ線陣上，用于進行光電轉(zhuǎn)換；另一路成像在分劃板上，供目視觀測。

數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相位法——標尺編碼有三種不同的碼條，Ｒ表示參考碼，其中有三條２mm寬的黑色碼條，每兩條黑色碼條之間是一條1mm寬的黃色碼條，以中間的黑碼條的中心線為準，每隔３０mm就有一組Ｒ碼條重復出現(xiàn)。在每組Ｒ碼條左邊１０mm處有一道黑色的Ｂ碼條。在每組一參考碼Ｒ的右邊1０mm為一道黑色的Ａ碼條。每組Ｒ碼條兩邊的Ａ和Ｂ碼條的寬窄不相同。實際上Ａ和Ｂ碼條的寬度是在1到１０mm之間變化，這兩種碼包含了水準測量時的高度信息。其中Ａ碼條的周期為600mm，Ｂ碼條的周期為570mm數(shù)字水準儀產(chǎn)品及原理介紹2025/1/19相位法——標尺編碼在標尺長度方向上就形成了亮暗強度按正弦規(guī)律周期變化的亮度波。在圖中條碼的上面畫出了波形?？v坐標表示黑條碼的寬度，橫坐標是標尺的長度。實線為Ａ碼的亮度波，虛線為Ｂ碼的亮度波。由于Ａ和Ｂ兩條碼變化的周期不同，也可以說Ａ和Ｂ亮度波的波長不同，在標尺長度方向上的每一位置上兩亮度波的相位差也不同。這種相位差就好象傳統(tǒng)水準標尺上的分劃，可由它標出標尺的長度。只要能測出標尺某處的相位差，也就可以知道該處到標尺底部的高度，因為相位差可以做到和標尺長度一一對應(yīng)，即具有單值性，這也是適當選擇兩亮度波