CN110320519A - 一种空间数据的表达与快速显示方法 - Google Patents

一种空间数据的表达与快速显示方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间数据的表达和快速显示方法，可实现对水下地形图的表达和快速显示，包括多波束测深系统、辅助系统和数据终端系统，主要通过多波束测深系统和GPS定位系统联用，精确探测水下地形地貌，并通过数据终端系统显示出水下地形曲面图，本发明采用一种自制的压电复合材料作为换能器的储能元件，该压电复合材料制备工艺简单、加工性能好，陶瓷相均匀分散于聚合物相，显著提高了探测灵敏度和精确度，使得获取的水下地形图具有更好的准确性和可靠性。

Description

一种空间数据的表达与快速显示方法
技术领域
本发明涉及地球物理研究领域，尤其涉及一种空间数据的表达与快速显示方法。
背景技术
随着信息科学和传感器技术的快速发展，连续的地理空间实体可以离散为易于计算机识别、存储和处理的数字表示，不同地理几何单元的人类行为、自然及社会现象得以有效记录，形成了以空间、时间、属性为核心要素的地理空间数据集合，将数据通过直观的视觉形式展现给用户，为人类生活、社会发展带来了极大的便利，如城市地图、山体地形、气象分布、水下地形分布等的可视化，其中，对水下地形数据进行采集、处理、表达进而获得水下地形分布图，有助于人类对水资源的安全利用、监管和水上活动的实施。
水底形貌结构复杂，水深不一，直接观测困难，目前，大多采用多波束测深系统，它一次测量能给出和航行方向垂直的垂面内几十个甚至上百个海底被测点的水深值，或者一条水深条带，能准确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，从而精细地描绘出海底地形地貌的细节特征，换能器作为多波束测深系统的核心部件，是水中探测、识别、通信必不可少的部件之一，它通常都含有一个储能元件和一个机械振动系统，为了使换能器发射和接收的信号不失真，且具有高效率和高灵敏度的特点，对储能元件的转换效率和灵敏度就提出了更高要求。
现有技术普遍使用压电陶瓷材料实现机械能和电能的转换，压电陶瓷材料(如BaTiO3、PZT和PbTiO3等)具有很高的介电性、较强的压电性和大的机电耦合系数等优点，但其成型温度较高、制备工艺较复杂、不易制得很薄的薄膜材料，并且由于它固有的脆性，严重制约着压电陶瓷材料加工和使用性能，将压电陶瓷与压电聚合物复合成的压电复合材料，克服了压电陶瓷材料自身的脆性和压电聚合物材料的温度限制，是智能材料系统与结构中最有前途的压电材料，但由于高聚物相和陶瓷相之间的结合渗透还存在着很多问题，使得拉伸极化，充分发挥各组分的特性变得比较困难。
为了解决上述问题，本发明制备了一种高性能压电复合材料，将此压电复合材料作为多波束测深系统换能器的储能元件，能够精确灵敏的探测出水深值，最终在辅助系统和数据终端系统处理下，得到水下地形曲面图。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间数据的表达与快速显示方法，主要是对水下地形数据进行安全、高效的采集和测量，从而快速、准确的获取水下地形地貌图。
为了实现上述目的，本发明提供的一种空间数据的表达与快速获取方法，具体为一种多波束测深系统，包括：多波束声学系统、辅助系统和数据终端系统三个子系统。
所述多波束声学系统包括多波束发射接收换能器(声纳探头)和信号控制处理电子系统；辅助系统包括提供测量船舶坐标的GPS卫星定位系统，测量船横摇、纵摇、艏向、升沉数据等的一体化罗经和运动传感器，所测水域声速剖面信息的声速剖面仪等；数据终端系统主要包含数据的采集、后期处理、显示和输出软件。
