TỐC SÓNG ÂM VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU TRONG ĐO SÂU HỒI ÂM ĐƠN TIA” Ngày nay, công tác đo đạc địa hình dưới nước dùng các máy đo sâu hồi âm đơn tia trở nên rất phổ biến tại Việt Nam như: đo
NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các tài liệu giáo khoa, sách báo, các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước thường chỉ tập trung giới thiệu tổng quan về nguyên tắc hoạt động của thiết bị đo sâu và các nguồn sai số chính trong công tác đo sâu hồi âm đơn tia Tuy nhiên, nguyên tắc tính toán, hiệu chỉnh các nguồn sai số khi sử dụng các thiết bị đặc biệt này vào quá trình tính toán kết quả độ sâu sau cùng lại không được công bố một cách rộng rãi bởi các hãng sản xuất phần mềm đo sâu thương mại mà chỉ được xem như tài liệu nội bộ Người sử dụng phải chấp nhận sử dụng thuật toán từ hãng sản xuất phần mềm đó, mà hầu như không nắm bắt được cụ thể nguyên tắc tính toán, hiệu chỉnh dữ liệu từ chúng Điều này sẽ gây ra hậu quả đặc biệt tai hại nếu chẳng may người sử dụng hiểu sai hoặc không đúng bản chất ảnh hưởng, nguyên tắc tính toán và hiệu chỉnh của một hoặc nhiều nguồn sai số kể trên trong quá trình xử lý dữ liệu của mình sẽ làm cho kết quả sau cùng bị sai lệch
Vì vậy, việc hiểu rõ nguyên tắc tính toán, hiệu chỉnh các nguồn sai số này ở các phần mềm đo sâu thương mại cũng không kém phần quan trọng so với việc sử dụng và vận hành các thiết bị này Xuất phát từ thực tế đó, học viên tiến hành thực hiện đề tài “ Khảo sát và cải thiện ảnh hưởng vận tốc sóng âm và độ nghiêng của tàu trong đo sâu hồi âm đơn tia ”.
Mục tiêu của đề tài
Các phần mềm thương mại hiện nay như Hypack Max, HydroPro, … đã có gần như đầy đủ các chức năng hỗ trợ đo đạc với nhiều loại thiết bị khác nhau và hỗ trợ nhiều kỹ thuật xử lý dữ liệu đo sâu khác nhau Tuy nhiên, khi sử dụng phần mềm người sử dụng phải chấp nhận một số cài đặt mặc định của chương trình mà khó có thể hiểu rõ hết ý nghĩa thực tế của các thông số cài đặt đó Với mục tiêu tập trung nghiên cứu về hệ thống đo sâu hồi âm đơn tia kết hợp các thiết bị giúp cải thiện độ chính xác đo sâu như: thiết bị cảm biến chuyển động (motion sensor), thiết bị đo vận tốc sóng âm (sound velocimeter), học viên mong muốn tìm hiểu được
CHƯƠNG 1: NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN
HVTH: Dương Minh Âu - 3 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu nguyên lý hoạt động cũng như cách thức tính toán hiệu chỉnh các nguồn sai số đo được từ thiết bị vào trong phần mềm xử lý dữ liệu Hypack Max
Với các công thức tính toán hiệu chỉnh tìm hiểu được, học viên mong muốn xây dựng một công cụ phần mềm có khả năng xử lý không chỉ dữ liệu đo sâu hồi âm đơn tia thông thường mà còn có khả năng hiệu chỉnh dữ liệu từ thiết bị motion sensor và sound velocimeter Ngoài ra, học viên cũng mong muốn tìm hiểu một số thiết bị rẻ tiền để thay thế thiết bị cảm biến chuyển động và thiết bị đo vận tốc sóng âm đắt tiền.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn
Việc nắm vững nguyên tắc hoạt động, nguyên lý hiệu chỉnh, công thức tính toán các nguồn sai số đo được bằng thiết bị motion sensor và sound velocimeter là rất quan trọng trong công tác thủy đạc dùng máy đo sâu hồi âm đơn tia Nếu luận văn này được thực hiện thành công, sẽ là một tài liệu tổng hợp tương đối đầy đủ về hệ thống đo sâu hồi âm đơn tia, các nguồn sai số ảnh hưởng lên chúng cũng như cơ sở toán học để hiệu chỉnh các nguồn sai số này Vì vậy, luận văn này là một nguồn tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà khoa học, các kỹ sư khảo sát thủy đạc, người làm trong lĩnh vực đo đạc khảo sát địa hình dưới nước tại Việt Nam Đối với người làm trong công tác thủy đạc tại Việt Nam, việc sử dụng các thiết bị motion sensor và sound velocimeter hiện còn khan hiếm do chi phí đầu tư các thiết bị này rất đắc tiền, khó sử dụng và vận hành Vì thế, nếu luận văn được thực hiện thành công, sẽ cung cấp một công cụ phần mềm để giúp người làm công tác thủy đạc tại Việt Nam có thể kiểm chứng kết quả tính toán hiệu chỉnh các nguồn sai số từ các thiết bị motion sensor và sound velocimter trong đo sâu hồi âm đơn tia khi xử lý dữ liệu bằng các phần mềm đo sâu thương mại
