自1990年瑞士徕卡公司推出NA2000数字水准仪测量系统以来，数字水准仪已经广泛应用到生产实践中。它由主机、条码尺及数据处理软件等三大部分组成。国外的仪器生产厂家一方面继续优化图像/数据处理软件，消除原软件的不足，另一方面设计抗干扰能力更强的编码方法，这些措施使得数字水准仪的测量速度更快、测量结果更准确。例如，徕卡公司通过优化图像处理软件，生产出了DNA系列数字水准仪；通过优化编码方法生产出了SPRINTER系列数字水准仪。美国天宝公司(德国蔡司公司)、日本拓普康公司和日本索佳公司也通过优化图像处理软件，分别推出了第二代产品DiNi12、DL101C/DL102C和SDL30。

为发展国产数字水准仪，我国许多科技人员自1990年起就开始对数字水准仪测量系统的相关问题进行了研究。特别是近年来，国内有关单位不仅在条码尺的编码原理研究方面，而且在产品的制造方面取得了长足的进展，已有多家国内生产厂家在生产数字水准仪。

一、数字水准仪主机硬件的进展

与传统光学水准仪相比，数字水准仪的光机并未发生重大变化，只是在原有光学水准仪上增加了分光棱镜、图像传感器和微处理器等硬件。

徕卡第一代NA系列数字水准仪，由于当时对条码尺的编码方法认识不足，致使需要在水准仪上增加调焦镜位置传感器首先确定视距的大小，才能快速计算出测量结果。否则需要在整个视距范围和整个标尺范围内进行相关运算，这将会消耗大量的计算时间。随着人们对数字水准仪测量原理的进一步认识，即采用条码尺的条码本身及其在图像传感器上影像之间的相互关系确定视距，其他厂家生产出的数字水准仪均取消了调焦镜位置传感器。

虽然徕卡公司DNA系列属于第二代数字水准仪，但它仍然采用徕卡公司最初的条码尺，在主机上仍然设置有调焦镜位置传感器。徕卡公司的SPRINTER系列数字水准仪采用了新的编码方法，不再需要调焦镜位置传感器确定调焦镜的位置。

最初应用到仪器上的图像传感器均是线阵CCD传感器，随着图像传感器技术的进步，SPRINTER系列数字水准仪已经采用了CMOS传感器。

二、条码尺的编码原理

数字水准仪条码尺的编码方法及图像/数据处理软件是区分不同数字水准仪的关键，由于数据处理软件厂家没有公开，从国家专利局网站上，仅能够查阅到编码方法的专利授权。

数字水准仪的测量原理为:由图像传感器接收条码尺的一段图像后，数据处理软件对该图像段进行分析处理，确定视准轴的位置及视距。由于在(1.8～100)m的视距范围内图像传感器接收到的条码图像宽度变化达几十倍，这就要求在对条码尺进行编码时要做到:①条码线要足够宽，使得仪器在远视距测量时，仪器能够区分不同的条码；②条码的种类要多，这样仪器在短视距测量时，最小条码段图像变化足够多，使得仪器能够区分出条码尺的不同位置。实际上这是一对相互矛盾的条件:在仪器视场一定的条件下，条码宽度越宽，条码的种类越少，就越难解决近视距时测量值的多值性问题；条码尺宽度越窄，远视距时则越难区分不同的条码。在综合考虑这些条件的同时，还需要考虑标尺正置和倒置的问题，并与其他厂家相区别。国外仪器生产厂家设计了各自独特的条码尺，以满足生产的需要。

三、因瓦条码尺制造新方法

20世纪80年代初，德国Schlemmer教授提出了一种新的标尺刻划方法。其核心技术是采用双频激光干涉仪和计算机控制高能激光束对因瓦带漆层进行汽化。其具体方法是:将底层涂有黑漆、外层涂有黄漆的因瓦带以一定拉力固定到滑动平台上，双频激光干涉仪及计算机控制滑动平台滑动到指定位置后，高能激光束对因瓦带上的黄漆进行汽化，底层的黑漆就显现出来。这种新的制造工艺可以将标尺的分划线刻划得非常准确(标准差<5μm)，分划线的对比度及边缘清晰度均比其他方法好。德国Nedo公司还研制成功了自发光条码尺。

四、图像处理软件的新进展

1.优化图像/数据处理软件，提高了测量结果的准确度

在长视距测量时，测量信号的噪声大，如何快速准确地提取测量信号成为数字水准仪图像/数据处理的关键，也是各仪器生产厂家研究的重点。如徕卡第二代数字水准仪DNA03采用的相关算法，在50m视距处，高程读数的平均偏差仅为0.005mm，这较第一代数字水准仪NA系列有了较大提高。

2.改进算法，消除了原有软件缺陷

根据数字水准仪的检定结果，数字水准仪在某些特殊视距上测量成果中存在明显的周期误差，第二代数字水准仪均对这些缺陷进行了修改，并取得了满意的效果。例如，徕卡公司对数据处理软件了进行修改，消除了NA2000/3000数字水准仪在某些特殊视距上存在的周期误差。

