數(shù)字水準(zhǔn)儀i角檢定方法的研究

葉正真， 楊維芳*， 郭龍文， 陳積佳， 段磊

(1.蘭州交通大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2.地理國情監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心； 3.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗(yàn)室； 4.甘肅省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站)

隨著測繪科學(xué)技術(shù)與儀器制造技術(shù)的迅速發(fā)展，水準(zhǔn)儀作為測定地面兩點(diǎn)之間高差的測繪儀器，也不斷地更新?lián)Q代。20世紀(jì)90年代瑞士徠卡公司推出世界上第一臺數(shù)字水準(zhǔn)儀NA2000，隨后各個(gè)國家也相繼研制并推出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字水準(zhǔn)儀及相關(guān)產(chǎn)品。進(jìn)入21世紀(jì)以后，中國的一些測繪公司如：南方測繪、北京博飛、蘇州一光等也相繼推出了自己的數(shù)字水準(zhǔn)儀產(chǎn)品。得益于其測量速度快、精度高，測量結(jié)果可實(shí)時(shí)數(shù)字化處理等特點(diǎn)，未來數(shù)字水準(zhǔn)儀將會具有更多的發(fā)展空間，讓水準(zhǔn)測量工作更加高效、便捷，以便更好地服務(wù)于社會生產(chǎn)建設(shè)。

近年來，隨著不斷的推廣更新，數(shù)字水準(zhǔn)儀的使用也越來越廣泛。一些相關(guān)文獻(xiàn)對于數(shù)字水準(zhǔn)儀i角的檢定方法進(jìn)行了討論和總結(jié)，但大多數(shù)都只是介紹了幾種常用室外檢定方法，對于室內(nèi)檢定法提及的相對較少。對于數(shù)字水準(zhǔn)儀光學(xué)i角與電子i角的相互關(guān)系及兩者之間的相互影響沒有探究。除此之外，也沒有明確“電子i角的設(shè)置”與“剩余電子i角的檢定”是兩個(gè)不同的概念。如果對于二者概念混淆不清，甚至認(rèn)為是同一過程，這將不利于數(shù)字水準(zhǔn)儀的檢定工作。

為明確數(shù)字水準(zhǔn)儀i角的相關(guān)概念，首先介紹數(shù)字水準(zhǔn)儀測量原理。

1 數(shù)字水準(zhǔn)儀測量原理

數(shù)字水準(zhǔn)儀是在傳統(tǒng)光學(xué)自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上加入了光電系統(tǒng)而形成的一種高精度測繪儀器。由望遠(yuǎn)鏡、補(bǔ)償器、分光鏡、CCD傳感器、微處理器、圖像和數(shù)據(jù)處理軟件等構(gòu)件組成其測量系統(tǒng)(圖1)。

圖1 數(shù)字水準(zhǔn)儀測量原理圖

數(shù)字水準(zhǔn)儀的工作原理：條碼尺經(jīng)過光反射形成光束，光束通過分光棱鏡后分為兩部分，一部分直接成像于目鏡系統(tǒng)十字絲分劃板上供目鏡觀測讀數(shù)；另一部分通過分光棱鏡后成像在線陣CCD傳感器上供電子讀數(shù)。電子讀數(shù)是以條碼尺的影像作為測量的目標(biāo)，通過CCD傳感器將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，再將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而形成測量信號與CCD內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)參考信號進(jìn)行對比分析，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的測量讀數(shù)。

2 數(shù)字水準(zhǔn)儀i角的含義

由圖1可知：條碼尺的影像光路在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)分為互不相同的兩部分。因此，數(shù)字水準(zhǔn)儀存在兩個(gè)不同的i角，即目鏡觀測讀數(shù)時(shí)的光學(xué)i角與電子讀數(shù)時(shí)的電子i角。

2.1 光學(xué)i角與電子i角的關(guān)系

光學(xué)i角是指數(shù)字水準(zhǔn)儀光學(xué)視準(zhǔn)軸與水平面之間的夾角，與傳統(tǒng)的光學(xué)自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀i角含義相一致。光學(xué)視準(zhǔn)軸是條碼尺反射光線穿過物鏡中心，再依次經(jīng)過補(bǔ)償器、分光棱鏡的傳遞后與目標(biāo)分劃板十字絲中心的連線。電子i角是指數(shù)字水準(zhǔn)儀電子視準(zhǔn)軸與水平面之間的夾角，是在電子測量讀數(shù)過程中產(chǎn)生的i角。電子視準(zhǔn)軸是條碼尺反射光線穿過物鏡中心，再經(jīng)過補(bǔ)償器、分光棱鏡傳遞后與圖像傳感器之間的連線。

