弱光線對數(shù)字水準(zhǔn)儀測量的影響分析

陳小歌，余代俊，毛 川

（成都理工大學(xué) 現(xiàn)代工程測量技術(shù)及應(yīng)用研究所，四川 成都610059）

獲得地面點(diǎn)高程的方法有很多，如水準(zhǔn)測量、三角高程測量、GPS高程測量等，每種方法都有其適用范圍。我國建立高程控制網(wǎng)的主要方法是水準(zhǔn)測量，因其原理簡單，操作容易，并且精度最高，當(dāng)前還沒有其他測量方法可以完全代替水準(zhǔn)測量在高等級高程控制網(wǎng)和精密工程測量中的地位?，F(xiàn)在數(shù)字水準(zhǔn)儀在各類測量和勘測設(shè)計(jì)等單位已經(jīng)很常見，這標(biāo)志著水準(zhǔn)測量儀器的發(fā)展勢頭已轉(zhuǎn)向數(shù)字水準(zhǔn)儀。當(dāng)利用數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行井下測量、隧道測量或夜間測量（如公路改造，白天交通繁忙不便作業(yè)）時(shí)，由于光線不足，一般需借助手電筒配合數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量作業(yè)。如此作業(yè)對測量精度的影響是本文要探討的問題。

本文在簡要介紹數(shù)字水準(zhǔn)儀的基本原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以徠卡DNA03、天寶DiNi03、拓普康DL502 3種市場上主流數(shù)字水準(zhǔn)儀為例，分別在白天和晚上進(jìn)行了水準(zhǔn)高程的對比測量實(shí)驗(yàn)，檢測了測量精度及黑暗條件下的視距范圍。根據(jù)測量結(jié)果總結(jié)了弱光線對數(shù)字水準(zhǔn)儀測量的影響。

1 數(shù)字水準(zhǔn)儀工作原理及讀數(shù)方法

1.1 數(shù)字水準(zhǔn)儀工作原理

要求得未知點(diǎn)高程，就是利用水準(zhǔn)儀提供的水平視線，借助于帶有分劃的水準(zhǔn)尺，測出已知高程點(diǎn)至未知點(diǎn)間的高差，從而計(jì)算得未知點(diǎn)高程。數(shù)字水準(zhǔn)儀與光學(xué)水準(zhǔn)儀相比，測量讀數(shù)原理有較大不同，數(shù)字水準(zhǔn)儀的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示，在自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上，望遠(yuǎn)鏡光路中增加了分光鏡和探測器（CCD），利用條碼尺代替水準(zhǔn)標(biāo)尺，條碼尺上的條碼經(jīng)光反射后一部分光束成像在望遠(yuǎn)鏡分劃板上用來瞄準(zhǔn)觀測，而另一部分光束通過望遠(yuǎn)鏡分光鏡在探測器上成像，經(jīng)解碼比對，獲得探測器中絲處條碼尺圖像的高度值。需要說明的是，各廠家的數(shù)字水準(zhǔn)儀解碼比對原理不同，標(biāo)尺條碼圖案也不同，所以儀器與條碼尺必須配套使用。

1.2 數(shù)字水準(zhǔn)儀的讀數(shù)方法

圖1 數(shù)字水準(zhǔn)儀工作原理

數(shù)字水準(zhǔn)儀的自動(dòng)讀數(shù)原理是通過獲取條碼尺上的測量信號，與儀器內(nèi)部自帶的標(biāo)準(zhǔn)編碼進(jìn)行對比實(shí)現(xiàn)。當(dāng)條碼尺在望遠(yuǎn)鏡的視野范圍以內(nèi)，其在望遠(yuǎn)鏡十字絲分劃板上所成的條碼圖像，將會被探測器轉(zhuǎn)換成具有256位灰度值的模擬視頻信號，探測器對這些信號進(jìn)行調(diào)整和數(shù)字化即可形成測量信號。按照讀數(shù)原理的不同可以將數(shù)字水準(zhǔn)儀分為徠卡相關(guān)法、天寶幾何法和拓普康相位法3種。

下面以拓普康數(shù)字水準(zhǔn)儀為例對相位法的讀數(shù)原理作一簡要分析。拓普康數(shù)字水準(zhǔn)儀的條碼尺是利用RAB隨機(jī)雙向編碼技術(shù)：其中R為具有3條等寬黑色條碼的參考碼，在條碼尺上表現(xiàn)為每隔3cm即有一組R碼，且以中間碼的中線為準(zhǔn)。在R信息碼的兩邊是A信息碼和B信息碼，在R信息碼以上10mm處為A信息碼，R信息碼以下10mm處為B信息碼。A、B信息碼的波長分別為330nm和300nm，從條碼尺低端開始編碼，其條碼寬度從2～10mm按照一個(gè)具有±π／2的相位差正弦規(guī)律進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化，并在條碼尺不同的部位其相位差有所不同。正因A、B信息碼的碼寬是正弦變化的，所以在條碼尺上會形成按照正弦變化的亮度波。當(dāng)進(jìn)行水準(zhǔn)測量時(shí)，信號探測頭會截取A、B信息碼的一部分，其亮度變化信息通過CCD轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，再利用快速傅里葉變換即可獲得對應(yīng)的頻率和相位差，以此來確定對應(yīng)的視距和高度。