Tình hình nghiên cứu trong nước
CHƯƠNG 1: NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN
HVTH: Dương Minh Âu - 4 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Lê Trung Chơn Giáo trình “ Trắc địa biển ” Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, năm 2003
Tài liệu này trình bày một cách tổng quan, đầy đủ về các kỹ thuật đo sâu, giới thiệu các thiết bị thường sử dụng trong đo sâu, các công thức để tính toán cơ bản, quy trình đo đạc, và thành lập bản đồ địa hình đáy sông (biển), … Đây là một trong những tài liệu tham khảo quý giá ở Việt Nam hiện nay cho người làm công tác đo đạc thành lập bản đồ đáy sông (biển) Tuy nhiên, nguyên tắc tính toán ảnh hưởng các chuyển động của tàu (thuyền) khảo sát cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến giá vận tốc truyền âm trong môi trường nước trong quá trình đo sâu lại chưa được trình bày chi tiết trong tài liệu
Nguyễn Thanh Nhuận, Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật “ Tích hợp GPS và
Echo sounder để thành lập bản đồ giao thông thủy ”, Trường Đại học Bách Khoa
Tp Hồ Chí Minh, năm 2005
Luận văn này tập trung nghiên cứu các lý thuyết Địa Tin học tiên tiến như GPS, GIS và Trắc địa biển, ứng dụng chúng để xây dựng một phần mềm tích hợp dữ liệu GPS, Echo Sounder và GIS Phần mềm này có khả năng thiết kế, hiển thị, thu thập dữ liệu, chuyển đổi tọa độ và các tham số liên quan Tuy nhiên, luận văn còn thiếu sót trong việc đề cập đến kiến thức về thiết bị cảm biến chuyển động và thiết bị đo tốc độ âm thanh.
Nguyễn Ngọc Lâu, Nguyễn Quang, Nguyễn Tân Sơn, “ Nâng cao độ chính xác và tính hiệu quả của quá trình thủy đạc bằng kỹ thuật RTK ”, Hội nghị lần thứ nhất của Tổng cục địa chính, Hà Nội, năm 2004
Bài báo chỉ ra rằng phương pháp đo mực nước gần bờ trong quá trình thủy đạc có thể gây ra sai số lớn hơn sai số độ sâu đến ba lần Tuy nhiên, đây chỉ là kết quả của việc khảo sát một đoạn sông ngắn, chúng có thể tệ hơn cho vùng biển, nơi tác
CHƯƠNG 1: NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN
HVTH: Dương Minh Âu - 5 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu động của gió và sóng lớn hơn nhiều lần Với kỹ thuật RTK, ta có một công cụ mới chính xác hơn, hiệu quả hơn để tiến hành quá trình thủy đạc Tuy nhiên, bài báo chưa xét đến các ảnh hưởng từ thiết bị motion sensor và sound velocimeter
Nguyễn Ngọc Lâu, Nguyễn Quang, Nguyễn Tân Sơn, “ Hệ thống thủy đạc chi phí thấp ”, Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 9, Đại học Bách Khoa Tp
Một hệ thống đo đạc thủy đạc chi phí thấp đã được chế tạo trong nghiên cứu này, với chi phí chỉ bằng 1/10 so với hệ thống đo đạc thủy đạc hiện đại, nhưng vẫn cung cấp độ chính xác cần thiết sau quá trình hậu xử lý Tuy nhiên, tác động của thiết bị cảm biến chuyển động và máy đo vận tốc âm thanh vẫn chưa được xem xét trong bài báo này.
Thông tư số 24/2010/TT-BTNMT, về “ Đo đạc, thành lập bản đồ địa hình đáy biển bằng máy đo sâu hồi âm đa tia ”, Bộ Tài nguyên và Môi trường, Việt
Thông tư số 27/2011/TT-BTNMT, về “ Kiểm nghiệm và hiệu chỉnh một số thiết bị đo đạc bản đồ biển ”, Bộ Tài nguyên và Môi trường, Việt Nam, năm 2011
Và một số bài báo được đăng trên các tạp chí chuyên ngành khác trong nước
Tuy nhiên, vẫn chưa phân tích cụ thể ảnh hưởng của các thành phần sai số được đo từ thiết bị motion sensor và sound velocimeter lên hệ thống đo sâu hồi âm đơn tia.
