基于雙正弦編碼的數(shù)字水準(zhǔn)測量系統(tǒng)研究

王 英，馮連合

(天津市神威汽車零部件有限公司技術(shù)質(zhì)量部，天津 300112)

水準(zhǔn)測量是指測量相距一定距離的兩地高程差。傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)測量采用人工目視讀數(shù)，該方法存在測量速度慢、讀數(shù)易受人為影響、作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、精度低、測量數(shù)據(jù)聯(lián)機(jī)處理不便且難以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外作業(yè)一體化等缺點(diǎn)。數(shù)字水準(zhǔn)儀是20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的新型幾何水準(zhǔn)測量儀器[1]，具有測量自動(dòng)化、速度快、精度高和讀數(shù)客觀等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)傳統(tǒng)幾何水準(zhǔn)測量技術(shù)的突破，代表了現(xiàn)代水準(zhǔn)測量技術(shù)的發(fā)展方向。然而，由于國外公司的專利壟斷，我國在這一技術(shù)領(lǐng)域一直呈現(xiàn)空白的局面，因此獲得一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字水準(zhǔn)儀迫在眉睫。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字水準(zhǔn)儀的國產(chǎn)化進(jìn)程，國內(nèi)各大廠家如南方、北光、蘇一光等也積極進(jìn)行數(shù)字水準(zhǔn)儀的研究。但是，數(shù)字水準(zhǔn)儀是集編碼技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，技術(shù)上有一定難度，目前還沒有國內(nèi)的產(chǎn)品上市。因此，研究和開發(fā)國產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀，對(duì)于填補(bǔ)國產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀的空白，具有十分重要的意義。

1 雙正弦條碼標(biāo)尺的編碼原理[2]

設(shè) 2 個(gè)正 弦信 號(hào)：ya(x)=Asin(2πx/Ta+φa)+d，yb(x)=Asin(2πx/Tb+φb)+d，對(duì)于周期滿足 Ta>Tb，其最小公倍數(shù)為z=TaTb/(Ta-Tb)，2個(gè)信號(hào)的相位差 Δθ可表示為：

可見，在小于z的長度內(nèi)，Δθ與 x具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 根據(jù)采樣理論，以間距 ΔL(ΔL>2Ta，ΔL>2Tb)對(duì)以上2個(gè)信號(hào)等間隔采樣，以各采樣點(diǎn)為中心、采樣值為寬度繪制 A、B條碼。 設(shè)由 ya(x)得到 A碼，由 yb(x)得到 B碼。為了區(qū)分A、B條碼，增加一種 R碼，由3條等間距相同寬度的黑色碼條組成，將它們等間隔交替排列，以確定一個(gè)采樣周期長度的定位，從而提高標(biāo)尺讀數(shù)精度和利于求視距。建立的條碼標(biāo)尺如圖1所示，3種碼沿著一維方向等間距(ΔL/3)交替排列。以R碼中間黑碼條中心線為準(zhǔn)，每隔ΔL有一組R碼重復(fù)；每組碼右邊ΔL/3處有一條A碼；在每組R碼左邊ΔL/3處有一條B碼。由上述可知，每2組R碼之間的A、B碼相位值不存在相同的組合。

測量時(shí)，在小于z的長度內(nèi)，由于A碼、B碼的變化周期不同，它們在標(biāo)尺上的組合具有唯一性。只要測出進(jìn)入CCD視場中某一組A碼、B碼的條碼寬度，再與儀器內(nèi)存儲(chǔ)的基準(zhǔn)碼相比較，就可確定此處碼距標(biāo)尺底部的高度。然后再求出此處R碼距CCD中心線的距離，最后將兩者進(jìn)行加或減運(yùn)算，就可知道該處到標(biāo)尺底部的高度。

