徠卡條碼水準標尺測距原理淺析

劉 彤 倪穎倩

（重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，中國 重慶 401123）

0 引言

電子水準儀又稱數(shù)字水準儀 （以下簡稱水準儀），它以傳統(tǒng)的自動安平水準儀為基礎(chǔ)，在照準部光路中添加了分光鏡和圖像探測器（即CCD），是具有劃時代意義的一款產(chǎn)品。通過配合條碼水準標尺和圖像處理系統(tǒng)使得水準儀實現(xiàn)數(shù)字化，使得水準儀獲得了電子測距的高端功能。

1 概述

本文中主要討論徠卡數(shù)字水準儀配套的條碼水準標尺（以下簡稱條碼尺），該條碼尺采用了偽隨機條碼技術(shù)。偽隨機碼屬于二進制碼，它是按照一定規(guī)律排序后進行預(yù)設(shè)的，并且可以重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，同時還具有隨機特性。該碼由線性移位寄存器產(chǎn)生，當水準儀測距范圍在 （1.8～100）m時使用相關(guān)法，將測量采集到的信號與預(yù)設(shè)在水準儀中的參考信號進行比較，就是相關(guān)過程。例如先將照準部目視片段與標尺底部對齊，發(fā)現(xiàn)不相同，然后往上移動一個步距 （基本碼寬），再進行比較，直到兩碼（或稱兩信號）相同為止，即最佳相關(guān)位置時，讀數(shù)就可以確定，也能獲得水準儀與條碼尺間的距離。

2 工作原理

數(shù)字水準儀將條碼圖象預(yù)設(shè)在水準儀中作為參考信號。在條碼標尺上，最窄的條碼寬為2.025mm（黑色、黃色或白色），稱為基本碼。在標尺上共有2000個基本碼(4.05m的標尺)，不同數(shù)量的同顏色的基本碼相連在一起，通過不同的排列組合，從而就構(gòu)成了寬窄不同的若干組碼條。 由于條碼尺到水準儀的距離不同，條碼在探測器上成像的“寬窄”也將不同，測量信號片段條碼的“寬窄”會變化，引起相關(guān)困難。徠卡電子水準儀采用二維相關(guān)法，以一定步距改變儀器內(nèi)部參考信號的“寬窄”與CCD采集到的測量信號相比較，如果沒有相同的兩信號，則再改變，再進行一維相關(guān)，直到信號相同為止。參考信號的“寬窄”與視距是對應(yīng)的，“寬窄”相同的兩信號相比較是求視線高的過程，有時，移動一個基本碼寬來進行比較的精度是不夠的，但是可以作為粗相關(guān)過程，得到粗讀數(shù)。再在粗讀數(shù)上下選取一定范圍，減少步距，進行精相關(guān)，就可以得到較高精度的測量結(jié)果。在此二維相關(guān)中，一維是視距，另一維是視線高，二維相關(guān)之后視距也隨之可以精確算出。

3 相關(guān)函數(shù)

偽隨機序列是具有某種隨機特性的確定的序列。它們是由移位寄存器產(chǎn)生確定序列，然而他們卻具有某種隨機特性的隨機序列。因為同樣具有隨機特性，無法從一個已經(jīng)產(chǎn)生的序列的特性中判斷是真隨機序列還是偽隨機序列，只能根據(jù)序列的產(chǎn)生辦法來判斷。標尺上的白碼條或黃碼條在CCD器件上產(chǎn)生光電流，在電路上為高電平，用二進制的“1”表示，反之黑碼條用“0”表示。從條碼標尺上測量得到的徠卡儀器的參考碼序列為：

{P}=1101000110111110111110001110111…0100000010 01001101

設(shè)水準儀照準部從條碼尺上測得的條碼片段經(jīng)電子系統(tǒng)處理后得到的測量碼序列為：

{Q}=100011011111011111000

則相關(guān)函數(shù)表示為：

式中：N為測量碼序列中碼元的個數(shù)；

i=1,2,…,N為測量碼序列中碼元的序號;

表示模二和運算。

t=0,1,.2,…,M-N-1，是移位相關(guān)的次數(shù)，而步距為一個碼元

M為參考碼元的個數(shù)；

“————”表示兩序列中相同元素的個數(shù)和減去不同元素的個數(shù)和。

相關(guān)系數(shù)表示為：

模二和的運算規(guī)則如下：

0⊕0=1

0⊕1=0

1⊕0=0

1⊕1=1

設(shè)t=0,

{P}=110100011011111011111

{Q}=100011011111011111000

相關(guān)函數(shù)序列

{R}=101000111011011011000

由此得相關(guān)函數(shù) R0=11－10＝1

相關(guān)系數(shù) ρ0=1/21=0.05

P=1101000110111110111110001110111…

Q=100011011111011111000

R=110100010111010111001

設(shè)t=1：

{P}=101000110111110111110

{Q}=100011011111011111000

{R}=110100010111010111001

此相關(guān)函數(shù)

R1=12－9＝3

相關(guān)系數(shù) ρ1＝3／21＝0.14

同理有 t=2時 R2=13－8＝5 ρ2=5/21=0.24

t=3時 R3=21-0=21 ρ3=1

t=4 時 R4=11－10＝1 ρ4=0.05

t=5 時 R5=10－11＝－1 ρ5=－0.05

t=6 時 R6=9－12＝－3 ρ6=－0.14

4 結(jié)語

徠卡數(shù)字水準儀運用相關(guān)法時進行測量時，需要優(yōu)化的兩個參數(shù)——視線高和物象比。儀器的視線高表現(xiàn)為標尺條碼像在傳感器CCD中上下的位移，另一方面標尺上的條碼與其成象的物象比取決于儀器到標尺的距離，或說物象比是視距的函數(shù)。數(shù)字水準儀進行數(shù)據(jù)采集時以相關(guān)法原理為基礎(chǔ)，將儀器中預(yù)制的偽隨機二進制碼同行陣傳感器上的標尺條碼成像經(jīng)處理構(gòu)成的測量信號進行比較，經(jīng)過計算就能夠得到準確的距離。

［1］JJG(測繪)2101-2013《數(shù)字水準儀》.

［2］《徠卡測量系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)手冊》.