光學(xué)i角與電子i角是通過兩種不同的路徑產(chǎn)生的，對于兩者之間的相互影響關(guān)系通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析說明。利用天寶Dini03和徠卡DNA03進(jìn)行實(shí)測，在室內(nèi)通過檢校裝置將其光學(xué)i角分別調(diào)整為0″、15″、30″，再通過室外檢定費(fèi)氏法分別測量其電子i角，每次觀測5組數(shù)據(jù)取平均值，結(jié)果如表1所示。

表1 不同型號儀器調(diào)整光學(xué)i角后電子i角的變化

從表1可以得出:兩種不同型號的儀器隨著光學(xué)i角的變化，電子i角也隨著發(fā)生變化，但變化是不同步的。天寶Dini03電子i角變化較小，考慮可能是人為因素帶來影響導(dǎo)致，可認(rèn)為此系列的儀器電子i角不會隨光學(xué)i角的改變而改變。對于徠卡DNA03，光學(xué)i角在一定范圍內(nèi)改變時(shí)，電子i角不會隨其改變發(fā)生變化，當(dāng)超出一定范圍時(shí)則會發(fā)生變化。所以徠卡DNA系列儀器電子i角會隨著光學(xué)i角的改變而變化。綜合各方面因素考慮，這種變化為不同儀器生產(chǎn)廠家對儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)置不同所帶來。

2.2 設(shè)置電子i角與剩余電子i角

每臺新生產(chǎn)的數(shù)字水準(zhǔn)儀在出廠之前，生產(chǎn)廠家都會通過專用設(shè)備對電子i角設(shè)置并存儲。但在使用過程中會因各種原因造成其發(fā)生變化，為了減小這種變化帶來的影響，儀器在進(jìn)行每次測量任務(wù)之前都需要重新設(shè)置并存儲電子i角，這一過程稱為設(shè)置電子i角。設(shè)置電子i角是根據(jù)儀器內(nèi)置程序引導(dǎo)進(jìn)行的操作，相當(dāng)于傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀分劃板的校正工作。在使用過程中，數(shù)字水準(zhǔn)儀顯示出來的值是經(jīng)過設(shè)置的電子i角改正之后的值，稱為剩余電子i角。所以，通常所說的電子i角即為剩余電子i角。

因?yàn)樵O(shè)置電子i角的方法與剩余電子i角的檢定方法相一致，所以導(dǎo)致了人們對這兩個(gè)概念的認(rèn)識模糊不清，甚至混為一談。實(shí)際上，這是通過兩個(gè)不同方式進(jìn)行的有順序的不同步驟，先利用儀器內(nèi)置程序進(jìn)行設(shè)置并存儲電子i角，再單獨(dú)地進(jìn)行剩余電子i角檢定工作。除此之外，兩者的限差要求也不相同。在進(jìn)行電子i角的設(shè)置時(shí)，測出來的電子i角只要儀器能夠存儲即可(不同廠家、不同型號的儀器能夠存儲值也不相同)，但在剩余電子i角檢定時(shí)需要滿足JJG(測繪)2101—2013《數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定規(guī)程》中的要求，即剩余電子i角值必須小于15″。

3 數(shù)字水準(zhǔn)儀i角的檢定方法及對比分析

3.1 光學(xué)i角的檢定

3.1.1 建立水平基準(zhǔn)

(1) 按圖2所示安置被檢儀器。

圖2 建立水平基準(zhǔn)示意圖

(2)將A、B兩平行光管物鏡相對安置，其中A光管帶測微器。調(diào)整A、B光管十字絲，使其大致重合。將一臺精密水準(zhǔn)儀被檢儀器C整平對徑光管光路中，并分別照準(zhǔn)兩光管的十字絲分劃板，使兩光管的十字絲橫絲與被檢儀器C十字絲橫絲吻合。并用A光管測微器照準(zhǔn)被檢儀器C的十字絲橫絲，讀數(shù)2次并取其平均值。