2 數(shù)字水準(zhǔn)測量系統(tǒng)的基本原理

數(shù)字水準(zhǔn)儀的測量系統(tǒng)原理如圖2所示。在傳統(tǒng)的光學(xué)自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上，在望遠(yuǎn)系統(tǒng)上加裝分光鏡，水準(zhǔn)尺上的編碼圖像經(jīng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)、調(diào)焦鏡和分光鏡后分成2路。一路成像在分劃板上，通過目鏡人工對(duì)水準(zhǔn)尺進(jìn)行照準(zhǔn)和調(diào)焦；另一路在線陣CCD上經(jīng)光電轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)，再經(jīng)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后由DSP微處理器根據(jù)選定的數(shù)字濾波算法和邊緣檢測算法對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼識(shí)別，并將識(shí)別出的條碼組合與儀器內(nèi)保存的條碼組合參考信號(hào)進(jìn)行比較，從而獲得CCD中絲處對(duì)應(yīng)的A、B碼組合，最終計(jì)算出視距和視線高。采用碼寬匹配法是根據(jù)編碼標(biāo)尺中任意一組條碼寬度的組合與標(biāo)尺的高度值具有單值性這一特點(diǎn)測量定位的。它在編碼時(shí)存在A、B碼的條碼寬度需同時(shí)匹配和表征標(biāo)尺高度的基準(zhǔn)設(shè)置2個(gè)問題，前者需精心選取正弦信號(hào)參量，以使相鄰條碼的寬度值變化明顯；后者要求便于幾何中心定位，可選A、B碼的中心為基準(zhǔn)。

測量系統(tǒng)中，CCD器件采用日本東芝公司生產(chǎn)的TCD1206SUP型線陣CCD，該器件靈敏度高、暗電流噪聲低，器件自帶驅(qū)動(dòng)電路，有 2 160像元，像元尺寸 14 μm×14 μm，采用兩相脈沖驅(qū)動(dòng)；A/D轉(zhuǎn)換器選用的是 TI公司生產(chǎn)的10位高速串行逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器TLV 1572，該器件采用5 V單電壓供電，最高采樣速率可達(dá)1.25 MS/s，可通過多通道緩沖串口 McBSP與 DSP處理器實(shí)現(xiàn)無縫連接；DSP微處理器選用TI公司的TMS320VC5502定點(diǎn)運(yùn)算數(shù)字信號(hào)處理器，該處理器同C54x系列處理器相比具有更高的性能和更低的功耗，其最高主頻可達(dá)300 MHz，片內(nèi)集成 32 K×16 bit的片內(nèi)RAM、16 K×16 bit的片內(nèi) ROM、3個(gè)多通道緩沖串口(McBSP)、定時(shí)器和32位外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口(EMIF)等，從而大大簡化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路。為了獲得更多的數(shù)據(jù)信息和調(diào)試信息，DSP處理器和PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信選用MAX232。

3 條碼識(shí)別

條碼識(shí)別是正確解碼和高精度定位的前提，內(nèi)容包括各條碼寬度的提取，R、A、B碼的區(qū)分，以及條碼中心相對(duì)圖像中絲位置的定位，可見關(guān)鍵是條碼寬度值的提取。條碼寬度提取通?；谶吘墮z測，兩邊緣之間的距離即是條碼寬度。系統(tǒng)中條碼圖像的邊緣檢測方法采用基于相鄰尺度小波變換乘積的邊緣檢測方法[3]。對(duì)于一維信號(hào)，小波變換與尺度之間的關(guān)系是[4]：

其中：f(x)為一維信號(hào)，|Wjf(x)|是尺度為j的小波變換，C為常數(shù)，α為 Lipschitz指數(shù)。邊緣的α為正常數(shù)，噪聲的α為負(fù)常數(shù)。顯然，可以根據(jù)邊緣和噪聲隨尺度的不同傳播特性檢測邊緣。若把相鄰尺度的小波變換相乘即Wjf(x)Wj+1f(x)，則有利于增強(qiáng)邊緣并抑制噪聲。定義一維信號(hào)相鄰尺度小波變換的乘積為：

