徠卡條碼水準標尺測距原理淺析

劉 彤 倪穎倩

（重慶市計量質量檢測研究院，中國 重慶 401123）

0 引言

電子水準儀又稱數字水準儀 （以下簡稱水準儀），它以傳統的自動安平水準儀為基礎，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品。通過配合條碼水準標尺和圖像處理系統使得水準儀實現數字化，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。偽隨機碼屬于二進制碼，它是按照一定規律排序后進行預設的，并且可以重復產生和復制，同時還具有隨機特性。該碼由線性移位寄存器產生，當水準儀測距范圍在 （1.8～100）m時使用相關法，將測量采集到的信號與預設在水準儀中的參考信號進行比較，就是相關過程。例如先將照準部目視片段與標尺底部對齊，發現不相同，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，即最佳相關位置時，讀數就可以確定，也能獲得水準儀與條碼尺間的距離。

2 工作原理

數字水準儀將條碼圖象預設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，引起相關困難。徠卡電子水準儀采用二維相關法，以一定步距改變儀器內部參考信號的“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，直到信號相同為止。參考信號的“寬窄”與視距是對應的，“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過程，得到粗讀數。再在粗讀數上下選取一定范圍，減少步距，進行精相關，就可以得到較高精度的測量結果。在此二維相關中，一維是視距，另一維是視線高，二維相關之后視距也隨之可以精確算出。

3 相關函數

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，無法從一個已經產生的序列的特性中判斷是真隨機序列還是偽隨機序列，只能根據序列的產生辦法來判斷。標尺上的白碼條或黃碼條在CCD器件上產生光電流，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

設水準儀照準部從條碼尺上測得的條碼片段經電子系統處理后得到的測量碼序列為：

{Q}=100011011111011111000

則相關函數表示為：

式中：N為測量碼序列中碼元的個數；

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，是移位相關的次數，而步距為一個碼元

M為參考碼元的個數；

“————”表示兩序列中相同元素的個數和減去不同元素的個數和。

相關系數表示為：

模二和的運算規則如下：

0⊕0=1

0⊕1=0

1⊕0=0

1⊕1=1

設t=0,

{P}=110100011011111011111

{Q}=100011011111011111000

相關函數序列

{R}=101000111011011011000

由此得相關函數 R0=11－10＝1

相關系數 ρ0=1/21=0.05

P=1101000110111110111110001110111…

Q=100011011111011111000

R=110100010111010111001

設t=1：

{P}=101000110111110111110

{Q}=100011011111011111000

{R}=110100010111010111001

此相關函數

R1=12－9＝3

相關系數 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 結語

徠卡數字水準儀運用相關法時進行測量時，需要優化的兩個參數——視線高和物象比。儀器的視線高表現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。數字水準儀進行數據采集時以相關法原理為基礎，將儀器中預制的偽隨機二進制碼同行陣傳感器上的標尺條碼成像經處理構成的測量信號進行比較，經過計算就能夠得到準確的距離。

［1］JJG(測繪)2101-2013《數字水準儀》.

［2］《徠卡測量系統產品技術手冊》.