随着测绘仪器装备逐渐向高精度、数字化、自动化方向发展，数字水准仪也得到了广泛应用。为了对数字水准仪的各项性能指标作出客观准确的评定，保证其正常使用精度，探索和研究新型稳定的数字水准仪检定装置是十分必要的。对于检定数字水准仪，目前检定规程要求的方法以及国内大部分检定机构使用的方法均采用特定的检定方法在室外开展，需要水准标尺和脚架进行定点设站测量，有一定的场地要求，检定工作易受天气、温度、震动等环境影响，同时需要一定的人力和时间。本文提出的“基于专用光管的数字水准仪检定装置”属于一种新型室内检定装置，该装置不仅可以克服环境和场地的局限性，使检定不受天气和时间的限制，检定过程的影响因子更低、更稳定，而且构造简易、操作简单、成本低，可满足常规数字水准仪的检定需求。

1 专用光管检定装置 1.1 数字水准仪测量原理与误差

数字水准仪测量系统由编码水准标尺、望远镜、补偿器、分光镜、CCD(charge coupled device)传感器、微处理器、图像和数据处理软件等组成。测量时，条码标尺经过光反射，光束经过分光镜后分成两路，一路直接成像在十字丝分划板上供目镜观测，一路成像到线阵CCD传感器上供电子读数。电子读数是将条码标尺的影像作为测量目标，CCD将光学信号转换为模拟电信号，再将模拟信号转换为数字信号，形成的测量信号与CCD内存的参考信号(标准信号)进行比对，从而实现自动测量读数^[1-3]。其核心电子部件CCD传感器，与望远镜、补偿器等光学部件会产生光机电结合误差，如电子i角、电子补偿误差等，这些误差直接影响测量和计算精度。因此，必须依据可靠的技术方法和检定装置进行检定校准。

1.2 装置的结构原理和技术指标

该装置以焦距f=1 200 mm、120 mm口径的一对同型平行光管组为基本装置，平行光管具有固定和微调装置，内置亚光低热光源。以平行光管的目标分划板作为各类条码水准标尺影像的载体，以四维微倾工作台作为数字水准仪的安置台，整体构成一套数字水准仪室内检定装置^{[4, 5]}，如图 1所示。

数字水准仪通过获取编码水准标尺的影像进行测量结果的计算，可直接以编码水准标尺的影像作为测量目标，将实物测量目标变为数字测量目标，从而实现室外测量到室内测量的模拟^[6]。水准标尺的编码影像大小以数字水准仪的可测视场范围定制。该装置将徕卡、天宝(蔡司)、拓普康和索佳4种常用数字水准仪的编码标尺作为综合观测目标微缩到平行光管的目标分划板上^[7]。每个平行光管有3个分划板:近焦(15 m)、远焦(30 m)和无穷远分划板。

数字水准仪的电子i角和补偿精度是评价其光电系统测量精度的重要指标，精确检验这两项指标对检定装置的精度要求比较高，需满足以下条件：①保证目标分划板垂直，在竖直方向上与水准仪目镜分划板平行；②保证平行光管的准直度小于1″，这就要求同一平行光管测量近距离(15 m)和远距离(30 m)的目标时，测得的尺高应该大致相同，高差应该小于0.1 mm；③保证远、近距离目标分划与仪器视准轴大致一条直线上；④保证测量远、近距离时目标亮度一致，减小对测量精度的影响；⑤做好装置的防震措施，减小测量过程中仪器或目标的晃动对测量精度的影响。

1.3 专用光管分划板定制

专用光管的分划板作为条码水准标尺影像的载体，为满足不同种类数字水准仪的检定要求，分划板上水准标尺影像的焦距、编排定制也应满足一定的要求。

基于当前最普遍的4种数字水准仪，定制一套四码集成的分划板，即将徕卡、天宝、拓普康和索佳4类仪器配套的条码标尺影像集成刻划在一个分划板上，一对视距为15 m的分划板，一对视距为30 m的分划板，每个平行光管各装两个分划板。15 m分划板装在平行光管的近焦位置(接近仪器调焦的15 m位置)；30 m分划板装在平行光管的远焦位置(接近仪器调焦的30 m位置)，测量时仪器就可通过调焦找到相应距离的分划板，依照仪器的内置方法完成电子i角校正。值得注意的是，索佳SDL30和拓普康DL-502、DL-501数字水准仪的内置电子i角校正方法与其他类型仪器不同，需要视距为3 m和33 m的条码分划板，可将3 m影像集成到近焦分划板上，33 m集成到远焦分划板上。