SÓNG ÂM & THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
Khái niệm
Máy đo sâu là một thiết bị điện dùng để xác định độ sâu của lớp nước dưới đáy tàu Để làm được điều này người ta ứng dụng tính chất phản xạ của sóng âm và thông qua việc đo thời gian lan truyền của sóng âm từ khi phát tới khi thu được để tính ra độ sâu của đáy biển dưới đáy tàu.
Tính toán vận tốc sóng âm
HVTH: Dương Minh Âu - 7 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
CHƯƠNG 2 SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 8 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Sự phát triển của đo đạc địa hình dưới nước có liên quan chặt chẽ với việc hoàn thiện không ngừng của phương pháp đo sâu Trước khi máy đo sâu hồi âm ra đời, việc đo vẽ địa hình dưới nước chỉ dựa vào quả dọi chì đo sâu Phương pháp đo sâu nguyên thuỷ này không những độ chính xác rất thấp, tốn công tốn thời gian mà còn cho hiệu suất không cao vì chỉ có thể đo sâu từng điểm khi con tàu đứng yên
Do đó, căn cứ vào tư liệu độ sâu có hạn mà quả dọi chì đo sâu đo được, không thể tiến hành đo vẽ địa hình dưới nước và nghiên cứu sự phát triển của hải dương Máy đo sâu hồi âm xuất hiện vào những năm 20 (của thế kỷ 20) đo sâu bằng cách phát sóng âm xuống nước theo phương thẳng đứng và thu sóng phản xạ từ đáy, dựa vào thời gian sóng âm đi và về để tính độ sâu Khi tàu đo đi trên mặt nước sẽ đo được một đường độ sâu liên tục, thông qua sự biến đổi của độ sâu đo được có thể xác định địa hình địa mạo của đáy biển Dùng máy đo sâu hồi âm để đo địa hình dưới nước là một phương pháp đo đạc thông dụng nhất
2.1 – MÁY ĐO SÂU HỒI ÂM:
Máy đo sâu là một thiết bị điện dùng để xác định độ sâu của lớp nước dưới đáy tàu Để làm được điều này người ta ứng dụng tính chất phản xạ của sóng âm và thông qua việc đo thời gian lan truyền của sóng âm từ khi phát tới khi thu được để tính ra độ sâu của đáy biển dưới đáy tàu
Máy đo sâu hồi âm hoạt động như sau, người ta đặt một nguồn phát sóng âm A và một thiết bị thu sóng âm C (hai thiết bị này có cùng nguyên lý hoạt động, vì vậy người ta thường dùng chung một thiết bị gọi là thiết bị thu phát dùng cho cả phát lẫn thu sóng âm) dưới đáy tàu gọi là bộ tạo dao động (hay đầu dò – transducer) Máy phát sóng âm cứ cách một khoảng thời gian nhất định phát về phía đáy biển B một xung sóng siêu âm theo chiều thẳng đứng Sóng siêu âm này khi đến đáy biển thì phản hồi trở về đáy tàu và tác dụng vào bộ tạo dao động Tín hiệu phản hồi thu được dưới dạng tín hiệu điện được chuyển cho bộ phận khuếch đại rồi
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 9 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu đưa sang thiết bị chỉ báo Bằng các phương pháp điện và cơ, bộ phận chỉ báo tính toán và chỉ báo ra độ sâu
Hình 2.1: Nguyên lý đo sâu bằng sóng âm theo [10]
2.2.1 Tính toán tốc độ sóng âm:
Vận tốc sóng âm trong nước là khác nhau và phụ thuộc vào mật độ và độ đàn hồi trong từng loại môi trường nước Những đặc trưng này, khi xác định độ sâu cho các dự án khảo sát sông, khảo sát các cảng thông thường ở vùng nước nông là một hàm toán học của các giá trị cơ bản như nhiệt độ, độ mặn, áp suất Mặt khác, theo tài liệu (IHO 2005) thì ngoài các yếu tố chính trên, một vài yếu tố phụ khác cũng ảnh hưởng đáng kể lên giá trị vận tốc sóng âm tính toán được như bong bóng khí hay vi sinh vật lơ lửng trong môi trường, … Hơn nữa, vận tốc sóng âm có thể khác nhau từ nơi này đến nơi khác trong khu vực khảo sát Vì vậy, một giá trị trung bình của sóng âm trong nước được các nhà khoa học đề nghị được biết đến là c, và trong môi trường nước biển được chấp nhận với giá trị trung bình là 1500m/s trong điều kiện thông thường (nhiệt độ 0 0 C, độ mặn 35 o /oo, áp suất 760mmHg) Tuy nhiên, giá
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 10 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu trị này có thể biến động trong khoảng 1350m/s và 1550m/s tùy thuộc vào đặc tính của môi trường nước
Xác định vận tốc sóng âm trong nước là thành phần quan trọng trong công tác thủy đạc vì nó quyết định đến độ chính xác của giá trị độ sâu đo được Có nhiều phương pháp xác định vận tốc sóng âm, tuy nhiên, một cách tổng quan, thường bao gồm các phương pháp chính như: dùng công thức kinh điển để tính toán sử dụng đầu vào là các yếu tố đo được như (nhiệt độ, độ mặn, áp suất) hoặc dùng công nghệ
Công nghệ phản xạ sóng siêu âm trên một khoảng cách đã xác định, thường được gọi là "sing-around", được sử dụng trong các thiết bị đo cảm biến hoặc phương pháp kiểm tra bar - check để xác định vị trí của các vật thể hoặc biên giới.
