数字水准仪在沉降观测中各种误差影响及解决方法.doc

数字水准仪在某火电厂二等水准测量的应用
随着数字技术的发展，传统的光学水准仪正在被数字水准仪所替代，它实现了水准测量的数字采集、记录和处理的自动化目前各厂家生产的数字水准仪,虽然仪器型号不同,但在标尺读数、数据记录、各种误差(限差)报警等方面均已实现自动,从而减轻了仪器使用者的劳动强度并大幅度提高了观测工作的效率它具有人为干预少、工作速度快、读数准确、测量精度高等优点,目前已成为沉降观测、工程水准测量、高精度水准网观测的骨干仪器
1、数字水准仪工作原理为:
一个数字水准仪测量系统主要是由编码标尺、光学望远镜、补偿器、CCD传感器以及微处理控制器和相关的图象处理软件等组成。工作基本原是标尺上的条码图案经过光反射，一部分光束直接成像在望远镜分划板上，供目视观测，另一部分光束通过分光镜被转折到线阵CCD传感器的像平面上，经光电转换、整形后再经过模数转换，输出的数字信号被送到微处理器进行处理和存储，并将其与仪器内存的标准码（参考信号）按一定方式进行比较，即可获得高度读数和水平距离。
2数字水准仪的误差影响及解决方法
2.1视准线误差
由数字水准仪的构造和测量原理知道,数字水准仪存在两个完全不同的i角,如图1所示,数字水准仪在它的望远镜光路中加装有分光镜和光电探测器CCD。望远镜照准标尺并进行调焦后,标尺条码影像一方面被成像在望远镜十字丝分划板上供观测者目视观测;另一方面又在分光镜的作用下成像在光电探测器CCD上进行电子测量。用于目视观测的光线与仪器水平轴线的夹角称作仪器的光学i角,而用于电子测量的光学(虚拟线)仪器水平轴线的夹角即是数字水准仪的电子i角。带的i角检测程序测出其值,却无法通过改变探测器CCD或补偿器位置的方法来对其进行校正。如图1所示,因为探测器CCD内存着标准编码,其参考点稍有变化都将直接影响仪器的精度,而调整补偿器位置也只能在工厂中进行。由此可知数字水准仪的电子i角存在着工作中只能测定、不可校正的特性。

视准线(i角)误差的大小直接影响着精密水准测量的成果。数字水准仪的视准线误差随环境温度的变化而变化量还是比较大。仪器利用微处理器，将测定的视准线误差值储存起来并对以后每一个测量值进行自动改正，直到重新测定前一直沿用。这种特性对于不等视距的平面水准测量是很有利的，但对于区域精密水准测量并不一定有利，因为正常的测量作业中，不可能频繁地进行视准线误差测定，实际改正的误差值并非当时的真实值，从而又带来了另一种不应有的误差源。因此对于精密水准测量，除了严格执行前后等视距观测外，每次作业前要测定视准线误差。
2.2仪器的分辨力
数字水准仪的分辨力就是在一定视距和环境条件下CCD图象传感器对反映标尺码元的析象分辨能力。由物理光学光衍射的瑞利准则可知，光学部分的分辨力主要取决于物镜孔径和光源波长。波长一定，孔径越大，分辨力越高。但孔径越大，杂散光越强，反过来又影响分辨力，并使仪器的体积和重量加大。数字水准仪的物镜孔径的大小是与CCD传感器的象素大小相匹配的。
2.3标尺间隔采样数对测量的影响
数字水准仪的测量是建立在码元间隔测量原理上的，要保证测量精度，除了有足够的测量次数外，还要有足够的码元数可供阅读。因此测量过程中，任何对标尺有效码元的遮掩、阻挡或缺少都会使视场内的码元数减少而影响测量精度码元严重不足可能导致自动中断测量。因此精密水准测量应避免在树荫或视线常被中断下作业。另外，由于其光学系统具有一定的视角，视距越长，视场范围越大，也就是提供测量用的标尺段越长，因此近距离的遮掩影响较大。不同的图象处理方法对标尺遮掩的影响是不同的，但视场中丝附近对遮掩是很敏感的位置，应尽量避免。
2.4光亮度对测量的影响
在水准测量过程中，水准标尺的亮度是很重要的。区域水准测量都是在野外进行，标尺的亮度或者由标尺分划(条码)反射来的光通量是由太阳、云量、空气状况及观测方向等因素决定的，而各个因素又都在动态变化着，因此，对其控制是困难的，而数字水准仪的CCD图象传感器只能在有限的亮度范围内将图像转换为用于测量的有效电信号。这些有效的信号强度是由时间积分决定的。象照相机一样用控制曝光时间来保证一定的光通量，其曝光时间的范围大约为几毫秒到2秒之间。采样条码群体中亮度不均匀时(如遇阴影)，就会使曝光时间失控，部分条码曝光过度，部分条码曝光不足，轻微的不均匀引起局部畸变，影响测量精度，严重时使仪器自动中止测量。在逆光或背景光线很强时进行测量，标尺图象对比度下降，即使传感器CCD有充分的光通量，而测量实体标尺条码却曝光不足，使测量信号的估算产生困难，往往造成测量失败。即使能够测量，也使测量精度下降。在此种情况下，必须改变仪器或标尺的安置位置或转动标尺方向，重新进行测量。另外在测量中光强发生强烈变化时，如闪烁、闪断等，往往使正在进行的测量中断而又自动重新开始