(3) 取出被檢儀器C，用A光管測微器照準(zhǔn)B光管十字絲讀數(shù)2次并取其平均值。按式(1)計(jì)算A、B光管的光軸平行度：

(1)

(4) 將A光管測微器調(diào)整到F位置，并將B光管的十字絲校正至A光管已調(diào)整的十字絲位置，如此反復(fù)調(diào)校，使F<1″即可。

3.1.2 光管法

將被檢儀器安置于A、B光管光路中，精確整平被檢儀器，用A光管測微器照準(zhǔn)被檢儀器的十字絲橫絲并讀數(shù)為d1，取下被檢儀器，用A光管測微器照準(zhǔn)B光管十字絲讀數(shù)為d2，按式(2)計(jì)算光學(xué)i角:

i=d1-d2

(2)

觀測3個(gè)測回，取平均值作為檢定結(jié)果。

3.1.3 檢定儀法

將被檢儀器安置于水準(zhǔn)儀檢定儀上，將數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定儀的分劃板調(diào)至無窮遠(yuǎn)位置，精確整平被檢儀器，用被檢儀器望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)儀檢定儀上的目標(biāo)，檢查被檢儀器的十字絲是否與目標(biāo)線重合，若不重合，打開被檢儀器的調(diào)整護(hù)蓋，使用專用工具進(jìn)行調(diào)整使其重合。

3.2 剩余電子i角的檢定

國內(nèi)外數(shù)字水準(zhǔn)儀剩余電子i角檢定方法有室內(nèi)法和室外法。目前，常用的數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定方法是4種室外檢定方法。

3.2.1 室外檢定法

國內(nèi)、外常用的數(shù)字水準(zhǔn)儀室外檢定方法有費(fèi)氏法、李氏法、庫氏法和日本法4種。各種方法操作流程基本一致，但對于測站位置和條碼尺之間的距離要求各不相同。

(1) 費(fèi)氏法

在一段距離長約45 m地點(diǎn)兩端分別安置與被檢儀器配套的條碼尺A和B，然后分別在約15 m(1/3處)設(shè)置測站1、測站2。再依次對條碼尺A、B進(jìn)行讀數(shù)，計(jì)算兩條碼尺的高差和距離差得出剩余電子i角。如圖3所示。

圖3 費(fèi)氏法

(2) 李氏法

在一段距離長約為15 m的地點(diǎn)兩端分別安置與被檢儀器配套的條碼尺A和B，被檢儀器則分別安置在兩條碼尺的外邊距離條碼尺約為15 m處為測站1和測站2，然后進(jìn)行測量讀數(shù)，通過計(jì)算得出剩余電子i角。如圖4所示。

圖4 李氏法

(3) 庫氏法

在一段距離長約為20 m的地點(diǎn)兩端分別安置與被檢儀器配套的條碼尺A和B。先將儀器安置在兩條碼尺中間10 m(約1/2)處為測站1，分別對A、B條碼尺進(jìn)行測量讀數(shù)；再將儀器移動(dòng)到兩條碼尺延長線外約20 m處為測站2，分別觀測條碼尺A、B，然后計(jì)算高差和距離得出剩余電子i角。如圖5所示。

圖5 庫氏法

(4) 日本法

在一段距離長約30 m地點(diǎn)兩端分別安置與被檢儀器配套的條碼尺A和B。先將被檢儀器放置于兩條碼尺A、B的中間15 m處(約1/2)為測站1，進(jìn)行觀測讀數(shù)；再將儀器移動(dòng)到條碼尺A延長線外大約3 m處為測站2，進(jìn)行測量讀數(shù)，然后通過計(jì)算得出剩余電子i角。如圖6所示。

圖6 日本法

剩余電子i角計(jì)算公式為：

(3)

式中：r1A、r1B、r2A、r2B為儀器測站1、2時(shí)對A、B條碼尺的讀數(shù)；ρ=206 265；D1A、D1B、D2A、D2B為儀器在測站1、2到條碼尺A、B的距離。

