Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa

Mục Lục
Chương III: Độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn 6
Chương III 24
ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ĐƯỜNG ĐÁY NGẮN 24
3.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn 24
Nguyễn Văn Tú - 1 - Trắc Địa A – K51
Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa

Danh mục các hình vẽ
STT Hình Nội dung Trang
1 2.1 Mặt cắt nhiệt độ theo độ sâu 13
2 2.2 Biểu đồ độ mặn nước biển trên thế giới , đơn vị
tính là đơn vị muối thực tế
14
3 2.3 Thiết bị cảm biến nhiệt 15
4 2.4 Máy đo vận tốc âm 16
5 2.5 Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ
và độ sâu
16
6 2.6 Nguyên lý khúc xạ tia âm thanh 18
7 2.7 Độ rộng băng tần 19
8 2.8 Chiều dài xung 20
9 2.9 Hình vẽ thể hiện khoảng cách từ đầu
phát biến tới bộ ứng đáp và thiết bị lặn.
21
10 3.1 Sơ đồ bố trí SBL 24
11 3.2 Quan hệ hình học giữa mốc tín hiệu và
ống nghe tín hiệu âm
27

50
Nguyễn Văn Tú - 3 - Trắc Địa A – K51
Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa

Danh sách các bảng biểu
STT Bảng Nội Dung Trang
1 1.1 Chiều dài cạnh đáy, loại trị đo của các
phương pháp định vị thuỷ âm
8
2 1.2 Công thức tốc độ âm theo T,H,P 15
3 3.1 Dải tần số, khoảng cách tối đa và độ chính xác 49
4 4.1 Vận tốc âm tính theo công thức 2.5 52
5 4.2 Vận tốc âm tính theo công thức 2.6 52
6 4.3 Vận tốc âm tính theo công thức 2.7 52
7 4.4 Sai số trung phương khoảng cách đo bằng sóng
âm theo nguyên tắc đo hai chiều( đơn vị m)
53
8 4.5 Sai số trung phương khoảng cách đo bằng sóng
âm theo nguyên tắc đo một chiều( đơn vị m)
54
9 4.6 Tính toạ độ tầu khi biết toạ độ các điểm H
i

và toạ độ điểm P ta tính được toạ độ P’ trong
hệ toạ độ tầu
56
10 4.7 Tính toạ độ tầu khi biết toạ độ các điểm H
i
và
khoảng cách R

Nguyễn Văn Tú - 5 - Trắc Địa A – K51
Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa

Mở đầu
Tính cấp thiết của đề tài:
Nước ta có bờ biển dài gần 3200km, là một quốc gia có ưu điểm về
biển. Trong giai đoạn công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước , Đảng và
Nhà nước chủ trương phát triển kinh tế biển. Vì vậy việc xây dựng các
công trình biển phục vụ các nhiệm vụ phát triển kinh tế, nghiên cứu khoa
học về biển , quan trắc sự thay đổi môi trường biển , khảo sát đáy biển,
theo dõi quá trình trầm tích đáy biển , khai thác tài nguyên khoáng sản …
cũng đang được đẩy mạnh.Việc đổi mới và áp dụng các công nghệ mới ,
các phương pháp tiên tiến trong đo đạc biển nhằm nâng cao độ chính xác ,
giảm thời gian thi công đảm bảo an toàn lao động là nhiệm vụ cần thiết.
Có nhiều phương pháp định vị thuỷ âm được sử dụng: Định vị thuỷ
âm đường đáy siêu ngắn, định vị thuỷ âm đường đáy dài, định vị thuỷ âm
đường đáy ngắn. Song chúng tôi chọn đề tài “ Khảo sát độ chính xác
định vị thuỷ âm đường đáy ngắn” . Đề tài có mục tiêu nghiên cứu độ
chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn, tìm hiểu ưu nhược điểm và
phạm vi ứng dụng của phương pháp định vị thuỷ âm đường đáy ngắn.
Cấu trúc của đề tài bao gồm:
Mở đầu
Chương I : Khái niệm về định vị thuỷ âm và phân loại
Chương II: Một số kiến thức về định vị thuỷ âm
Chương III: Độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn
Chương IV: Tính toán thực nghiệm
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Đặng Nam Chinh và các thầy cô
trong bộ môn trắc địa cao cấp cũng như các thầy cô trong khoa trắc địa đã
tận tình giúp đỡ, chỉ bảo để em có thể hoàn thành đồ án này.
Hà nội, ngày… tháng…năm