Công thức xác định vận tốc sóng âm kinh điển
Tốc độ âm thanh có thể được xác định bằng các công thức kinh điển dựa trên các thông số như nhiệt độ T, áp suất P (hoặc độ sâu D) và độ mặn S thu được từ các cảm biến tích hợp trong thiết bị đo vận tốc âm thanh Theo thống kê, có 4 nhóm công thức chính được sử dụng rộng rãi: Chen & Millero (dùng cho độ sâu nước dưới 1000m), Del Grosso (dùng cho độ sâu nước trên 1000m), Medwin (tính toán nhanh cho độ sâu nước lên đến 8000m ở đại dương) và Mackenzie (tính toán nhanh cho độ sâu nước lên đến 1000m ở đại dương).
Công thức được viết như sau: c = 1449.2 + 4.623T – 0.0546T 2 + 1.391(S – 35) (2.1)
Công thức Chen và Millero:
Công thức tính vận tốc âm thanh trong nước nổi tiếng được biết đến là công thức của UNESCO do Chen và Millero đề xuất năm 1977, sử dụng giá trị áp suất P là một biến thay vì sử dụng biến độ sâu D Công thức được viết như sau:
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 11 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu c(S,T,P) = Cw(T,P) + A(T,P)S + B(T,P)S 3/2 + D(T,P)S 2 (2.2) Cw(T,P) = (C00 + C01T + C02T 2 + C03T 3 + C04T 4 + C05T 5 ) +
T = nhiệt độ ( 0 C) S = độ mặn ( 0 /00) P = áp suất (bar)
Phạm vi áp dụng: nhiệt độ từ 0 tới 40 0 C, độ mặn từ 0 tới 40 0 /00, áp suất từ 0 tới 1000bar (Wong và Zhu, 1995)
Bảng các hệ số đặc trưng:
Coefficients Numerical values Coefficients Numerical values
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 12 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Một công thức khác thay thế công thức UNESCO, được một số tác giả ưa thích hơn là phương trình của Del Grosso Sau đó, Wong và Zhu (1995) đã cải chỉnh lại công thức tính theo thang nhiệt độ quốc tế mới 1990 Công thức được viết như sau: c(S,T,P) = C000 + ∆CT + ∆CS + ∆CP + ∆STP (2.3) ∆CT(T) = CT1T + CT2T 2 + CT3T 3
∆CP(P) = CP1P + CP2P 2 + CP3P 3 ∆CSTP(S,T,P) = CTPTP + CT3PT 3 P + CTP2TP 2 + CT2P2T 2 P 2 + CTP3TP 3
CSTST + CST2ST 2 + CSTPSTP + CS2TPS 2 TP + CS2P2S 2 P 2 T = nhiệt độ ( 0 C)
S = độ mặn ( 0 /00) P = áp suất (kg/cm 2 )
Phạm vi áp dụng: nhiệt độ từ 0 tới 30 0 C, độ mặn từ 30 tới 40 0 /00, áp suất từ 0 tới 1000 kg/cm 3 (Wong và Zhu, 1995)
Bảng các hệ số đặc trưng:
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 13 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Công thức được viết như sau: c = 1449.2 + 4.6T – 0.055T 2 + 0.00029T 3 + (1.34 – 0.010T)(S-35) + 0.016D
Phạm vi áp dụng: nhiệt độ từ 0 tới 35 0 C, độ mặn từ 0 tới 45 0 /00, độ sâu từ 0 tới 1000m
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 14 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu c = 1449.2 + 4.623T – 0.0546T 2 + 0.0003T 3 + (1.391 – 0.012T)(S-35) +
Công thức được viết như sau: c(D,S,T) = 1448.96 + 4.591T – 5.304x10 -2 T 2 + 2.374x10 -4 T 3 + 1.340(S-35) + 1.630x10 -2 D + 1.675x10 -7 D 2 – 1.025x10 -2 T(S-35) – 7.139x10 -13 TD 3
Phạm vi áp dụng: nhiệt độ từ 2 tới 30 0 C, độ mặn từ 25 tới 40 0 /00, độ sâu từ 0 tới 8000m
Lưu ý: Cả hai công thức UNESCO và Del Grosso dùng biến là P (áp suất) thay vì D (độ sâu) Vì thế, Leroy và Parthiot (1998) đã đề xuất các công thức chuyển đổi giữa P và D như sau:
Z = độ sâu (m) P = áp suất (Mpa)
Phạm vi áp dụng: công thức trên được áp dụng cho vùng nước ở đại dương, trong điều kiện chuẩn 0 0 C, và độ mặn 35 0 /00.
