弱光线对数字水准仪测量的影响分析

陈小歌，余代俊，毛 川

（成都理工大学 现代工程测量技术及应用研究所，四川 成都610059）

获得地面点高程的方法有很多，如水准测量、三角高程测量、GPS高程测量等，每种方法都有其适用范围。我国建立高程控制网的主要方法是水准测量，因其原理简单，操作容易，并且精度最高，当前还没有其他测量方法可以完全代替水准测量在高等级高程控制网和精密工程测量中的地位。现在数字水准仪在各类测量和勘测设计等单位已经很常见，这标志着水准测量仪器的发展势头已转向数字水准仪。当利用数字水准仪进行井下测量、隧道测量或夜间测量（如公路改造，白天交通繁忙不便作业）时，由于光线不足，一般需借助手电筒配合数字水准仪进行测量作业。如此作业对测量精度的影响是本文要探讨的问题。

本文在简要介绍数字水准仪的基本原理和特点的基础上，以徕卡DNA03、天宝DiNi03、拓普康DL502 3种市场上主流数字水准仪为例，分别在白天和晚上进行了水准高程的对比测量实验，检测了测量精度及黑暗条件下的视距范围。根据测量结果总结了弱光线对数字水准仪测量的影响。

1 数字水准仪工作原理及读数方法

1.1 数字水准仪工作原理

要求得未知点高程，就是利用水准仪提供的水平视线，借助于带有分划的水准尺，测出已知高程点至未知点间的高差，从而计算得未知点高程。数字水准仪与光学水准仪相比，测量读数原理有较大不同，数字水准仪的结构和工作原理如图1所示，在自动安平水准仪的基础上，望远镜光路中增加了分光镜和探测器（CCD），利用条码尺代替水准标尺，条码尺上的条码经光反射后一部分光束成像在望远镜分划板上用来瞄准观测，而另一部分光束通过望远镜分光镜在探测器上成像，经解码比对，获得探测器中丝处条码尺图像的高度值。需要说明的是，各厂家的数字水准仪解码比对原理不同，标尺条码图案也不同，所以仪器与条码尺必须配套使用。

1.2 数字水准仪的读数方法

图1 数字水准仪工作原理

数字水准仪的自动读数原理是通过获取条码尺上的测量信号，与仪器内部自带的标准编码进行对比实现。当条码尺在望远镜的视野范围以内，其在望远镜十字丝分划板上所成的条码图像，将会被探测器转换成具有256位灰度值的模拟视频信号，探测器对这些信号进行调整和数字化即可形成测量信号。按照读数原理的不同可以将数字水准仪分为徕卡相关法、天宝几何法和拓普康相位法3种。

下面以拓普康数字水准仪为例对相位法的读数原理作一简要分析。拓普康数字水准仪的条码尺是利用RAB随机双向编码技术：其中R为具有3条等宽黑色条码的参考码，在条码尺上表现为每隔3cm即有一组R码，且以中间码的中线为准。在R信息码的两边是A信息码和B信息码，在R信息码以上10mm处为A信息码，R信息码以下10mm处为B信息码。A、B信息码的波长分别为330nm和300nm，从条码尺低端开始编码，其条码宽度从2～10mm按照一个具有±π／2的相位差正弦规律进行动态变化，并在条码尺不同的部位其相位差有所不同。正因A、B信息码的码宽是正弦变化的，所以在条码尺上会形成按照正弦变化的亮度波。当进行水准测量时，信号探测头会截取A、B信息码的一部分，其亮度变化信息通过CCD转换为相应的电信号，再利用快速傅里叶变换即可获得对应的频率和相位差，以此来确定对应的视距和高度。

2 光线对数字水准仪测量精度的影响

影响数字水准仪测量精度的主要因素有视距长短、调焦成像质量、标尺遮挡、标尺亮度（即光线）、标尺的前后倾斜、磁场等。本文主要以不同光照条件下对数字水准仪测量精度的影响做一简单探讨。