Đặc trưng kỹ thuật của chúng được thể hiện ở bảng 1.3
Bảng 1.1. Chiều dài cạnh đáy, loại trị đo của các phương pháp định vị
thuỷ âm:
Phương pháp định vị Chiều dài cạnh đáy Loại trị đo
Định vị thuỷ âm đường
đáy siêu ngắn (USBL)
< 10cm Đo hướng và
khoảng cách
Định vị thuỷ đường
đáy ngắn ( SBL)
20m – 50m Đo hướng và
khoảng cách
Định vị thuỷ âm đường đáy dài
(LBL)
100m – 6000m Đo khoảng
cách
Nguyễn Văn Tú - 7 - Trắc Địa A – K51
Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa

Tuỳ thuộc vào điều kiện khu đo, yêu cầu độ chính xác và chi phí, người
ta có thể lựa chọn phương pháp định vị phù hợp.
1.2.2. Ưu nhược điểm của các phương pháp định vị thuỷ âm.
1.2.2.1. Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn:
a. Ưu điểm :
- Hệ thống dễ triển khai trong thực tế , dễ sử dụng.
- Hệ thống toạ độ đầu phát biến làm cơ sở , không cần hệ thống các mốc
tín hiệu hoặc bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển ( Toạ độ tầu được xác định
bằng GPS).
- Chỉ cần một bộ ứng đáp trên bề mặt, trên thiết bị lặn hoặc công trình .
- Độ chính xác cao trên các đối tượng động.

- Không cần thêm các hệ thống phụ trợ như bộ tham chiếu độ cao , la bàn.
- Bộ phát biến nhỏ, chỉ cần một bộ phát biến cho một thiết bị.
b. Nhược điểm:
- Hệ thống phức tạp đòi hỏi người sử dụng chuyên nghiệp.
- Yêu cầu các hệ thống thiết bị đắt tiền.
- Chi phí nhiều thời gian cho việc triển khai và khôi phục hệ thống.
- Mỗi hệ thống LBL đều yêu cầu kiểm định trước mỗi lần triển khai sử
dụng.
1.2.3. Độ chính xác của định vị thuỷ âm và các nguồn sai số.
1.2. 3.1. Nguồn sai số và độ chính xác của định vị thuỷ âm:
a. Nguồn sai số của định vị thuỷ âm.
1. Lắc dọc và lắc ngang của tàu.
2. Độ lệch offset của dàn đối với điểm quy chiếu , ví dụ như trọng tâm
(COG).
3. Độ dịch chuyển do sự kết hợp của độ lệch dàn và chuyển động lắc dọc
và lắc ngang của tầu.
4. Độ lệch của bộ ứng đáp /bộ đáp/mốc tín hiệu âm dưới biển so với mục
tiêu chỉ định.
b. Độ chính xác của định vị thuỷ âm.
- Độ chính xác của hệ thống định vị thuỷ âm được quyết định bởi độ
chính xác của hệ thống mốc tín hiệu thuỷ âm.
- Độ chính xác phụ thuộc vào việc xác định và hạn chế các hiệu ứng khúc
xạ âm. Điều này đặc biệt chú ý trong vùng có các thiết bị cố định đang
hoạt động như hệ thống dàn khoan ngầm, độ chính xác của hệ thống LBL
trong khu vực này cao hơn hệ thống USBL và SBL.
- Phụ thuộc vào việc xác định và hệ số khúc xạ.
- Phụ thuộc vào các tần số được sử dụng, độ chính xác tăng khi tần số
tăng nhưng giảm hiệu năng.
- Sự tiên tiến của hệ thống phần mềm sử dụng để tính toán dữ liệu định vị.
- Mối quan hệ hình học giữa các thiết bị thuỷ âm.

e
được định nghĩa như sau:
P
e
= P –P
0
(2.1)
Trong đó P là áp suất tức thời , P
0
là áp lực thuỷ tĩnh hay nói cách khác là
áp lực không có sự thay đổi .
Do áp suất lớn, các hạt trong môi trường nước sẽ bắt đầu di chuyển ,
kết quả là khoảng cách giữa các phân tử thay đổi giống như một hàm của
thời gian và vị trí. Để âm thanh truyền qua môi trường , môi trường được
co lại. Lực nén ký hiệu s , s được biểu diễn bằng 1/P
a
, nó là thể tích căng
trên một đơn vị và được biểu diễn như sau :
e
P
vv
s
0
/∆
−=
(2.2)
Khi
υ
∆
thay đổi trong thể tích ban đầu và P