Kiểm nghiệm bar-check
Phương pháp kiểm nghiệm bar-check phải được thực hiện trong điều kiện sóng gió yên tĩnh Phương pháp bar-check được thực hiện để kiểm nghiệm độ sâu đọc được từ máy đo sâu Hai thông số là độ sâu đo từ đầu dò tới đĩa và khoảng cách thực từ đầu dò tới đĩa được đối chiếu trong suốt quá trình kiểm nghiệm này
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 15 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Theo [1], bar-check là công cụ dùng để phản hồi sóng âm, có dạng đĩa sắt đường kính 0,7-0,8m, độ dày khoảng 10mm, khoan các lỗ nhỏ đường kính 10-15mm để chìm xuống nước Đĩa treo cân bằng bằng dây cáp mịn đường kính nhỏ, đánh dấu khoảng cách 2m, 4m, 6m, 8m, , 60m.
Hình 2.2: Phương pháp bar-check
Quy trình thực hiện như sau:
Xác định vận tốc truyền âm trong nước tại khu vực đo, sử dụng máy đo vận tốc sóng âm truyền trong nước tại những độ sâu khác nhau sau đó lấy trị trung bình
Lấy kết quả đo vận tốc này cài vào máy đo sâu để tiến hành đo kiểm nghiệm
Trong quá trình kiểm nghiệm lần lượt thả đĩa xuống sâu 2m, 4m, 6m, … và đọc kết quả nhận được từ máy đo sâu, sau đó so sánh và vẽ đường biểu diễn
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 16 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Nếu không có thiết bị đo vận tốc sóng âm thì vận tốc sóng âm có thể được tính toán bằng công thức sau:
.SV_nhap_vao_may_do_sau
SV Do sau may do sau (2.9)
Hình 2.3: Mẫu ghi kết quả thử nghiệm bằng phương pháp bar check
Công thức hiệu chỉnh độ sâu khi sử dụng đĩa phản xạ sóng âm bar- check:
Các độ sâu hiệu chỉnh có thể được tính toán theo công thức sau:
ar ar 1 1 0 ar c i i i i i i d b b rec rec d rec b (2.10) Với: d c độ sâu đã hiệu chỉnh d 0độ sâu đã được ghi bởi máy đo sâu ar i b độ sâu trên thanh bar check tại điểm i ar i 1 b độ sâu trên thanh bar check tại điểm i+1 rec i độ sâu được ghi bởi máy đo sâu tại điểm i
1 rec i độ sâu được ghi bởi máy đo sâu tại điểm i+1 Giả sử nếu máy đo sâu ghi nhận giá trị độ sâu là 43.5ft Dựa theo bảng thử nghiệm bar check phía trên tương ứng trong khoảng thử nghiệm 40 và 45ft Từ bảng, ta có các giá trị: ar i 40; i 40.6 b rec
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 17 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Ta có thể tính toán lại giá trị hiệu chỉnh cho giá trị độ sâu mà máy đo sâu cung cấp như sau:
2.3 – THIẾT BỊ ĐO VẬN TỐC SÓNG ÂM:
Giới thiệu một số thiết bị đo vận tốc sóng âm hiện nay
Các thiết bị đo tốc độ sóng âm tiên tiến hiện đại thường tích hợp hiển thị giá trị tốc độ sóng âm và chiều sâu trên bảng điều khiển, giúp người đo nắm được tốc độ sóng âm thực tế tại vị trí đo hoặc lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ thiết bị Công thức Del Grosso thường được áp dụng trong các phần mềm xử lý của thiết bị để tính toán các giá trị tốc độ sóng âm.