但在采用室外的方法檢定時(shí)，存在許多缺陷與不足，如：需要寬闊的檢定場地；受環(huán)境氣候條件、周圍環(huán)境影響較大；工作時(shí)需要多人配合，工作量大；人為因素引起的誤差較大等，所以室內(nèi)檢定法將是數(shù)字水準(zhǔn)儀剩余電子i角檢定工作研究的主要方向之一。

3.2.2 剩余電子i角常用室外檢定方法分析比較

通過上述幾種常用剩余電子i角室外檢定方法的分析比較，得出如下結(jié)論：

(1) 4種檢定方法測量原理相同。通過不同測站測得條碼尺的視距和視線高，然后計(jì)算得到高差，進(jìn)而求得電子i角。

(2) 測站之間的距離不同。兩測站之間的距離越短，換站時(shí)需要搬動(dòng)儀器的距離越短，則調(diào)焦距離變動(dòng)較小，對于測量結(jié)果影響也越小。

(3) 4種方法都需A、B兩條碼尺配合，兩條碼尺之間的距離不同；除此之外，也未曾考慮尺墊下沉對測量結(jié)果的影響。考慮到精密水準(zhǔn)測量的相關(guān)規(guī)定及測量距離的限制等影響因素，建議采用“后-前-前-后”的交替觀測法以減小因條碼尺下沉引起的誤差。

4種室外檢定方法對比如表2所示。

表2 4種室外剩余電子i角檢定方法對比

綜合各方面影響因素和表2可知：當(dāng)采用費(fèi)氏法測量時(shí)，移動(dòng)測站過程中被檢儀器需要移動(dòng)的距離最小；換站時(shí)被檢儀器在兩條碼尺間移動(dòng)；調(diào)焦距離變動(dòng)較小，對測量結(jié)果的影響較小，也最符合精密水準(zhǔn)測量要求。

3.3 室內(nèi)檢定法

室內(nèi)檢定法采用室內(nèi)專用檢定裝置來完成，如圖7所示。室內(nèi)檢定裝置是利用兩個(gè)平行光管對徑安置，將其目標(biāo)分劃板作為各類常用數(shù)字水準(zhǔn)儀條碼尺微縮影像的承載體，配合二維微傾工作臺，構(gòu)成一套室內(nèi)檢定系統(tǒng)來模擬室外作業(yè)，檢定操作流程與室外法相一致。

圖7 室內(nèi)檢定裝置

相對于室外檢定法，室內(nèi)檢定法具有以下優(yōu)勢：① 場地要求相對較低；② 一個(gè)人即可獨(dú)立完成檢定工作，減少了檢定人員工作量；③ 檢定過程不需要移動(dòng)被檢儀器及條碼尺，檢定工作不受時(shí)間限制；④ 條碼尺固定不動(dòng)，不存在人為因素影響，而且光照相對比較均勻，不存在折光差；⑤ 調(diào)焦成像質(zhì)量相對比較理想；⑥ 地面震動(dòng)可大大降低等。

但是因其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝調(diào)難度大、加工生產(chǎn)成本高等因素，目前只有為數(shù)不多的檢定機(jī)構(gòu)采用這種方法進(jìn)行檢定工作，對于絕大多數(shù)檢定機(jī)構(gòu)，只能采用室內(nèi)、室外相結(jié)合的分項(xiàng)檢定模式進(jìn)行檢定工作。

4 結(jié)論與展望

通過對數(shù)字水準(zhǔn)儀測量原理與儀器結(jié)構(gòu)的論述，明確電子i角的設(shè)置與剩余電子i角的檢定是通過不同通道進(jìn)行的不同工作，并論述二者異同。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，不同型號數(shù)字水準(zhǔn)儀電子i角是否會隨著光i角的變化而變化是由于不同生產(chǎn)廠家對儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)置的不同引起的，對于有變化的儀器來說這種變化也是不同步的。在數(shù)字水準(zhǔn)儀的檢定過程中，建議采用“后-前-前-后”交替觀測以減小因條碼尺下沉引起的測量誤差。對于4種室外法分析比較，費(fèi)氏法最利于剩余電子i角的檢定。

對比分析數(shù)字水準(zhǔn)儀剩余電子i角檢定方法，室內(nèi)法相對于室外法來說有諸多優(yōu)勢，所以對于室內(nèi)檢定設(shè)備的研制和檢定方法的改進(jìn)將是數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定工作未來的發(fā)展方向。