熊指南
(天津市陆海测绘有限公司，天津 300191)
国产数字水准仪温度性能测试与研究
熊指南
(天津市陆海测绘有限公司，天津 300191)
环境温度是影响数字水准仪性能的关键因素。测试温度对国产数字水准仪i角的影响，发现当仪器内外温差较大时，仪器i角的变化显著。测试结果表明，i角设置与测试、水准测量都需要在仪器内外温度平衡时，才能够获得可靠的成果。
数字水准仪；温度性能；i角
目前我国已经成为测绘仪器的制造大国[1]：电子经纬仪已经完全占领中国市场；全站仪产量世界第一，测地型GNSS接收机产量世界第一；全站仪及测地型GNSS接收机不但占有国内大部分市场，而且还大量出口，这些中国制造的产品能够在国际测绘仪器市场与国外知名品牌一争高低。特别是光学水准仪每年的产量达30万台，而且大部分用于出口，几乎占领普通光学水准仪的国际市场[2]。制约水准仪自动化的关键技术近年来取得了突破，国产数字水准仪如雨后春笋涌现，已有诸多国内厂家研制成功具有中国特色的新产品。预计在不久的将来，数字水准仪也会如其他测绘仪器一样，逐步占领数字水准仪的国际市场。
测绘仪器是由光机电构成的精密科学仪器，但其特殊性在科学仪器中是少见的：除了要求其精度高外，还对使用环境条件要求苛刻，例如无论严寒酷暑还是风霜雪雨，只要工程在进行施工就需要测绘仪器引领方向，这要求测绘仪器具有良好的温度性能；每天往返驻地及工作现场间的颠簸，相当于在做振动试验，这要求测绘仪器具有良好的抗震性能。对于测绘仪器生产厂家来说，很难对每件产品的温度性能及抗震性能进行长期的实际试验，这需要广大用户为国产测绘仪器积累实验数据，共同为提高国产测绘仪器的产品质量贡献力量。
国产数字水准仪是非常有前途的产品，而且有些型号还拥有自主知识产权[3]，对这些产品进行后续研究，是一件非常有意义的工作。
限于试验条件及试验时间的限制，本文仅对国产DAL1528R数字水准仪温度性能进行初步试验。
1 DAL1528R数字水准仪简介
DAL1528R型数字水准仪是由北京博飞仪器股份有限公司与武汉大学测绘学院叶晓明等研制的拥有自主知识产权的产品，与其它品牌的数字水准仪相比较，DAL系列数字水准仪的特点是测量速度快[4]，这主要得益于DAL数字水准仪配套条码尺采用简洁的编码。
1.1 DAL1528R的测量原理概述
目前，国内外已经有多家仪器生产厂家在生产数字水准仪，且都声称拥有自己的专利技术。如果不考虑仪器的具体构造和数据处理等方面的差异，可以将其归纳成由主机、条码尺及数据处理软件3大部分组成，如图1所示。其中条码尺由宽度相等或不等的黑白条码按某种编码规则进行有序排列而成；主机则是在自动安平水准仪的基础上发展起来的，它由望远镜物镜系统、补偿器、分光棱镜、目镜系统、图像传感器、计算机、键盘等组成；数据处理软件对图像传感器获取的图像进行处理，获得视距及视线高。数据处理软件及与数字水准仪相配套的条码尺的编码方法构成了数字水准仪技术的核心，其中条码尺的编码方法为仪器生产厂家的专利保护条款[5]。关于数据处理软件，目前还没有仪器生产厂家公开过，能够查询到的资料都是些原理性概述[5]。
图1 数字水准仪测量原理示意图[5]
从图1可以看出：条码尺的一段图像经过望远镜后传输到图像传感器，仪器所配的数据处理软件对该段图像进行处理后，得到仪器视准轴在条码尺上的位置及条码尺距仪器的视距。为了能够获得正确的测量结果，在对条码尺进行编码时，需要考虑以下几个因素：①在整个条码尺的范围内，测量结果具有唯一性；②在仪器的视距范围(一般1.5～100 m)，图像传感器接收到的条码图像变化达几十倍，这就要求条码宽窄恰当，在远视距能够区分不同的条码，在短视距时条码的变化足够多；③能够区分自动识别出其它品牌的条码尺并给出不能够测量的信息；④自动识别条码尺的正倒并给出恰当的信息。基于这些条件，DAL系列数字水准仪采用表1所示的4种类型的条码。
表1 与DAL系列数字水准仪相配套条码尺的参数表
1.2 与DAL水准仪配套条码尺的特点
