Лекция Цифровые нивелиры. Конструкция и принцип отсчитывания цифровых нивелиров фирмы LEICA GEOSYSTEMS AG

    Скачать с Depositfiles 

                Лекция 11     Цифровые нивелиры

Желание автоматизировать процесс геометрического нивелирования с целью повышения производительности геодезических работ возникло давно. Сложность технической реализации автоматического отсчитывания по нивелирной рейке заключалась в том, что шкала, по которой выполняется отсчитывание, и индекс (перекрестие сетки нитей) разнесены в пространстве. Для решения этой проблемы были выбраны два пути:

1 — отсчитывание выполняется со стороны рейки, тогда нивелир формирует активную визирную линию, задаваемую лазерным лучом,

2 — отсчитывание по рейке реализуется в самом приборе, тогда применяется ПЗС-приемник, который позволяет получить изображение рейки в цифровом виде и распознать его.

Активную визирную линию в пространстве создают лазерные нивелиры. В комплект к этим приборам входят рейки с фотодиодами для определения центра лазерного пятна. Разрешающая способность при таком методе измерений зависит от расстояния между приемниками излучения на рейке и не может быть очень высокой.

Обычно лазерные нивелиры, задающие плоскость, обеспечивают среднюю квадратическую погрешность определения превышения на станции  и более при расстоянии до реек менее . Лазерные нивелиры подходят более всего для выполнения геодезических работ в строительстве.

Первый цифровой нивелир Wild NA2000 с реализацией процесса отсчитывания в самом приборе, средняя квадратическая погрешность измерений которым равна на  двойного хода, появился в начале 90-х годов.

Основные преимущества цифровых нивелиров:

— автоматизация измерений позволяет снизить утомляемость оператора, исключаются случайные ошибки отсчитывания по рейке. Автоматическое осреднение результатов измерений при дрожании воздуха в нижних слоях атмосферы повышает точность отсчитывания в данных условиях;

— прибор может работать полностью в автономном режиме. Он является незаменимым при непрерывном контроле деформаций и малых перемещений в вертикальном направлении;

— автоматическая регистрация измеряемых значений исключает возможность описок при регистрации данных в полевом журнале. С помощью интегрированных в прибор программ тотчас же рассчитываются и высвечиваются на табло превышения, исключается необходимость проводить расчеты в уме;

— подсветка нивелирной рейки позволяет выполнять работы не только в течение дня, но и в сумерках и ночью.

Цифровой нивелир может использоваться для измерений в динамическом режиме, например, для контроля прямолинейности направляющих по вертикали. Для этого достаточно рейку, установленную на каретке, перемещать с помощью канатной тяги по направляющим с небольшой скоростью, например, Vmax=2,4 мм/с, и каждые 10 секунд брать отсчет с помощью цифрового нивелира. При этом возможно отслеживать не только вертикальную, но и горизонтальную компоненту перемещений объекта с помощью простой системы призм (рис. 1), устанавливаемой перед объективом.

Рисунок 1 — Система призм для обеспечения измерений в горизонтальном направлении

Цифровые нивелиры NA 2000 / NA 2002 (Leica Geosystems AG), DiNi 22 (Trimble), DL-102C (Topcon), SDL30 (Sokkia) предназначены для нивелирования II — IV класса, топографических и картографических работ, для геодезических работ при строительстве транспортных магистралей, в туннелестроении и горном деле, могут использоваться при прокладке трубопроводов и каналов, для наблюдения за деформациями и для других измерений без участия человека. Возможности применения высокоточных цифровых нивелиров NA 3000 / NA 3003 (Leica Geosystems AG) и DiNi 12 / DiNi 12T (Trimble) шире. Это — нивелирование I и II классов; высокоточное нивелирование при контроле нагрузок, измерение осадок; контроль положения опор, фундаментов и осей.

Конструкция и принцип отсчитывания цифровых нивелиров

фирмы LEICA GEOSYSTEMS AG

На рис. 2 представлена схема нивелира NA 2002. С помощью ПЗС-приемника происходит считывание кода шкалы нивелирной рейки. Оптические элементы цифровых нивелиров NA 2002 / NA 3003 в основном заимствованы у обычных нивелиров, поэтому возможно визуальное отсчитывание по рейке. При измерениях в автоматическом режиме изображения штрихов кодовой шкалы рейки через светоделительный блок проецируются на чувствительную площадку ПЗС-приемника.

Светоделительный блок разделяет падающее излучение в спектральной области на инфракрасное и видимое. В то время как излучение, лежащее в инфракрасной области спектра, отражается от светоделительной грани в сторону приемника, видимая часть беспрепятственно пропускается светоделительным блоком и формирует изображение рейки в плоскости сетки нитей. Благодаря этому, с одной стороны, наблюдатель не ощущает потери мощности света, а с другой стороны, на чувствительную площадку ПЗС-приемника, имеющего большую чувствительность в инфракрасной области спектра, попадает излучение достаточной интенсивности.