2 专用光管水平基准建立 2.1 光学基准建立

由于数字水准仪的检定主要用到电子基准，调整电子基准的过程又会破坏光学基准，因而光学基准只起到大致定位水平基准的作用，两个光管属于同一规格，两套条码分划板属于同一规格，那么光学基准的建立只为电子基准提供光学调校基准。

光学基准的调整设备可选用1″以上全站仪、1″以上光学经纬仪、自准直仪、Ni004光学水准仪等；调整基准以分划板横丝为准；调整目的是保证A、B光管对径180°，并且两光管水平基准线处于同一水平线上。

使用全站仪调整光学基准的方法：先照准A光管，升降仪器照准近距离分划板横丝，然后照准无穷远分划板，调整平行光管升降螺旋使仪器横丝与分划板横丝重合，再升降仪器照准近距离分划板横丝，反复调整使远近目标分划板横丝与仪器横丝重合，然后记录水平角和竖直角读数，仪器旋转180°，调整水平和垂直制微动使水平角相差180°，竖直角相等，最后依照调整A光管的方法调整B光管的升降螺旋，同时左右移动整个光管，使远近目标分划板十字丝中心与仪器分划板中心重合。

2.2 电子基准建立

以单光管(A光管)电子基准建立为例。调整设备选用电子i角接近于0″的DNA03或DiNi03数字水准仪；调整目的是保证光管i角小于1″。调整步骤为：① 在A光管的调焦位置选两个合适的位置作为15 m和30 m分划板的位安装置；②以分划板竖丝为基准，调整分划板，使分划板处于铅垂位置；③仪器安置高低以照准对齐15 m分划板的横丝为基准，分别测量15 m(h_A)和30 m(h_B)的视线高，保证h_A≈h_B，约定Δh_AB=|h_A-h_B| < 0.1 mm，即15 m和30 m测得视线高差小于0.1 mm。

以费氏法^[8](Forstner)为例，单光管法即两站使用一个分划板，15 m和30 m条码尺分别为A、B目标，模拟室外把相距45 m的距离三等分，在距标尺15 m处设两个仪器站(站1和站2)，费氏法电子i角的计算公式为：

$ \begin{array}{l} i = {\rm{arctan}}\frac{{({h_{1a}} - {h_{1b}}) - ({h_{2a}} - {h_{2b}})}}{{({d_{1a}} - {d_{1b}}) - ({d_{2a}} - {d_{2b}})}} \approx \\ \;\;\;\;\;\;\;\frac{{({h_{2a}} - {h_{2b}}) - ({h_{1a}} - {h_{1b}})}}{{30}} \times \rho \end{array} $

(1)

式中，h_1a、h_1b、h_2a、h_2b分别是仪器在两站测得的标尺A、B的视线高；d_1a、d_1b、d_2a、d_2b分别是仪器在两站测得的标尺A、B的视距；ρ为206 265″。

由式(1)可以看出，电子i角的大小取决于仪器在两站测得的高差的变化量，变化量越大i角越大，此时计算出的电子i角实际上是i角校正值的残差。那么，模拟理想状态下室外的检校条件，变站不升降仪器，相当于仪器架设在等高的两个站上，则h_2a=h_1b=h_B，h_1a=h_2b=h_A，式(1)可变为:

$ {\rm{ }}i \approx \frac{{\left| {{h_A} - {h_B}} \right|}}{{15}} \times \rho = \frac{{\Delta {h_{AB}}}}{{15}} \times \rho $

(2)

式中，h_A、h_B分别为15 m和30 m条码分划测得的视线高；δ为水准仪检定规程^{[9, 10]}对电子i角限差的规定；Δh为室内基准环境下检校电子i角允许的两测站高差变化量绝对值；Δh_AB为室内单光管基准下测得的30 m和15 m条码分划的视线高度差的绝对值。

综上所述，电子i角残差值Δ_i为1~5″时对应的视线高差Δh_AB分别0.07 mm、0.14 mm、0.22 mm、0.29 mm、0.36 mm。当约定Δh_AB=h_A-h_B < 0.1 mm时，就认为光管的i角接近于1″，可忽略其对电子i角检校精度的影响。但是，在调整过程中测量15 m和30 m视线高时会出现以下两种状况：①h_A>h_B。近(15 m)大远(30 m)小，即近低远高，调整时应该升高靠近仪器的光管支撑螺旋或者降低远离仪器的光管支撑螺旋，反复调整比对直至Δh_AB=h_A-h_B < 0.1 mm；②h_A < h_B。近小远大，即近高远低，调整时应该降低靠近仪器的光管支撑螺旋或者升高远离仪器的光管支撑螺旋，反复调整比对直至Δh_AB=h_A-h_B < 0.1 mm。