= 1000(kg/m
3
) , tốc độ âm trong môi trường
nước xấp xỉ 1480m/s. So sánh với tốc độ âm trong sắt là khoảng 5050 m/s
và trong không khí là 330 m/s.
Ta cũng có thể dùng công thức tích phân trung bình để xác định vận tốc
âm trong nước:
∫
−
=
−
=
2
1
1212
2,1
)(
)(
1
)(
t
t
TB
dttV
tttt
D
V
(2.4)
Trong đó D
1,2

o
/
oo
)
Trong thực tế độ mặn không được xác định một cách trực tiếp nhưng
được tính toán từ lượng clo của nước , chỉ số khúc xạ âm hay thuộc tính
khác nào đó mà có liên quan tới độ muối. Mẫu mức độ clo có trong nước
biển được sử dụng làm mẫu độ mặn.
Nguyễn Văn Tú - 13 - Trắc Địa A – K51
Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa

Hình 2.2. Biểu đồ độ mặn nước biển trên thế giới , đơn vị tính là đơn
vị muối thực tế
Độ mặn trung bình của nước biển khoảng 35
o
/
oo
. Tỷ lệ thay đổi của tốc
độ âm thanh xấp xỉ 1,3m/s cho sự thay đổi 1
o
/
oo
của độ mặn.
Áp suất : Áp suất cũng tác động đáng kể tới vận tốc âm thanh. Áp suất
là hàm của độ sâu và khoảng thay đổi của tốc độ âm khoảng 1,6m/s với
10 atmospheres xấp xỉ khoảng 100m độ sâu.
Mật độ nước phụ thuộc vào các thông số trước đó tức là nhiệt độ, áp
suất, độ mặn. Năm mươi phần trăm nước biển có mật độ nằm trong
khoảng 1027.7 và 1027.9 kg/m
3

2
2
3
10*6.13518*10
35*2.11810*4
1010*610*39.1492
−−
−
−
+−−−
−+−−
−−−+=
5.242 ≤≤− T

4230
10000
≤≤
≤≤
S
H
( )
( )
HST
T
TTv
22
34
22
10*6.135*1034.1
10*9.2

T
TTv
−
−−
−
−
−
−
−−+
+−+
+
−+=

4030
80000
300
≤≤
≤≤
≤≤
S
H
T
Điển hình công thức thực nghiệm được trình bày ở Bảng 2.1 là tốc độ
âm thanh tăng cùng với sự gia tăng nhiệt độ , độ sâu , độ mặn. Từ các biểu
thức tốc độ âm thanh tăng nhanh khi nhiệt độ tăng.
Có hai thiết bị dùng xác định tốc độ âm trong môi trường nước :
Một là sử dụng thiết bị “ cảm biến nhiệt ” (Bathyermograph) có hình
dạng quả ngư lôi trong đó chứa thiết bị cảm biến nhiệt độ và một đầu dò
để phát hiện sự thay đổi về độ sâu. Các “ cảm biến nhiệt ” có thể cung cấp
thông tin về nhiệt độ mà không cần lấy lại bộ phận cảm biến . “ Cảm biến

trong nước biển. Tỷ lệ hấp thụ phụ thuộc vào tính chất vật lý và hoá học
của nước biển và trên các tần số âm thanh được truyền đi.
Hình 2.5. Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ và độ sâu
Sự lan toả hình cầu phụ thuộc vào cấu trúc hình học , với một góc khối
năng lượng âm truyền qua một diện tích khi khoảng cách từ nguồn âm
Nguyễn Văn Tú - 16 - Trắc Địa A – K51
Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa

tăng. Cả hai đều bị tổn thất do sự hấp thụ và lan toả hình cầu được tính
đến trong phương trình truyền âm theo công thức:
EE = SL -2TL – (NL - DI) +BS – DT (2.9)
Trong đó :
EE (Echo Excess) số dư âm thanh
SL (Source level) Mức nguồn âm
TL (Transmission loss) tổn thất do truyền âm thanh trong môi trường
nước
NL ( Noise level) Mức độ nhiễu âm thanh trong môi trường nước
DI ( Directivity index) Chỉ số hướng của âm thanh trong môi trường nước
BS (Bottom backscattering strength) cường độ tán xạ của đáy biển
DT ( Detection threshold) Ngưỡng tách sóng
Tuy nhiên sự tổn thất từ tán xạ phụ thuộc vào các phần tử hoặc các đối
tượng có trong cột nước. Tán xạ chủ yếu do các sinh vật biển, là nhân tố
chính trong lớp phát tán sâu ( DSL : Deep Scattering Layer) bao gồm lớp
của sinh vật phù du có độ sâu khác nhau, thay đổi hàng ngày.
Khúc xạ là hiện tượng trong đó hướng lan truyền của sóng âm thanh bị
thay đổi do thay đổi tốc độ âm lan truyền trong môi trường hoặc giống
như năng lượng đi qua bề mặt chung , đại diện cho tính không liên tục của
tốc độ âm giữa hai bề mặt.
1221
1122