ПЗС-приемник состоит из  фоточувствительных элементов (пикселей), расстояние между которыми равно . Оптическая система нивелира имеет угол поля зрения равный , так что при минимальном расстоянии визирования, равном , на чувствительную площадку ПЗС-приемника проецируется участок рейки длиной , а при расстоянии  — .

Рисунок 2 — Цифровой нивелир NA2002 (Leica Geosystems AG)

1 — штрих-кодовая нивелирная рейка; 2 — объектив; 3 — фокусирующий компонент;

4 — датчик положения фокусирующего компонента; 5 — блок компенсатора;

6 — блок контроля положения компенсатора; 7 – светоделительный блок; 8 — сетка нитей; 9 — окуляр; 10 — ПЗС-приемник; 11 — изображение кода нивелирной рейки

При перефокусировании зрительной трубы в диапазоне от  до  фокусирующий компонент перемещается на . Зная положение фокусирующего компонента, можно приблизительно вычислить расстояние до рейки.

Расстояние до рейки  и положение фокусирующего компонента  связаны выражением , где  – постоянная оптической системы. Положение фокусирующего компонента регистрируется электронным датчиком положения. Во время измерений электронной системой отслеживается наклон прибора, или точнее, отклонение чувствительного элемента компенсатора. ПЗС-приемник преобразует изображение штрихов кода в аналоговый видеосигнал, видеосигнал усиливается и преобразуется в цифровой. В микропроцессор с 256 пикселей ПЗС-приемника поступает дискретный сигнал, имеющий 256 градаций яркости.

Перед началом измерений наблюдателем выполняется наведение зрительной трубы на рейку и фокусирование. После нажатия кнопки «пуск» на корпусе нивелира процесс измерения протекает в автоматическом режиме. Автоматически считываются показания с датчика положения фокусирующего компонента, определяется положение чувствительного элемента компенсатора, в зависимости от интенсивности сигнала определяется время интегрирования для достижения необходимого уровня насыщения отдельного пикселя ПЗС-приемника, выполняются грубая и точная оптимизации.

Функционирование цифрового нивелира базируется на принципе корреляции. При этом штриховой код, записанный в память прибора, сравнивается с формируемым с помощью ПЗС-приемника сигналом (рис. 3). При применении корреляции в цифровых нивелирах оптимизируются два параметра, а именно, высота и масштаб.

Рисунок 3 — Принцип отсчитывания по штрих-кодовой рейке у нивелиров фирмыLeica Geosystems AG

С одной стороны разность высот «прибор-рейка» представляется как смещение штрихов кода рейки, с другой стороны изменяется масштаб изображения штрихов кода как функция расстояния «прибор-рейка». Следовательно, двухмерная корреляционная функция в цифровых нивелирах описывается формулой

(1)

где  — функция корреляции между сигналами  и ;

 — сигнал, полученный с выхода ПЗС-приемника;

 — опорный сигнал, записанный в памяти микроЭВМ прибора.

На рис. 4 показано типичное протекание процесса корреляции внутри измеряемой области. Там, где сигнал, полученный с выхода ПЗС-приемника, в большей степени совпадает с опорным сигналом, можно распознать ярко выраженный пик в функции корреляции. Из координат максимума  определяются расстояние  и высота .

Рисунок 4 – Функция корреляции

Для того чтобы найти положение максимума функции корреляции, необходимо осуществить поиск во всей области возможных значений расстояний () и измеряемых высот (). Для исчерпывающего поиска во всей области возможных значений необходимо рассчитать около  коэффициентов корреляции, а формула (1) также должна быть применена  раз. Вычислительные операции удалось сократить благодаря тому, что при грубой и при точной оптимизации используются различные методы расчетов.

В процессе грубой оптимизации происходит поиск приблизительных координат максимального значения корреляционной функции в ограниченной области значений расстояний и высот (рис. 5). Область поиска определяется в зависимости от положения фокусирующего компонента. Благодаря такому подходу число вычислений, проводимых в процессе поиска координат максимума, уменьшается на 80%.

Рисунок 5 – Область поиска максимального значения корреляционной функции в нивелирах фирмы Leica Geosystems AG

Сигнал с пикселя ПЗС-приемника, интенсивность которого превышает пороговый уровень, получает при аналого-цифровом преобразовании значение «», в противном случае — значение «». С помощью микропроцессора цифрового нивелира выполняется корреляция, математически описываемая следующим выражением:

         (2)

где  — функция корреляции;  — сигнал, полученный с ПЗС-приемника;

 — опорный сигнал, записанный в памяти микроЭВМ прибора; — знак логической операции (— сложение по модулю 2 или исключающее «или»; — эквивалентность).

Пример реализации логической операции:

Р =0011100011.. .00011100100100100

Q =1100110010. ..00100100100111100

gPQ(d,h) =0000101110… 110001111111001.11

Коэффициент корреляции рассчитывается в каждой узловой точке растра «расстояние-высота». В месте совпадения опорного сигнала с измеренным сигналом появляется пик корреляции, который отчетливо выделяется из шума, создаваемого другими коэффициентами корреляции.