所述换能器安装于船舷一侧并固定好，以免产生抖动造成测量数据质量下降；一体化罗经安装在靠近测量船重心位置处并固定好，指示方向应与船首方向一致，远离导磁物质或易磁化的物质；为了防止船舶摇摆幅度过大影响传感器的精度，将一体化光纤罗经和运动传感器固定在测量船中心处；GPS接收机天线安装在船舶高处且视野开阔的地方，安装要稳固，避免船舶姿态变化使其产生位移。
所述一体化罗经和运动传感器内含3个光纤陀螺和3个加速度计，可以给出载体的六自由度运动姿态以及真北方位角，内置有自适应升沉预测滤波器，在任何情况下均能实时提供精确、可靠的运动姿态数据。
进一步的，所述设备安装完成后，需要精确地测量出各设备之间的距离，推算它们在整个系统中的相对位置，从而将这些设备置于同一个坐标系下，以完成后处理的统一解算。
所述多波束测深系统的坐标系统有测船坐标系统和地理坐标系统两种，测船坐标系统是将各个子系统的相对位置归算在一起，测船坐标系与地理坐标系可以相互转化，实现测船坐标系下相应测点坐标及高程的计算。
所述多波束测深系统通过发射波束与接收波束，利用往返回波的时间确定斜距并得到精确的水深数据，进而在辅助测量系统GPS的帮助下获得水下波束的空间位置。
进一步的，所述多波束测深系统利用回声测深试原理，通过换能器的发射波束模块在水中发射声波，接收波束模块获取相应的反射波，进而得到从发射声波到反射波的时间，然后利用时间差来计算水深。
进一步的，所述换能器的储能元件为一种压电复合材料，通过下述方法制备：
陶瓷粉末的制备：a.将压电陶瓷材料研磨粉碎，过400目分子筛，得到粒径不大于38μm的压电陶瓷粉；b.将制备得到的压电陶瓷粉分散在乙醇中超声清洗5min～30min，120℃干燥1h，待用。
复合相的制备：a.先取少量聚合物材料分散于N，N-二甲基甲酰胺中，得到聚合物极稀溶液，将上述制得的压电陶瓷粉末加入极稀溶液中，搅拌混合均匀，得到复合相极稀溶液；b.将剩余聚合物材料分散于N，N-二甲基甲酰胺中，得到聚合物浓溶液；c.将聚合物浓溶液逐步加入复合相极稀溶液中，并不断搅拌，混合均匀；d.干燥去除溶剂后进行热压成型，制得厚度为0.1mm的压电复合材料。
极化：用较稀的银浆在试样两面均匀地涂成电极后,在硅油浴中进行极化,极化温度为120℃,极化电场为5～25MV/m,极化时间为0.5h。
所述压电陶瓷材料为钛酸钡、钛酸铅或锆钛酸铅(PZT)中的一种，优选地为PZT；聚合物材料为聚偏氟乙烯(PVDF)、尼龙或环氧树脂中的一种，优选地为PVDF。
所述压电陶瓷材料占聚偏氟乙烯与压电陶瓷材料体积之和的50％～80％。
所述聚合物极稀溶液中聚合物与溶剂质量比为1:15～1:30，聚合物浓溶液中聚合物与溶剂质量比为1:5～1:10。
有益效果
本发明采用一种自制的压电复合材料作为换能器的储能元件，制备工艺简单、加工性能好，陶瓷相均匀地分散于聚合物相，在保证压电陶瓷高性能的基础上，聚合物相可缓冲应力从而克服压电陶瓷自身的脆性，所以具有良好的柔顺性和良好的力学性能；同时由于复合了聚合物相，使其密度和声速都有降低，故声阻抗小，介电常数也降低，提高了换能器的灵敏度，使获取的水下地形图更加精确可靠。
附图说明
图1为本发明使用的测深系统结构图；
图2为多波束测深仪发射和接收声波工作原理图；
图3为换能器的结构图；
图4为压电复合材料制备流程图；
图5为压电复合材料介电常数随陶瓷体积分数的变化曲线；