Có hai nguyên tắc được sử dụng trong các dòng thiết bị đo vận tốc sóng âm hiện nay là: nguyên tắc dựa trên các cảm biến nhiệt độ, độ mặn, áp suất, … để tính toán giá trị vận tốc sóng âm và nguyên tắc dựa trên sự phản xạ sóng siêu âm trên một khoảng cách đã biết trước (sing-around) để tính toán giá trị vận tốc sóng âm
Một số thiết bị của các hãng nổi tiếng có thể kể đến như: Teledyne (Canada), Valeport (Anh), AML Oceanographic, ACT Technology (Mỹ), …
Hình 2.4: Thiết bị đo vận tốc sóng âm hãng Valeport (trái) và Teledyne (phải)
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 18 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Nguyên lý hoạt động
Thiết bị đo vận tốc sóng âm trực tiếp sử dụng công nghệ “sing – around”, và được thiết kế tương tự như kiểm nghiệm đầu biến âm Sự khác biệt là khoảng cách giữa đầu biến âm và đĩa Trong kiểm nghiệm đầu biến âm thì khoảng cách thông thường là 1m, trong khi đó thì trong các thiết bị đo vận tốc sóng âm thì khoảng cách này chỉ vài cm Đầu biến âm truyền xung sau khi nhận được xung trước đó Bằng cách đo đạc liên tục tần số của xung tạo ra, vận tốc sóng âm sẽ được xác định
Ngoài ra, còn dùng các cảm biến đo nhiệt độ, độ mặn, áp suất (độ sâu) gắn kèm để tính toán giá trị vận tốc sóng âm Thông thường các thiết bị đo vận tốc sóng âm trực tiếp theo công nghệ phản xạ sóng siêu âm sẽ hoạt động theo lưu đồ sau:
Hình 2.5: Sơ đồ làm việc của thiết bị đo sóng âm trực tiếp
Thiết bị đo vận tốc sóng âm đo thời gian ánh sáng của một xung 4 MHz theo danh nghĩa qua một khoảng đường truyền 20cm xuyên qua một thể tích nước biển nhỏ Một bộ dao động điều khiển điện thế (VCO – Voltage Controlled Oscillator), phát ra một tần số 3.94 – 4.01 MHz vận hành đảm bảo được đặt gần sự cộng hưởng của đầu dò điện áp (PZT 850) Sử dụng 128 chu kỳ sóng hình sin liên tục xuất ra của VCO tới đầu dò để tạo ra một bộ chuyển đổi xung sóng âm xấp xỉ 32 s Xung lan truyền xuyên qua trong môi trường nước, được phản xạ ở một tấm vuông góc,
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 19 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu và nhận được tín hiệu phản hồi tại đầu dò với một chu kỳ thời gian di chuyển xấp xỉ 140s Độ dài xung đảm bảo rằng tín hiệu đạt đến một biên độ không đổi
Hình 2.6: Chi tiết đầu đo vận tốc sóng âm theo [18]
Thời gian ánh sáng của xung (t) được xác định từ kết quả đo chu kỳ VCO (P) và số chu kỳ VCO (n) vào thời điểm giữa xung phát và xung nhận.
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 20 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Thiết bị đo vận tốc sóng âm sử dụng một bộ cân bằng nhiệt độ với bộ đếm 10 MHz để xác định tần số VCO (f) với độ phân giải là 3 Hz.
Tần số VCO được hiệu chỉnh để số làn (số chu kỳ) là một số nguyên Khi điều kiện này thỏa, xung phát và xung phản hồi nhận được là cùng pha Số chu kỳ tuyệt đối là không biết bởi vì nó phụ thuộc vào đường truyền không biết trước Thêm nữa, có thể có độ trễ điện hiện hữu trong thiết bị Vận tốc sóng âm SVV được tính toán từ làn (số chu kỳ) n, tần số f, chiều dài đường truyền (L0) và nhiệt độ (T) sử dụng công thức:
Trong đó: là hệ số ảnh hưởng của sự giản nỡ nhiệt của đường truyền sóng âm, thường là 5.5x10 -9 / 0 C, đặc trưng bởi nhà sản xuất
Hình 2.7: Mô hình thiết bị đo vận tốc sóng âm theo [18]
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 21 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Công thức hiệu chỉnh độ sâu khi vận tốc sóng âm được đo bằng thiết bị sound velocimeter:
Với: d và d’ là độ sâu hiệu chỉnh và độ sâu đo được SV_echosounder là vận tốc sóng âm đã nhập vào máy đo sâu và SVChen&Millero là vận tốc sóng âm được tính toán bằng công thức Chen&Millero khi thực hiện đo các giá trị nhiệt độ, độ mặn, áp suất nước bằng các cảm biến chuyên dụng
Nếu sử dụng thiết bị đo vận tốc sóng âm thì hệ số SVChen&Millero được thay thế bằng SV tính được của chính thiết bị đo vận tốc sóng âm
2.3.3 Độ chính xác một số thiết bị đo vận tốc sóng âm thương mại:
Thiết bị đo vận tốc sóng âm SV Xchange (Applied Microsystem):
Hình 2.8: Thiết bị đo vận tốc sóng âm SV.Xchange theo [18]
Bảng 2.1: Độ chính xác thiết bị SV Xchange (hãng Applied Microsystems – Anh)
SV.Xchange Ngưỡng đo Độ chính xác Độ phân giải Vận tốc sóng âm 1400–1550 (m/s) ±0.03 (m/s) 0.015 (m/s)
Nhiệt độ –2 0 C –45 0 C ±0.003 0 C 0.001 0 C Áp suất 6000m ±0.03%FS 0.005%FS Độ mặn 0–40 psu ±0.035 psu
Thiết bị đo vận tốc sóng âm Digibar Pro:
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 22 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 2.9: Thiết bị đo vận tốc sóng âm Digibar Pro Bảng 2.2: Độ chính xác thiết bị Digibar Pro
Để đánh giá ảnh hưởng của độ chính xác đo vận tốc sóng âm đến độ sâu đo được, các học viên đã tính toán sai số vận tốc sóng âm trong phạm vi 0,1 m/s đến 20 m/s Họ cũng giả định độ sâu đo thực từ 1 m đến 25 m và vận tốc sóng âm chính xác là 1515 m/s Kết quả cho thấy sai số độ sâu do sai số vận tốc sóng âm gây ra tăng theo độ sâu đo.