五、数字水准仪测量系统的检定方法与检定设备

数字水准仪测量系统作为唯一一种高精度的高程测量设备，其检定方法自数字水准仪诞生之日起就受到广泛重视。国外许多著名大学和研究所都建有专门的检定装置。

1.主机的检定设备与方法

数字水准仪主机的检定，一般参照传统光学水准仪的检定方法对其进行检定。主要检定项目有i角(包括光学i角和电子i角)、补偿器的补偿性能、测站单次高差标准差。对这些项目的检定均需要与数据处理软件相配的条码尺。检定方法可以采用野外法，也可以采用室内法。野外法直接利用数字水准仪配套的条码尺，室内法则需要将各种条码刻划到检定装置平行光管的分划板上。

2.条码尺的检定设备与方法

国外自1993年起就开始了条码尺检定方法与检定设备的研究，目前采用水平比长器和竖直比长器两种检定设备检定条码尺。无论是水平比长器还是现代竖直比长器，其基本结构有:①承载条码尺的导轨(检定3m条码尺时，需要至少6m长的导轨)；②双频激光干涉仪，作为比长器的长度标准器；③图像传感器，用于获取条码尺的图像；④照明与控制系统，用于标尺照明及控制条码尺的运动状态；⑤数据处理软件，用于处理图像传感器获取的条码尺图像，计算条码线的分划误差、尺长改正等参数。

3.数据处理软件的检定设备与方法

除主机及条码尺等硬件外，数字水准仪测量系统还需要数据处理软件对条码尺的图像进行分析处理后，才能够获得水准测量的结果，对该图像/数据软件的基本要求是:①在(1.8～100)m视距范围内能够正确识别配套条码尺的条码，并能够准确计算出图像传感器参考点处视准轴的读数；②运算速度快、结果正确，并能够自动判别条码尺是否倒置；③能够剔除望远镜视场内部分条码尺遮挡后引起的数据缺陷；④能够测量存储电子i角，并能够对视线高施加改正；⑤能够提供水准测量及放样程序、存储限差，并对水准测量成果进行平差计算；⑥能够存储并输出测量结果。

虽然数字水准仪测量系统中的数据测量软件十分重要，但目前还缺乏足够的检定方法和检定标准对此进行检定与评价。要对数据处理软件的每项功能进行全面检定是一项十分麻烦的事情。国外只对视线高测量结果的可靠性进行检定，采用的方法是对数字水准仪测量系统进行系统检定，称为“system calibration”，是将数字水准仪测得的视线高与已知值进行比较，求解数字水准仪测量系统(亦称为仪-尺系统)的修正值及数字水准仪系统测量的准确度。

目前，进口的因瓦条码尺均由德国Nedo公司按照漆层汽化法生产制造，国外统一制造的条码尺不仅制造工艺较先进，条码分划误差小，而且其主要参数(如因瓦带的拉力、温度膨胀系数等)也基本一致，这对条码尺施加统一的系统误差修正提供了前提。据德国慕尼黑工业大学对大约3363根因瓦标尺的检定结果表明:条码分划线的标准差<5μm，因瓦带的温度膨胀系数为0.6×10-6/℃。因此，国外许多学者建议，不再对数字水准仪条码标尺进行单独检定，而是采取与主机一起进行综合检定，求得“仪-尺”系统修正数和视线高的测量准确度。

六、结束语

数字水准仪测量系统研制成功已近20年，国外有许多研究成果和使用经验值得我们借鉴，但目前国内还缺乏相应的规范和标准对数字水准仪测量系统进行评价。希望有条件的单位能够开展以下几个方面的工作:

1.数字水准仪实测准确度的评定方法

目前，国外仪器生产厂家有采用德国工业标准DIN18723-2，也有采用国际标准ISO17123-2等野外方法来标示数字水准仪测量系统的测量准确度，而我国的计量检定规程则采用室内检定方法来检定仪器的测量准确度，这三者之间的关系及与实际水准测量准确度之间的关系有待进一步研究。

2.系统准确度的检定

国外已有大量检定装置可用于数字水准仪系统准确度的检定，也已经取得了丰硕的成果。例如，奥地利格拉茨大学利用数字水准仪测量系统检定装置，对不同型号的数字水准仪在不同视距、不同标尺位置的测量结果的可靠性进行了深入研究，取得的研究成果也已经用于指导水准测量的生产实践。目前国内由于检定设备缺乏，很少见到这方面的报道。

3.国产数字水准仪测量结果的可靠性问题

国外数字水准仪的发展历程表明，仪器生产厂家需要根据数字水准仪的检定结果对数据处理软件进行修改，消除在某些特殊视距处存在的周期误差。国产数字水准仪是否也存在上述缺陷，有待进一步证实。