图6为压电复合材料压电常数随陶瓷体积分数的变化曲线。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供的空间数据的表达与快速显示方法通过图1所示的三大系统实现，主要包含多波束声学系统、辅助系统和数据终端系统三个子系统，其中，多波束声学系统包括多波束发射接收换能器(声纳探头)和信号控制处理电子系统；辅助系统包括提供测量船舶坐标的GPS卫星定位系统，测量船横摇、纵摇、艏向、升沉数据等的一体化罗经和运动传感器，所测水域声速剖面信息的声速剖面仪等；数据终端系统主要包含数据的采集、后期处理、显示和输出软件。
多波束测深系统通过换能器发射波束与接收波束，利用往返回波的时间确定斜距并得到精确的水深数据，进而在辅助测量系统GPS的帮助下获得水下波束的空间位置，最后数据终端系统对水深值及地理位置坐标值数据进行采集、控制和处理，并显示和输出水下地形曲面图。
换能器结构示意图如图3所示，它由多个相同的圆环的压电复合材料在机械上串联、电路上并联构成压电振子，当给压电振子两极加上一个电压时,压电效应使压电振子产生压力,从而产生一个随外加电压变化而变化的声波，声波通过辐射头向外辐射，接收换能器接收反射声波。
多波束测深系统利用回声测深原理，通过换能器的发射波束模块在水中发射声波，接收波束模块获取相应的回波，进而得到从发射声波到回波的时间，然后利用时间来计算水深。
多波束测深原理如图2所示，发射波束以船为中轴线，左右对称呈扇形发射，并且垂直船航行方向；接收部分平行船航行方向，同样左右对称，接收部分略小于发射部分；获取回波信息后，通过中央小入射角波束的振幅检测以及其他大多数波束的相位检测，能够解算单一波束的波束中心和某点回波的斜距，进而获得测点水深。
所述换能器的储能元件选用自制的一种压电复合材料，图4为其制备流程图，具体制备方法如下：
陶瓷粉末的制备：a.将压电陶瓷材料研磨粉碎，过400目分子筛，得到粒径不大于38μm的压电陶瓷粉；b.将制备得到的压电陶瓷粉分散在乙醇中超声清洗5min～30min后在120℃下干燥1h，待用。
复合相的制备：a.先取少量聚合物材料分散于N，N-二甲基甲酰胺中，得到聚合物极稀溶液，将上述制得的压电陶瓷粉末加入极稀溶液中，搅拌混合均匀，得到复合相极稀溶液；b.将剩余聚合物材料分散于N，N-二甲基甲酰胺中，得到聚合物浓溶液；c.将聚合物浓溶液逐步加入复合相极稀溶液中，并不断搅拌，混合均匀；d.干燥去除溶剂后进行热压成型，制得厚度为0.1mm的压电复合材料。
极化：用较稀的银浆在试样两面均匀地涂成电极后，在硅油浴中进行极化，极化温度为120℃，极化电场为5～25MV/m，极化时间为0.5h。
本实施例中的压电陶瓷材料均优选锆钛酸铅(PZT)，聚合物材料优选聚偏氟乙烯(PVDF)。
其中，压电陶瓷材料占聚偏氟乙烯与压电陶瓷材料体积之和的50％～80％；
聚合物极稀溶液中聚合物与溶剂质量比为1:15～1:30，聚合物浓溶液中聚合物与溶剂质量比为1:5～1:10。
对压电陶瓷粉过400目分子筛，可得到粒径不大于38μm，保证陶瓷粉的粒度较小且均匀，超声清洗，进一步除去陶瓷粉表面的杂质，提高压电陶瓷粉纯度。
对压电陶瓷粉与聚合物相共混采用分步共混法，先将压电陶瓷粉溶于极稀聚合物溶液中，最后再逐步加入聚合物浓溶液搅拌混合均匀，可使其分散更均匀。
进一步的，所述换能器内含发射与接收换能器，工作频率为200～400kHz，垂直航迹方向波束宽度:发射为140°，接收为0.5°；沿航迹方向波束宽度：发射为1°，接收为27°，量程不小于500m，测深分辨率为6mm。
所述多波束测深系统使用前需要进行调试，包括子系统的运行调试以及航行中的调试；运行调试包括检查电缆的连接及电源输出电压信号的稳定性和数据的通信情况等，可在测船静止条件下进行；航行中的调试就要对多波束测深系统的各种安装误差进行校正，包括换能器探头以及一体化罗经和运动传感器的安装偏差等。
所述多波束数据采集包括水深、定位、姿态数据、水下声速数据等，数据采集在QINSY软件中完成，该软件运行在Windows平台下，界面友好，操作便捷，多波束测深系统测量获得的数据需要体现在地理坐标系下。