Hình 2.10: Thống kê sai số độ sâu tương ứng với sai số vận tốc sóng âm đo được
Khảo sát sai số tương ứng của thiết bị SV.Xchange và Digibar Pro như sau:
Tên thiết bị Độ chính xác Độ sâu nước Sai số độ sâu sinh ra (m)
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 23 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
2.4 – CÁC KỸ THUẬT ĐO SÂU CƠ BẢN:
Hình 2.11: Phóng to vị trí bị bỏ xót trong đo sâu hồi âm theo [18]
Sào đo sâu
Đối với những nơi có độ sâu từ 3-5m và tốc độ dòng chảy nhỏ hơn 1.5m/s người ta thường dùng sào để đo sâu Sào có thể làm bằng tre, nứa, gỗ Đường kính của sào từ 4-5cm, sào dài từ 6-7m Trên thân sào có khắc vạch ghi đến dm, hoặc sơn đen, đỏ Chân sào có lắp đế sắt nặng 0.5-1Kg
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 24 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 2.12: Kỹ thuật đo sâu bằng sào đo sâu theo [18]
Hình 2.13: Mô phỏng kỹ thuật đo sâu bằng phương pháp dùng sào đo sâu theo [18]
Thả dọi
Làm bằng dây không co giãn, trên đó khắc vạch chia đơn vị đo chiều dài và một đầu có buộc vật nặng
Hình 2.14: Kỹ thuật đo sâu bằng thả dọi theo [18]
Hai phương pháp trên còn được gọi là phương pháp đo sâu thủ công, hiện nay ít được sử dụng Tuy nhiên, phương pháp đo sâu thủ công này có thể được áp dụng
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
Phương pháp đo sâu thủ công được áp dụng khi phương pháp đo sâu hồi âm không khả thi hoặc cho kết quả kém chính xác, đặc biệt hiệu quả khi khảo sát đá hoặc bê tông dưới nước, trên mái dốc đê, hay tại vị trí cập mạn tàu khảo sát gần bờ Phương pháp này thường được dùng kết hợp với đo sâu hồi âm để kiểm tra thiết bị hoặc hỗ trợ lẫn nhau, đảm bảo kết quả khảo sát đáng tin cậy.
Phương pháp hiệu chỉnh mực nước khi sử dụng phương pháp đo sâu thủ công:
Trong quá trình đo sâu, nếu mực nước lên xuống so với độ sâu trung bình từ 1- 2% (nếu đo sâu bằng sào) và 2-3% (nếu đo sâu bằng thả dọi) thì người ta lấy trung bình mực nước lúc bắt đầu đo và lúc kết thúc làm mực nước tính toán và không cần hiệu chỉnh kết quả đo sâu
Nếu mực nước lên xuống quá mức trên thì người ta lấy mực nước lúc bắt đầu đo làm mực nước tính toán và phải hiệu chỉnh tất cả các kết quả đo sâu
Mỗi lần đo sâu đều phải đo mực nước để tính toán giá trị hiệu chỉnh bằng cách lấy mực nước tính toán trừ đi mực nước đo được Khi mực nước dâng lên, giá trị hiệu chỉnh sẽ là số âm Ngược lại, khi mực nước rút xuống, giá trị hiệu chỉnh là số dương.
Hình 2.15: Mô phỏng đo mực nước trong phương pháp đo sâu thủ công theo [18]
Trường hợp chỉ đo mực nước lúc bắt đầu đo sâu và lúc kết thúc việc đo sâu thì số hiệu chỉnh tính theo công thức nội suy:
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 26 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
là số hiệu chỉnh cho điểm đo sâu thứ i
G là chênh lệch mực nước lúc bắt đầu đo sâu và lúc kết thúc đo sâu
t là thời gian đo sâu ở điểm thứ i ti là thời điểm đo sâu ở điểm thứ i t0 là thời điểm từ lúc bắt đầu đo mực nước Độ sâu sau hiệu chỉnh sẽ tính bằng công thức:
Với: h i ' là số liệu đo sâu.