các áp lực biên của sóng tới.
Đối với các điều kiện chung , tỷ lệ của cường độ âm thanh phản xạ và
truyền qua phụ thuộc chủ yếu vào:
- Tương phản giữa trở kháng của các thiết bị
- Địa hình đáy biển
- Tần số âm
Những đặc trưng của một máy dò bằng tiếng dội được xác định bằng
những bộ chuyển đổi, tức là tính định hướng, chùm tia, chiều rộng, sự
điều khiển chùm tia và cường độ tại cạnh biên.
a. Tần số âm
Các tần số âm thanh là những tham số để xác định phạm vi và những
vùng mà âm thanh có thể đi qua. Sự suy giảm của tín hiệu âm trong nước
tỷ lệ với tần số, tần số càng cao thì sự suy giảm càng nhanh, tức là đo
được khoảng cách ngắn, ngược lại tần số càng thấp thì càng đo được
khoảng cách dài.
Nguyễn Văn Tú - 18 - Trắc Địa A – K51
v
1
<v
2
v
1
>v
2
v
2
v
1
v
1

tần số giữa các tần số ( hình 1.10), tức W = f
2
– f
1

Hệ số chất lượng của bộ phát biến Q được tính bởi công thức :
W
f
Q
0
=
(2.11)
Từ các định nghĩa trên có thể thấy rằng Q và W có sự thay đổi tỷ lệ
nghịch. Do đó, để tối ưu hoá truyền tải năng lượng, các bộ chuyển đổi nên
chuyển gần với các tần số cộng hưởng và do đó có độ rộng băng tần nhỏ,
tức là giá trị hệ số chất lượng cao. Trong quá trình lựa chọn Q là cần thiết
Nguyễn Văn Tú - 19 - Trắc Địa A – K51
Tần số
Tăng
Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa

để có sự phản hồi tốt và phân biệt với các tín hiệu khác, tuy nhiên Q cũng
phải được xác định trong dải tần số , độ rộng băng tần của bộ phát biến
thoả mãn W
τ
1
≥
với
τ
là khoảng thời gian của xung.

Trong đó V là vận tốc âm coi đã biết
( )
tttt
δ
+−=∆
12
t∆
là khoảng thời gian tín hiệu đi và về ( 2 chiều )
Với t
1
là thời gian phát tín hiệu tại bộ phát biến
t
2
là thời gian nhận tín hiệu tại bộ phát biến

t
δ
là độ trễ thời gian giữa tín hiệu thu và phát
Để có được tín hiệu âm cả đi và về, người ta dựa trên hiện tượng phản
xạ âm khi âm thanh gặp đáy biển hoặc một đối tượng có phản xạ âm nào
đó. Theo nguyên tắc đo này, người ta đã chế tạo ra máy đo sâu hồi âm.
Nguyễn Văn Tú - 21 - Trắc Địa A – K51
Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa

Trong định vị thuỷ âm, tín hiệu lan truyền hai chiều được tạo ra bởi
thiết bị ứng đáp thuỷ âm , thiết bị này phát ra tín hiệu âm “ đáp” khi nhận
được tín hiệu âm “hỏi”. Bộ phát biến là thiết bị tạo ra tín hiệu “ hỏi” và
cũng là bộ phận thu nhận tín hiệu “đáp”.
Hình 2.9, bộ phát biến (V) được gắn theo tầu, tiêu ứng đáp thuỷ âm
(B) được đặt dưới đáy biển. Như vậy khoảng cách giữa bộ phát biến và

∂
∂
=
∆
)()(
2
2
1
2
2
1
2
1 tVD
m
t
D
m
V
D
m
(2.13)
Với
v
D
∂
∂
1
=
t
∆






∆
+=
∆
2
2
2
2
2
1
2
1
4
1
t
m
V
m
D
m
tV
D
(2.14b)
2.2.2. Nguyên tắc đo khoảng cách 1 chiều
Nguyên tắc “đo khoảng cách 1 chiều”cũng có thể được thực hiện trong
môi trường nước nếu như có thể đồng bộ thời gian giữa bộ phát tín hiệu.

+






∂
∂
=
∆
)()(
2
2
1
2
2
1
2
1 tVD
m
t
D
m
V
D
m
(2.16)
Nguyễn Văn Tú - 22 - Trắc Địa A – K51
Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa



∆
+=
∆
2
2
2
2
2
2
2
2
t
m
V
m
D
m
tV
D
(2.16b)
Nguyễn Văn Tú - 23 - Trắc Địa A – K51
Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa

Chương III
ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ĐƯỜNG ĐÁY NGẮN
3.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn
3.1.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn
Hình 3.1. Sơ đồ bố trí SBL

(a)
Nguyễn Văn Tú - 25 - Trắc Địa A – K51