依据室外测量和校正程序的原理，双光管法更能还原仪器使用状态，检校的精度更加准确、可靠，因而建议使用双光管法进行电子i角的检校，单光管法可做快速检验电子i角的方法使用。双光管调整方法与单光管调整方法相同，只需注意在调整完A光管后，直接旋转180°(不能卸下仪器)，可适当升降仪器使仪器照准对齐B光管的分划板横丝，继续依同样方法和要求调整B光管。

3 室内外检校结果比对

为检验专用光管法数字水准仪室内检定装置的可靠性，对数字水准仪进行室内外电子i角、补偿精度的重复检校实验和比对。实验时，选择徕卡DNA03和天宝DINI03两种数字水准仪进行电子i角和补偿精度重复校正测量，室外实验环境温度为20~25℃，室内通过空调控制温度，确保实验中室内外温度一致，消除温度因素对检校结果的影响。表 1为两种数字水准仪室内外电子i角、补偿精度10次重复测定结果，并通过统计分析得出室内外检校结果的平均值、标准差和最大互差。表 2为一台数字水准仪完成电子i角和补偿精度的检校室内外所用时间的统计对比。

由于专用光管法以室外检定原理引进，故校正和检定方法依循室外方法，室内校正采用单光管法和双光管法均可，仪器选用费式法校正，室内以15 m和30 m条码分划分别为A、B尺，可简述为“ABAB”法或“近远近远”法。电子补偿精度的测定依据检定规程^{[9, 10]}的要求完成。

一般选用电子i角的剩余值(也称残差值)作为评判电子i角校正精度的依据，电子i角剩余值为新的i角改正值与旧i角改正值之差。徕卡和天宝电子水准仪在校正结束后都会显示新的i角改正值和i角剩余值，若选择存储校正结果，旧的i角改正值将被新值覆盖，新i角改正值将被存入仪器用于修正数字水准仪测高读数。因此，确保新的i角改正值的准确度是进行电子i角校正的目的，只有新的i角改正值稳定且i角剩余值相对最小时才可给出结果，而在室外不稳定的环境条件，经常需要进行多次校正，才能得到准确的电子i角改正值。室内外电子i角重复校正对比实验中，选择新的i角改正值为测量值进行统计分析。

由表 1可知，室内和室外电子i角和补偿精度重复检校的平均值基本相等，但是室外电子i角重复校正结果的标准差为室内校正的4倍，最大互差室外为室内的4倍以上；室外补偿精度重复测定结果的标准差为室内的4倍，最大互差室外为室内的5倍以上。由此可见，室内检校结果的稳定性远高于室外检校结果，室内检校结果的精确性也高于室外，原因在于室外检校环境的影响因素更多，以及检校方法的局限性，导致室外测量结果的精度和效率均不如室内专用光管检校方法。

由表 2可知，室内电子i角的校正时间不到2 min，而室外则需要10 min以上，室外补偿精度的测定时间为室内的2倍以上。数字水准仪室内检定装置将可升降的微倾工作台作为仪器的安置台，代替室外的脚架，将数字水准仪的测量目标(水准标尺)引入平行光管的分划板中，代替室外水准标尺实物。不仅省去了室外架设安置水准标尺、脚架和水准仪的过程，还省去了水准仪迁移站的过程，同时缩短了仪器照准测量读数的时间；补偿精度的检定中使用微倾螺旋代替脚螺旋来定量倾斜仪器，也提高了补偿精度测定的精度和效率。综合表 1、表 2以及长期室内外检校实践，可以得出以下结论：专用光管法数字水准仪检定装置的高稳定性和目标室内化优势，以及室内环境的低影响因子，在保证检校精度和质量的基础上，大幅提升了数字水准仪的检校效率。

4 结束语

实践证明，基于专用光管的检定装置实用、高效、稳定、精度高，能够满足数字水准仪常规电子项目的检定需求，对数字水准仪的使用者、生产者及检定机构而言，具有较高的参考应用价值。专用光管法数字水准仪检校技术克服了室外检定的局限性，使用中可节约大量的人力、物力和时间，能够有效提高生产力，提升检定的精度和可靠性。随着国产高精度数字水准仪的普及发展，数字水准仪的检校将会迎来更大的需求，后期还可对该装置的分划板进行改造升级，使其能够覆盖所有类型数字水准仪。