本实验场地选择在学校一段夜晚无路灯的路段，以一个不锈钢固定水准点作为起算点，分别在白天和晚上进行闭合水准路线测量。白天选择在阴天且光线稳定的时间段进行测量，平均温度为12℃，并将此结果作为标准数据。晚上用发白光的LED（发光二极管）手电作为辅助照明进行测量。LED光源采用与传统白炽灯发光原理有着本质区别的发光二极管作为发光体而制成。LED是由一层带过量电子，另一层仅带正电“空穴”，并搀杂半导体材料而形成的很薄的光源。当电流通过LED时，电子与“空穴”相互作用释放能量并辐射光芒。虽然，LED光的颜色种类繁多，但其发射出的白色光线与太阳光非常相近。晚上测量平均温度为8℃，按照与白天相同的水准路线进行观测，最后对其结果进行比较分析。测量时仪器采用平均测量模式，设置为5次求平均，对水准路线进行往返测量。测量方法及数据计算按照《国家一、二等水准测量规范》（GB／T12897-2006）中二等水准测量相关规定严格执行。本次实验水准环长约200m，闭合环限差3种数字水准仪在此两时段水准环往返高程闭合差W 结果见表1。

表1 3种数字水准仪两种时间段水准环往返测高程闭合差比较 mm

从表1中结果可看出，不同环境下3种数字水准仪的测量精度均满足二等水准测量要求，在黑暗条件下，有灯光辅助照明时数字水准仪精度与白天测量精度基本一致。在黑暗环境下将光源照射在标尺上，标尺上的条码图案可以直接将光进行反射，望远镜探测器将所获取的条码尺图像与内部标准信号进行对比以获得相应的高度值信息。LED灯的色温为5 600～6 500K，与白天太阳的色温6 500～7 000K很接近，这也是利用LED灯辅助照明进行水准测量精度保证的一个重要原因。而白炽灯是采用钨丝作为发光光源，其色温一般为3 000K，且散光严重，所以白炽灯手电进行照明无法进行测量。

本次试验还检验了3种数字水准仪在白天和晚上测量的视距范围，主要对3种仪器晚上的视距范围做检测。在1.5～105m视距处布设10个点，对每个点观测4次，每次为5次读数的平均值，最终得出徕卡DNA03、天宝DiNi03、拓普康DL502白天视距均与说明书标称的“一般条件下电子读数范围”相符。测得晚上徕卡DNA03视距范围是1.8～56m；天宝DiNi03的为1.4～52m；拓普康DL502的为1.5～50m。从晚上的测量数据可以看出弱光条件下数字水准仪的视距还是受限制，3种数字水准仪测量范围最短与白天没什么差别，最长不大于白天最长视距的一半，这是因距离太远，成像CCD无法获得所需的最暗光线。

3 结束语

数字水准仪常用的读数方法有相关法、几何法、相位法3种，各有其优点和缺陷。利用数字水准仪进行水准测量的误差来源要比传统水准仪多，如CCD成像质量、标尺晃动、光照变化影响、视线遮挡影响等，应采取一定的有效措施消除或减弱这些误差来源的影响。通过白天和晚上用徕卡DNA03、天宝DiNi03、拓普康DL502数字水准仪进行的水准测量表明，在黑暗条件下可以用类似自然光的LED光源照明进行数字水准测量，但视距不要太大，保持20m左右比较适宜，测量精度能满足二等水准测量的要求。

［1］杨振涛，张正禄，杨蜀江.电子水准仪Dini20和DL102的试验与精度分析［J］.测绘工程，1997，6（4）：36-41.

［2］郭金运，徐泮林，曲国庆.数字水准仪的性能比较与分析［J］.测绘通报，2002（3）：55-57.

［3］余代俊.测量学［M］.成都：电子科技大学出版社，2004.

［4］翟翊，赵夫来，郝向阳，等.现代测量学［M］.北京：测绘出版社，2003.

［5］薛志宏.数字水准仪的原理、检定及应用研究［D］.郑州：信息工程大学，2002.

［6］GB／T12897-2006国家一、二等水准测量规范［S］.北京：中国标准出版社，2006.