CMOS图像传感器改型设计+文献综述(3)
本文安排的文章结构如下：
第一章是绪论，简要介绍了课题研究背景，数字水准仪的发展史与应用情况，及本人的主要研究内容。
第二章对现有数字水准仪的基本组成及工作原理作了介绍，并罗列了数字水准仪的特点。
三、四两章根据改型方案选择新的传感器，然后根据所选择的器件完成相应的硬件电路改型和软件修改工作，最后研制出数字水准仪改型后的样机。
第五章是数字水准仪样机的精度检定实验，通过实验得到测量数据，并对数据进行分析。
最后是结论，对全文进行总结，指出下一步工作的努力方向。
2 数字水准仪的基本原理和特点
2．1 数字水准仪的基本组成及工作原理
数字水准仪又称电子水准仪，各厂家的数字水准仪都采用类似的结构，其基本构造有光学机械部分，自动安平补偿装置和电子设备。电子设备主要包括:调焦编码器，光电传感器（一般为CCD或CMOS传感器，我们使用的是线阵CMOS传感器），读数电子元件，单片微处理机，CSI接口(外部电源和外部存储记录)，显示器件，键盘和测量键以及图像数据处理软件等。数字水准仪是在自动安平水准仪的基础上发展起来的，它在望远镜光路中增加了分光棱镜和图像传感器(CMOS)，并采用条码标尺和数字图像处理系统，从而实现光机电测量一体化。需要注意的是，由于各厂家的标尺编码规则不同，读数原理也不尽相同，因此不能互换使用。
图2.1.1 测量系统示意图
数字水准仪基本测量原理如图2.1.1所示，条码标尺与仪器分立两地，在目镜中对准条码尺，然后由人工完成调焦。标尺图像分别通过望远镜头的目镜分划板和和分光棱镜，前者供人工目视瞄准和调焦，后者被成像在图像传感器（即线阵CMOS传感器）上。线阵CMOS传感器可将条码标尺黑白相间的条码图像转换成模拟视频信号，再由数据采集系统进行图像数据采集，并将采集结果通过串行通讯口发送给主处理器进行A/D转换变为数字图像信号。最后由图像处理与识别系统完成编码标尺图像的处理与分析解码，具体包括编码标尺图像的数字滤波、边缘检测、二值化处理及条码识别。根据识别结果，即中丝与标尺图像交点处（望远镜准直线与标尺相交位置）的标尺位置值，再通过物像比关系和相关原理计算视距和视线高，从而获得编码标尺的读数，并自动读出绝对位移量[6]。
2．2 数字水准仪的特点
目前，一些测量仪器生产厂家相继推出了各自的数字水准仪产品。精密数字水准仪的大量出现及广泛使用，标志着水准测量自动化又前进了一步。
数字水准仪是在传统水准仪的基础上发展起来的。与传统水准仪相比，有以下优点[7]：
1、读数客观。数字水准仪读数不存在人员误差，不会由于实验者的主观因素和操作技术引起读数偏大偏小等误判。
2、精度高。 数字水准仪利用图像处理技术自动识别读数，避免了观测员人为读数误差的影响。视线高和视距读数都是采用大量条码分划图像经过系统处理后取平均值得出来的，因此减弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均值的功能，可以削弱振动、大气扰动等外界条件的影响。
3、速度快。作业速度快慢取决于仪器整平速度的快慢，由于数字水准仪具有自动探测读数、记录的功能，去除了报数、听记、现场计算的时间以及人为出错的影响，测量时间与传统仪器相比可以节省大半。
4、操作简单。由于仪器实现了读数和记录自动化，并预存了大量测量和检验程序，在操作时还有实时提示，因此测量人员可以很快掌握使用方法，减少了培训时间，即使不熟练的作业人员也能进行高精度测量。
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