1)条码结构简单,便于制造。与DAL系列数字水准仪配套的条码尺只使用表1所示的4种条码，结构形式简单，黑白条码均是1 mm的整倍数，便于生产制造。图2为该类条码尺段110～130 cm的实际编码。经笔者对2 m长的条码尺实测数据确定，在近距离时，最少需要连续5个条码才能够获得测量结果。在远视距时，条码(15∶5)及(13∶7)区别不显著，将其认为是一种条码；条码(7∶13)及(5∶15)区别不显著，将其认为是一种条码，即在远视距时，条码尺只有2种类型条码，这时最少需要连续10个条码才能够获得测量结果。
2)相邻黑白条码宽度之和相等。从表1可以看出，相邻黑白条码宽度之和为20 mm，数据处理软件可以充分利用这个特点来判别DAL数字水准仪是否使用了正确的条码尺；如果条码尺处于倒置状态，相邻的黑白条码宽度之和则不相等，这样DAL就能够很快识别出条码尺是否安置到正确的位置。这可以节省大量的运算时间，提高测量速度。
1.3 DAL1528R 主要技术参数[6]
1)1 km往返水准测量标准差为：±1.5 mm；2)最大测程为100 m，最小测程为2 m；3)单次测量时间为1～2 s；4)高程最小显示值为0.2 mm，距离最小显示值为0.01 m。
2 DAL1528R 温度性能试验
2.1 已有研究结果简介
为了在水准测量中获得高精度的测量成果，需要保证数字水准仪的视准轴稳定而且一直处于水平位置。但补偿器的性能、温度变化及震动等都会给视准轴的稳定性带来影响。视准轴的稳定性通常用视准轴的i角(通常可以将i角简单地定义为视准轴的实际位置与应有位置之间的夹角)的稳定性来表征。自数字水准仪投入测绘生产以来，国内外许多学者对国外数字水准仪的温度特性进行研究，得出的结论如下：①i角随环境温度的升高而降低[7-8]；②i角随环境温度的降低而降低[9-10]；③急速升降温阶段与缓慢升降温阶段，i角随环境温度变化特别显著[8-9]。已有的研究结果表明环境温度对数字水准仪影响的复杂性，这些研究成果可以为数字水准仪的正确使用提供参考。
2.2 试验方法
首先在相距30 m的距离上设置两稳固标志点A，B，如图3所示。将NI002精密光学水准仪安置15 m处，用配套的因瓦水准尺测量A，B点的高差作为真值；按照文献[6]所示方法设置DAL1528R的(电子)i角。为消除水准尺零点差对测量结果的影响，用NI002和DAL1528R进行高差测量时，均只使用配套的一根水准尺。
取下DAL1528R的机载电池，将DAL1528R用塑料袋密封后置于冰箱冷冻5 h以上，使仪器内部元器件充分适应冰箱冷冻室的温度；把DAL1528R从冰箱冷冻室取出后按图3所示的C点上架设仪器，对A，B点的高差进行测量，开始时每隔3 min测量一次，0.5 h后每5 min测量一次，连续观测1 h。测试开始时间为2013-10-05T13:00:00，由于没有温度计，没有对环境温度进行测量。
2.3 数据处理方法
从图3并结合文献[3]知i角算式为
(1)
式中：rA，sA分别为条码尺安置在A点时的视线高及视距5次读数的平均值；rB，sB分别为条码尺安置在B点时的视线高及视距5次读数的平均值；ΔhAB为A，B两点间的高差，ρ=206 265″。
图3 数字水准仪温度性能检定试验场地示意图
2.4 试验结果
试验原始数据如表2所示。A，B点间的高差Δh=-14.78 mm。
表2 数字水准仪DAL1528R温度试验结果
从表2可以看出：从冷冻室取出仪器的0.5 h内，i角变化显著；在以后的1 h内，i角已经稳定，其差值在测量误差范围内。
3 结束语
试验表明：国产数字水准仪与国外数字水准仪具有类似的温度特性：即在仪器自身温度与环境温度差异较大时，i角的变化显著。这要求在设置和测量仪器的(电子)i角时，需要选定在温度差异不大的时候进行；进行水准测量作业时，需要将仪器置于作业环境中足够的时间(例如0.5 h)，使仪器的内外温度一致，这样才能获得高精度的测量成果。
[1]缪小林.国产当自强——谈中国测绘仪器的国产化[N].南方测绘，2012-01-15(8).