测量的原始数据需要进行去噪处理，为了提高处理效果和处理效率，采用自动滤波和手动滤波并用的方式来处理噪声。
所述数据处理主要在Caris软件中进行，可以实现多波束数据分析、滤波、数据合并，生成水底地形曲面图等，得到完整的水深分布数据，并可以输出多种数据格式的数字地形图。
实施例
本实施例采用如下系统获取水下地形图，包括：多波束声学系统、辅助系统和数据终端系统三个子系统，多波束声学系统包括多波束发射接收换能器和信号控制处理电子系统，辅助系统包括提供测量船舶坐标的GPS卫星定位系统，测量船横摇、纵摇、艏向、升沉数据等的传感器，所测水域声速剖面信息的声速剖面仪等，数据终端系统主要包含数据的采集、控制、后期处理、显示和输出软件。
选用如下方法制备的压电复合材料作为换能器的储能元件，制备方法如下：
陶瓷粉末的制备：a.将锆钛酸铅研磨粉碎，过400目分子筛，得到粒径不大于38μm的压电陶瓷粉；b.将制备得到的锆钛酸铅粉末分散在乙醇中超声清洗5～30min，120℃干燥1h，待用。
复合相的制备：a.先取聚偏氟乙烯总量的十分之一分散于N，N-二甲基甲酰胺中，得到聚合物与溶剂质量比1:15～1:30的稀溶液，将上述制得的锆钛酸铅粉末加入聚合物稀溶液中，搅拌混合均匀，得到复合相稀溶液；b.将剩余聚合物材料分散于N，N-二甲基甲酰胺中，得到质量比1:5～1:10的聚合物溶液；c.将聚合物浓溶液逐步加入复合相极稀溶液中，并不断搅拌，混合均匀；d.干燥去除溶剂后进行热压成型，制得厚度为0.1mm的压电复合材料。
极化：用较稀的银浆在试样两面均匀地涂成电极后，在硅油浴中进行极化，极化温度为120℃，极化电场为5～25MV/m，极化时间为0.5h。
分别制备了压电陶瓷材料体积分数(占聚偏氟乙烯与压电陶瓷材料体积之和)为50％、60％、70％和80％的压电复合材料，测试其压电性能，图5和图6分别是压电复合材料介电常数(ε)曲线和压电常数(d33)曲线；可以看拿出，随着压电陶瓷含量增加，压电复合材料介电常数先增大后减小，当陶瓷体积分数为70％时，介电常数ε最大；随着陶瓷含量增加，压电常数d33呈非线性增大；综合压电复合材料介电常数ε和压电常数d33与陶瓷体积分数变化曲线结果，本发明实施例选取陶瓷体积分数为70％的压电复合材料作为换能器的储能元件。
将上述方法制备的压电复合材料用作换能器的储能元件，使用该换能器作为本发明多波束声学系统的发射和接收声波器件，将该换能器安装于船舷一侧并固定好，以免产生抖动造成测量数据质量下降；一体化罗经安装在靠近测量船重心位置处并固定好，指示方向应与船首方向一致，远离导磁物质或易磁化的物质；为了防止船舶摇摆幅度过大影响传感器的精度，将一体化光纤罗经和运动传感器固定在测量船中心处；GPS接收机天线安装在船舶高处且视野开阔的地方，安装要稳固，避免船舶姿态变化使其产生位移。
设备安装完成后，精确地测量出各设备之间的距离，推算出它们在整个系统中的相对位置，从而将这些设备置于同一个坐标系下，以完成后处理的统一解算。
船舶在待测水域上按设定航道行驶，多波束测深系统和辅助系统同时进行测量采集水深、定位、姿态数据、水下声速等数据(数据采集在QINSY软件中完成，该软件在Windows平台下运行)，进而将多波束测深系统测量获得的数据体现在地理坐标系下；在Caris软件中，对采集数据进行处理，实现多波束数据分析、滤波、数据合并，生成水下地形曲面图，得到完整的水深分布数据。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空间数据的表达与快速显示方法，具体为一种多波束测深系统，其特征在于，包括多波束声学系统、辅助系统和数据终端系统三个子系统；