2 光線對數(shù)字水準(zhǔn)儀測量精度的影響

影響數(shù)字水準(zhǔn)儀測量精度的主要因素有視距長短、調(diào)焦成像質(zhì)量、標(biāo)尺遮擋、標(biāo)尺亮度（即光線）、標(biāo)尺的前后傾斜、磁場等。本文主要以不同光照條件下對數(shù)字水準(zhǔn)儀測量精度的影響做一簡單探討。

本實(shí)驗(yàn)場地選擇在學(xué)校一段夜晚無路燈的路段，以一個(gè)不銹鋼固定水準(zhǔn)點(diǎn)作為起算點(diǎn)，分別在白天和晚上進(jìn)行閉合水準(zhǔn)路線測量。白天選擇在陰天且光線穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行測量，平均溫度為12℃，并將此結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。晚上用發(fā)白光的LED（發(fā)光二極管）手電作為輔助照明進(jìn)行測量。LED光源采用與傳統(tǒng)白熾燈發(fā)光原理有著本質(zhì)區(qū)別的發(fā)光二極管作為發(fā)光體而制成。LED是由一層帶過量電子，另一層僅帶正電“空穴”，并攙雜半導(dǎo)體材料而形成的很薄的光源。當(dāng)電流通過LED時(shí)，電子與“空穴”相互作用釋放能量并輻射光芒。雖然，LED光的顏色種類繁多，但其發(fā)射出的白色光線與太陽光非常相近。晚上測量平均溫度為8℃，按照與白天相同的水準(zhǔn)路線進(jìn)行觀測，最后對其結(jié)果進(jìn)行比較分析。測量時(shí)儀器采用平均測量模式，設(shè)置為5次求平均，對水準(zhǔn)路線進(jìn)行往返測量。測量方法及數(shù)據(jù)計(jì)算按照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》（GB／T12897-2006）中二等水準(zhǔn)測量相關(guān)規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行。本次實(shí)驗(yàn)水準(zhǔn)環(huán)長約200m，閉合環(huán)限差3種數(shù)字水準(zhǔn)儀在此兩時(shí)段水準(zhǔn)環(huán)往返高程閉合差W 結(jié)果見表1。

表1 3種數(shù)字水準(zhǔn)儀兩種時(shí)間段水準(zhǔn)環(huán)往返測高程閉合差比較 mm

從表1中結(jié)果可看出，不同環(huán)境下3種數(shù)字水準(zhǔn)儀的測量精度均滿足二等水準(zhǔn)測量要求，在黑暗條件下，有燈光輔助照明時(shí)數(shù)字水準(zhǔn)儀精度與白天測量精度基本一致。在黑暗環(huán)境下將光源照射在標(biāo)尺上，標(biāo)尺上的條碼圖案可以直接將光進(jìn)行反射，望遠(yuǎn)鏡探測器將所獲取的條碼尺圖像與內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行對比以獲得相應(yīng)的高度值信息。LED燈的色溫為5 600～6 500K，與白天太陽的色溫6 500～7 000K很接近，這也是利用LED燈輔助照明進(jìn)行水準(zhǔn)測量精度保證的一個(gè)重要原因。而白熾燈是采用鎢絲作為發(fā)光光源，其色溫一般為3 000K，且散光嚴(yán)重，所以白熾燈手電進(jìn)行照明無法進(jìn)行測量。

本次試驗(yàn)還檢驗(yàn)了3種數(shù)字水準(zhǔn)儀在白天和晚上測量的視距范圍，主要對3種儀器晚上的視距范圍做檢測。在1.5～105m視距處布設(shè)10個(gè)點(diǎn)，對每個(gè)點(diǎn)觀測4次，每次為5次讀數(shù)的平均值，最終得出徠卡DNA03、天寶DiNi03、拓普康DL502白天視距均與說明書標(biāo)稱的“一般條件下電子讀數(shù)范圍”相符。測得晚上徠卡DNA03視距范圍是1.8～56m；天寶DiNi03的為1.4～52m；拓普康DL502的為1.5～50m。從晚上的測量數(shù)據(jù)可以看出弱光條件下數(shù)字水準(zhǔn)儀的視距還是受限制，3種數(shù)字水準(zhǔn)儀測量范圍最短與白天沒什么差別，最長不大于白天最長視距的一半，這是因距離太遠(yuǎn)，成像CCD無法獲得所需的最暗光線。

3 結(jié)束語

數(shù)字水準(zhǔn)儀常用的讀數(shù)方法有相關(guān)法、幾何法、相位法3種，各有其優(yōu)點(diǎn)和缺陷。利用數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行水準(zhǔn)測量的誤差來源要比傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀多，如CCD成像質(zhì)量、標(biāo)尺晃動(dòng)、光照變化影響、視線遮擋影響等，應(yīng)采取一定的有效措施消除或減弱這些誤差來源的影響。通過白天和晚上用徠卡DNA03、天寶DiNi03、拓普康DL502數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行的水準(zhǔn)測量表明，在黑暗條件下可以用類似自然光的LED光源照明進(jìn)行數(shù)字水準(zhǔn)測量，但視距不要太大，保持20m左右比較適宜，測量精度能滿足二等水準(zhǔn)測量的要求。

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