С помощью точной оптимизации уже с высокой точностью определяются смещение изображения кода рейки по отношению к ПЗС-приемнику цифрового нивелира и масштаб кода рейки. В области поиска, заданной для точной оптимизации (рис. 5), сигнал, полученный с ПЗС-приемника, коррелируется с опорным сигналом с использованием более точной информации об уровне облученности элементов ПЗС-приемника. Используются все 256 градаций яркости. Так как измеренный и опорный сигналы имеют различные амплитуды, то функцию корреляции (1) нормируют.

(3)

Благодаря нормированию коэффициент корреляции находится всегда внутри интервала . Это позволяет в конце оптимизации дать оценку полученным результатам измерений. Нивелир NA3003 отличается от NA2002 тем, что у первого область поиска имеет решетку на 40% гуще.

После оптимизации анализируются и учитываются различия в интенсивности падающего на отдельные элементы ПЗС-приемника излучения. Ошибочные участки штрихового кода, которые появились по причине помех на пути между нивелиром и рейкой, загородивших часть штрихов кода, распознаются в процессе вычислений и далее в процессе корреляции не участвуют. Не играет роли и то, в каком месте изображения кода находится помеха. При нивелировании частичное перекрытие штрихов кода другими объектами не должно превышать 20% от размера изображаемой в поле зрения области. В процессе обработки учитывается трапециидальная форма чувствительности отдельных элементов (пикселей) приемника к интенсивности падающего излучения (рис. 6).

Рисунок 6 – Свертка изображения штрихов кода с функцией

чувствительности элементов приемника

Опорный сигнал представляет собой свертку изображения штрихов кода  с хранящейся в памяти прибора функцией чувствительности элементов ПЗС-приемника . Математически опорный сигнал определяется с помощью выражения:

           (4)

где  — опорное значение для пикселя  — функция чувствительности в пикселях  — код;  — высота;  — относительное положение кода и приемника;  — расстояние.

На нивелирной рейке наносится бинарный код, состоящий их белых (желтых) и черных полос (штрихов). Рейка длиной  имеет код, состоящий из  штрихов. Отсюда можно сделать вывод, что ширина основного штриха вычисляется как .

Инструментальная точность нивелира зависит от точности определения положения и масштаба штрихов кода в изображении, от точности нанесения штрихов кода, от качества формирования изображения оптической системой, от точности установки чувствительного элемента компенсатора, от стабильности горизонтального положения визирной оси при наклоне вертикальной оси нивелира, от шумов квантования и дискретизации в электронном тракте прибора. Эти внутренние факторы, определяющие точность, учитывались при конструировании нивелира и разработке концепции обработки изображения. В высокоточном нивелире NA3003 вносится поправка за влияние остаточного наклона визирной оси, определяемого из разности плеч при измерениях по задней и передней рейкам.

Влияние ориентирования прибора и фокусирования зрительной трубы на резкое изображение штрихов кода на точность результатов измерения цифровым нивелиром минимальны. Однако хорошая фокусировка сокращает время измерений, так как положение фокусирующей линзы определяет область поиска максимума корреляционной функции. При цифровом нивелировании атмосферная турбулентность сильно уменьшает контраст в изображении в результате мерцания (мигания) и искажает местоположение рейки. Вибрации компенсатора при измерениях вблизи транспортных магистралей по своему влиянию на процесс корреляции идентичны дрожанию атмосферы.

При высокоточном нивелировании необходимо учитывать такие факторы как ветер, движение автомобилей и другие, которые вызывают дрожание компенсатора и таким образом влияют на стабильность положения визирной оси. По программе «Повторные измерения» выполняются несколько измерений подряд. Их число и полученная средняя квадратическая погрешность указываются на табло. Повторные измерения позволяют минимизировать вышеназванные влияния и оценить качество измерений.

Освещение нивелирной рейки играет важную роль. В зависимости от степени освещенности (солнце, облачность, сумерки) изменяется время накопления заряда ПЗС-приемником. Оно меняется от 4 мсек. при большой освещенности до 2 сек. при малой. Измерительной системой учитывается неоднородность освещения. Если измерения выполняются при искусственном освещении, требуется, чтобы спектральное распределение излучения источника совпадало с солнечным. Фирмой Leica Geosystems AG предлагается для освещения рейки источник GEB89, который можно использовать для работы на расстояниях, не превышающих 40 м.

Термооптические аберрации, возникающие при изменении температуры, приводят в оптико-механической конструкции к изменению положения визирной оси прибора. Датчик температуры сообщает микропроцессору актуальную в настоящий момент температуру и в измеренное значение высоты вносится поправка с учетом данных, сохраненных в памяти прибора по результатам его исследований.

Повышение точности нивелира NA3003 по сравнению с NA2002 достигается благодаря следующим усовершенствованиям:

— использованию высокоточного компенсатора;

— меньшим технологическим допускам;

— проведению процесса корреляции с учетом уточненных расстояний между чувствительными элементами ПЗС-приемника;

— автоматической коррекции изменения положения визирной оси вследствие изменения температуры.

    Скачать с Depositfiles