多波束声学系统包括多波束发射接收换能器和信号控制处理电子系统；辅助系统包括提供测量船舶坐标的GPS卫星定位系统，测量船横摇、纵摇、艏向、升沉数据等的一体化罗经和运动传感器，所测水域声速剖面信息的声速剖面仪等；数据终端系统主要包含数据的采集、处理、显示和输出软件；
多波束声学系统和辅助系统分别将数据传送至数据终端系统，数据终端系统进行运算和处理，最终显示出水下地形曲面图。
2.根据权利要求1所述的一种空间数据的表达与快速显示方法，其特征在于，所述换能器安装于船舷一侧并固定好，一体化罗经安装在靠近测量船重心位置处并固定好，指示方向应与船首方向一致，GPS接收机天线安装在船舶高处且视野开阔的地方。
3.根据权利要求2所述的一种空间数据的表达与快速显示方法，其特征在于，所述设备安装完成后，需要精确地测量出各设备之间的距离，推算它们在整个系统中的相对位置，从而将这些设备置于同一个坐标系下，以完成后处理的统一解算。
4.根据权利要求1所述的一种空间数据的表达与快速显示方法，其特征在于，所述多波束测深系统通过发射波束与接收波束，利用往返回波的时间确定斜距并得到精确的水深数据，进而在辅助测量系统GPS的帮助下获得水下波束的空间位置。
5.根据权利要求4所述的一种空间数据的表达与快速显示方法，其特征在于，所述多波束测深系统通过换能器的发射波束模块在水中发射声波，接收波束模块获取相应的反射波，进而得到从发射声波到反射波的时间，然后利用时间差来计算水深。
6.根据权利要求5所述的一种空间数据的表达与快速显示方法，其特征在于，所述换能器的储能元件为一种压电复合材料，通过下述方法制备：
陶瓷粉末的制备：a.将压电陶瓷材料研磨粉碎，过400目分子筛，得到粒径不大于38μm的压电陶瓷粉；b.将制备得到的压电陶瓷粉分散在乙醇中超声清洗5min～30min后在120℃下干燥1h，待用；
复合相的制备：a.先取少量聚合物材料分散于N，N-二甲基甲酰胺中，得到聚合物极稀溶液，将上述制得的压电陶瓷粉末加入极稀溶液中，搅拌混合均匀，得到复合相极稀溶液；b.将剩余聚合物材料分散于N，N-二甲基甲酰胺中，得到聚合物浓溶液；c.将聚合物浓溶液逐步加入复合相极稀溶液中，并不断搅拌，混合均匀；d.干燥去除溶剂后进行热压成型，制得厚度为0.1mm的压电复合材料；
极化：用较稀的银浆在试样两面均匀地涂成电极后,在硅油浴中进行极化,极化温度为120℃,极化电场为5～25MV/m,极化时间为0.5h。
7.根据权利要求7所述所述的一种空间数据的表达与快速显示方法，其特征在于，所述压电陶瓷材料为钛酸钡、钛酸铅或锆钛酸铅(PZT)中的一种，优选地为PZT；聚合物材料为聚偏氟乙烯(PVDF)、尼龙或环氧树脂中的一种，优选地为PVDF。
8.根据权利要求7或8所述所述的一种空间数据的表达与快速显示方法，其特征在于，所述压电陶瓷材料占聚偏氟乙烯与压电陶瓷材料体积之和的50％～80％；所述聚合物极稀溶液中聚合物与溶剂质量比为1:5～1:30，聚合物浓溶液中聚合物与溶剂质量比为1:5～1:10。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种空间数据的表达与快速显示方法，其特征在于，通过下述方法获取水下地形图：多波束测深系统采集水下声速数据，并转化为水深数据，通过辅助系统采集的定位和姿态数据，将多波束测深系统测量获得的数据体现在地理坐标系下；数据终端系统实现多波束数据分析、滤波、数据合并，生成水下地形曲面图等，得到完整的水深分布数据，并可以输出多种数据格式的数字地形图。
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