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徕卡条码水准标尺测距原理浅析

2018-03-28刘彤倪颖倩

科技视界 2018年4期
关键词:测距

刘彤 倪颖倩

【摘 要】数字水准仪与条码水准标尺配合使用能够进行距离测量,本文主要探讨徕卡公司生产的数字水准仪与条码水准标尺的工作原理。

【关键词】数字水准仪;条码水准标尺;测距

中图分类号: P204 文献标识码: A 文章编号: 2095-2457(2018)02-0158-001

【Abstract】The combination of digital level and bar code level ruler can measure the distance.This paper mainly discusses the working principle of Leica digital level and bar code level ruler.

【Key words】Digital level; Bar code standard ruler; Distance measurement

0 引言

电子水准仪又称数字水准仪(以下简称水准仪),它以传统的自动安平水准仪为基础,在照准部光路中添加了分光镜和图像探测器(即CCD),是具有划时代意义的一款产品。通过配合条码水准标尺和图像处理系统使得水准仪实现数字化,使得水准仪获得了电子测距的高端功能。

1 概述

本文中主要讨论徕卡数字水准仪配套的条码水准标尺(以下简称条码尺),该条码尺采用了伪随机条码技术。伪随机码属于二进制码,它是按照一定规律排序后进行预设的,并且可以重复产生和复制,同时还具有随机特性。该码由线性移位寄存器产生,当水准仪测距范围在(1.8~100)m时使用相关法,将测量采集到的信号与预设在水准仪中的参考信号进行比较,就是相关过程。例如先将照准部目视片段与标尺底部对齐,发现不相同,然后往上移动一个步距(基本码宽),再进行比较,直到两码(或称两信号)相同为止,即最佳相关位置时,读数就可以确定,也能获得水准仪与条码尺间的距离。

2 工作原理

数字水准仪将条码图象预设在水准仪中作为参考信号。在条码标尺上,最窄的条码宽为2.025mm(黑色、黄色或白色),称为基本码。在标尺上共有2000个基本码(4.05m的标尺),不同数量的同颜色的基本码相连在一起,通过不同的排列组合,从而就构成了宽窄不同的若干组码条。 由于条码尺到水准仪的距离不同,条码在探测器上成像的“宽窄”也将不同,测量信号片段条码的“宽窄”会变化,引起相关困难。徕卡电子水准仪采用二维相关法,以一定步距改变仪器内部参考信号的“宽窄”与CCD采集到的测量信号相比较,如果没有相同的两信号,则再改变,再進行一维相关,直到信号相同为止。参考信号的“宽窄”与视距是对应的,“宽窄”相同的两信号相比较是求视线高的过程,有时,移动一个基本码宽来进行比较的精度是不够的,但是可以作为粗相关过程,得到粗读数。再在粗读数上下选取一定范围,减少步距,进行精相关,就可以得到较高精度的测量结果。在此二维相关中,一维是视距,另一维是视线高,二维相关之后视距也随之可以精确算出。

3 相关函数

伪随机序列是具有某种随机特性的确定的序列。它们是由移位寄存器产生确定序列,然而他们却具有某种随机特性的随机序列。因为同样具有随机特性,无法从一个已经产生的序列的特性中判断是真随机序列还是伪随机序列,只能根据序列的产生办法来判断。标尺上的白码条或黄码条在CCD器件上产生光电流,在电路上为高电平,用二进制的“1”表示,反之黑码条用“0”表示。从条码标尺上测量得到的徕卡仪器的参考码序列为:

{P}=1101000110111110111110001110111…0100000010

01001101

设水准仪照准部从条码尺上测得的条码片段经电子系统处理后得到的测量码序列为:

{Q}=100011011111011111000

则相关函数表示为:

Rt=■■

式中:N为测量码序列中码元的个数;

i=1,2,…,N为测量码序列中码元的序号;

表示模二和运算。

t=0,1,.2,…,M-N-1,是移位相关的次数,而步距为一个码元

M为参考码元的个数;

“————”表示两序列中相同元素(下转第157页)(上接第158页)的个数和减去不同元素的个数和。

相关系数表示为:

ρt=■■■

模二和的运算规则如下:

0⊕0=1

0⊕1=0

1⊕0=0

1⊕1=1

设t=0,

{P}=110100011011111011111

{Q}=100011011111011111000

相关函数序列

{R}=101000111011011011000

由此得相关函数R0=11-10=1

相关系数ρ0=1/21=0.05

P=1101000110111110111110001110111…

Q=100011011111011111000

R=110100010111010111001

设t=1:

{P}=101000110111110111110

{Q}=100011011111011111000

{R}=110100010111010111001

此相关函数

R1=12-9=3

相关系数ρ1=3/21=0.14

同理有t=2时 R2=13-8=5 ρ2=5/21=0.24

t=3时 R3=21-0=21 ρ3=1

t=4时 R4=11-10=1 ρ4=0.05

t=5时 R5=10-11=-1 ρ5=-0.05

t=6时 R6=9-12=-3 ρ6=-0.14

4 结语

徕卡数字水准仪运用相关法时进行测量时,需要优化的两个参数——视线高和物象比。仪器的视线高表现为标尺条码像在传感器CCD中上下的位移,另一方面标尺上的条码与其成象的物象比取决于仪器到标尺的距离,或说物象比是视距的函数。数字水准仪进行数据采集时以相关法原理为基础,将仪器中预制的伪随机二进制码同行阵传感器上的标尺条码成像经处理构成的测量信号进行比较,经过计算就能够得到准确的距离。

【参考文献】

[1]JJG(测绘)2101-2013《数字水准仪》.

[2]《徕卡测量系统产品技术手册》.

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