[2]陈耿彪.数字水准仪标尺编码理论与识别技术研究[EB/OL].(2010-11-30)[2013-12-06].http://www.docin.com/p-102121529.html.
[3]叶晓明.用于数字水准仪条码尺和电子经纬仪度盘的条码及其编码解码方法：中国，200410061193.8[P].2005-06-29.
[4]佚名.武大工程师发明数字式电子水准仪 测量速度世界最快[EB/OL].(2007-01-20)[2013-12-06].http://www.cnhubei.com/200701/ca1259006.htm.
[5]阎锡臣.应用数字水准仪进行长视距水准测量的研究[J].测绘工程，2013，22(2)：42-44，56.
[6]北京博飞仪器股份有限公.DAL1528 1528R数字水准仪说明书[EB/OL].(2012-12-04)[2013-12-06].http://www.baidu.com/s?tn=98010089_dg&ie=utf-8&bs=%E5%A4%A9%E6%B4%A5%E5%B8%82%E9%99%86%E6%B5%B7%E6%B5%8B%E7%BB%98%E6%9C%89%E9%99%90%E5%85%AC%E5%8F%B8&f=8&rsv_bp=1&wd=DAL1528R+%E6%95%B0%E5%AD%97%E6%B0%B4%E5%87%86%E4%BB%AA+%E4%BD%BF%E7%94%A8%E6%89%8B%E5%86%8C&rsv_n=2&rsv_sug3=9&rsv_sug4=250&inputT=1984.
[7]SHEIL E.Evaluation of a Wild NA3000 Digital Level[EB/OL].(2001-10-15)[2013-12-06].http://www.google.com.hk/search?newwindow=1&safe=strict&hl=zh-CN&q=NA3000+&oq=NA3000+&gs_l=serp.12...152047.165125.0.167531.11.11.0.0.0.0.0.0..0.0....0...1c.1.32.serp..11.0.0.1xHzu8eq94g.
[9]AKSAMITAUSKAS1 V ?,REKUS D, WASILEWSKI A.Investigation of Error Sources Measuring Deformations of Engineering Structures by Geodetic Methods[EB/OL].[2013-12-06].http://dspace.vgtu.lt/bitstream/1/465/1/1071-0176_aksamitauskas_rekus_et_al.pdf.
[10]罗官德,任道胜,陈如丽.数字水准仪i角检校方法探讨[J].测绘信息与工程,2002,27(4):45-47.
[责任编辑：张德福]
Temperature dependence of domestic digital level
XIONG Zhi-nan
(Tianjin Surveying and Hydrography Co., Ltd，Tianjin 300191,China)
Environment temperature is the key factor affecting the performance of digital level.The influence of temperature on the collimation error of digital level is tested practically, which is that the collimation error changes dramatically when the temperature difference inside and outside of the instrument is big. The test results show that reliable results of collimation error set-up,test, leveling can only be achieved when the temperature inside and outside of the instrument is balanced.
digital level;temperature dependence;collimation error
2014-03-02
熊指南(1979-)，男，工程师.
P204
：A
：1006-7949(2014)07-0072-04