Pjf(x)稱為尺度為j的歸一化尺度積，簡稱尺度積。

對(duì)于離散的CCD數(shù)據(jù)f(n)，上式可表示為：

該方法使信號(hào)邊緣得到增強(qiáng)，噪聲得到抑制，邊緣和噪聲很好地分離，取單一閾值就可以去除噪聲，求得信號(hào)邊緣。

4 視距和視線高的計(jì)算

4.1 視距的計(jì)算[5]

標(biāo)尺條碼中的R碼是用來求視距的，視距不同，相鄰2組R碼成像在線陣CCD上的長度不同，測量中只需保證CCD成像區(qū)至少有2組R碼即可求得視距。其計(jì)算公式如下：

式中，P為標(biāo)尺中 2組R碼的間距；L為相鄰2組 R碼在CCD上的成像長度；N為相鄰2組R碼在線陣CCD上成像所占的像素個(gè)數(shù)；f為物鏡到CCD的焦距；b為CCD像素寬；D為標(biāo)尺到物鏡的水平距離。

4.2 視線高的計(jì)算

假設(shè)測量時(shí)，標(biāo)尺在CCD上的條碼影像如圖3所示。首先根據(jù)條碼識(shí)別算法對(duì)十字分劃線(CCD中心像元)處的 R、A、B碼進(jìn)行解碼，從而獲得A、B碼寬度以及CCD中心像元上側(cè)緊鄰的R碼中心對(duì)應(yīng)的像元值。由于任意2組R碼之間的A、B碼的條碼寬度組合具有唯一性，所以將該組條碼寬度值與事先存儲(chǔ)在儀器中的標(biāo)尺基準(zhǔn)條碼寬度值進(jìn)行比較，即可獲得十字分劃線下測得的R碼中心與標(biāo)尺底部的距離H。然后根據(jù)CCD中心像元與R碼中心對(duì)應(yīng)的像元差值、CCD像元尺寸和物像比關(guān)系，即可求得R碼到 CCD中心的距離 h，最后將 H和h相加，即可獲得視線高讀數(shù)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及原理的正確性和可行性，根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件，在2 m～10 m之間等間隔設(shè)置了5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)，每個(gè)視距點(diǎn)上連續(xù)測量10次，首先對(duì)各測量點(diǎn)條碼圖像中絲處的A、B碼組合進(jìn)行解碼，然后計(jì)算各點(diǎn)視距和視線高讀數(shù)的平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

數(shù)字水準(zhǔn)儀具有測量速度快、讀數(shù)客觀、精度高、測量數(shù)據(jù)便于輸入計(jì)算機(jī)和容易實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)測量內(nèi)外業(yè)一體化等優(yōu)點(diǎn)，代表了水準(zhǔn)儀的發(fā)展方向。本文設(shè)計(jì)的基于DSP的數(shù)字水準(zhǔn)儀方案及測量試驗(yàn)系統(tǒng)、編碼水準(zhǔn)尺圖像識(shí)別算法以及測量讀數(shù)方法，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行測量，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法合理、可靠。

[1]王明善，肖學(xué)年.數(shù)字水準(zhǔn)儀的原理及誤差分析[J].四川測繪，2000，23(4)∶168.

[2]張曉，王志興，李相銀.圖像式雙正弦條碼高程定位方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27(7)∶739-742.

[3]李宏貴，李興國.一種新的基于小波變換的邊緣檢測方法[J].計(jì) 算 機(jī) 應(yīng) 用 與 軟 件，2005，22(2)∶103-104.

[4]MUTHUKRISHNAN S.Efficient Algorithms for Document Retrieval Problems.In Proc.ACM-SIAM SODA，2002，657-666.

[5]耿麗清.數(shù)字水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的研究[D].西安：西安工業(yè)學(xué)院，2004.