Máy đo sâu hồi âm đơn tia
Là các loại máy đo sâu hồi âm phát một chùm tia thẳng đứng với bề mặt xuống đáy sông, biển Với việc xác định chính xác tốc độ truyền âm trong môi trường đo và đo được chính xác thời gian truyền theo lộ trình hai lần độ sâu đáy, sẽ tính được độ sâu đo
Hình 2.16: Kỹ thuật đo sâu hồi âm đơn tia theo [18]
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 27 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Máy đo sâu hồi âm thế hệ mới đã thay đổi cách mà kết quả đo sâu được hiển thị Trước đây, dữ liệu đo sâu chỉ được hiển thị trên băng giấy Tuy nhiên, máy đo sâu hiện đại cung cấp hai phương thức hiển thị kết quả: băng giấy truyền thống và tệp dữ liệu số.
Việc cho ra kết quả đo sâu dưới dạng số tạo điều kiện kết nối với các thiết bị khác thông qua phần mềm thủy đạc Do đó, có thể tạo ra một dây chuyền sản xuất tự động trong đo đạc địa hình đáy sông, biển
Hình 2.17: Minh họa kỹ thuật đo sâu hồi âm đơn tia theo [18]
Máy đo sâu hồi âm đơn tia là một thiết bị thăm dò đáy biển phát ra một chùm sóng âm xuống nước và đo thời gian từ khi sóng truyền đi đến khi sóng phản xạ trở lại máy thu Máy đo sâu hồi âm đơn tia có nhiều loại khác nhau, phù hợp với các mục đích sử dụng khác nhau Các loại máy đo sâu hồi âm đơn tia này bao gồm các loại máy đo dùng cho vùng biển nông và các loại máy đo dùng cho vùng biển sâu.
Nhược điểm của các máy đo sâu hồi âm đơn tia là năng suất thấp Vì vậy không thể sử dụng các loại máy đo sâu hồi âm đơn tia để đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển bao trùm lãnh hải.
Máy đo sâu hồi âm đa tia
Máy đo sâu hồi âm đa tia phát ra một chùm tia sóng âm, hình phễu, có độ mở của góc chùm tia từ 60-150 0 Đặc biệt một số máy đo sâu đa tia đã thiết kế góc mở chùm tia sóng âm lên đến 190 0 để có thể đo được địa hình nằm trong góc nhìn 5 0 phía trên cần phát biến Các tia âm cách nhau 2-3 0 với khoảng cách ngang giữa hai tia khoảng từ 4-6% độ sâu đo được Tùy theo góc mở của chùm tia âm, độ phủ của chùm tia âm dao động từ 1.4-1.7 lần chiều sâu đo được
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 28 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Như vậy, với một tuyến đo, máy đo sâu hồi âm có thể quét một dải địa hình rộng gấp nhiều lần độ sâu đo được Với độ sâu 300m, máy đo sâu hồi âm đa tia có thể quét một dải địa hình khoảng 800-1000m
Máy đo sâu hồi âm đa tia có thể chia ra 3 chủng loại: máy đo vùng biển nông, máy đo vùng biển trung bình và máy đo vùng biển sâu Các chủng loại máy khác nhau ở tần số sử dụng, công suất phát âm, mật độ tia âm, lực nét của xung âm và góc mở của chùm tia
Hình 2.18: Kỹ thuật đo sâu hồi âm đa tia theo [18]
Hình 2.19: Minh họa kỹ thuật đo sâu hồi âm đa tia theo [18]
Phương pháp đo sâu hậu xử lý kiểu base-rover
Các hệ thống thủy đạc hiện đại cho phép khảo sát địa hình đáy sông (biển) một cách hiệu quả và chính xác với thời gian hậu xử lý rất ít Tuy nhiên, những hệ thống
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
Việc xử lý hình ảnh phun từ vệ tinh SAR liên quan đến việc sử dụng phần mềm chuyên dụng, thường đắt tiền và cần thời gian để học cách sử dụng Tuy nhiên, khi triển khai trên thực địa, hệ thống SAR dễ vận hành hơn vì không cần thiết lập liên kết vô tuyến và có thể sử dụng các máy thu một tần số giá rẻ hơn Các thông số của loại máy thu một tần số thường được sử dụng bao gồm:
STT Nội dung Đặc tính kỹ thuật
1 Chế độ đo - Tĩnh, dừng và đi, động
- Thường không hỗ trợ đo RTK
2 Trị đo Mã và pha trên tần số L1
3 Độ chính xác đo tĩnh - Mặt bằng: 5mm + 1ppm
4 Độ chính xác đo động - Mặt bằng: 12mm + 2.5ppm
- Độ cao: 15mm + 2.5ppm 5 Giới hạn chiều dài đường đáy đo động 10Km
Theo bảng trên ta có thể thấy độ chính xác định vị mặt bằng và độ cao của loại máy thu này không thua kém bao nhiêu so với độ chính xác RTK của loại hai tần số thế hệ mới (sai số mặt bằng: 10mm + 1.5ppm; sai số độ cao: 20mm+1.5ppm) Do đó, chúng hoàn toàn đáp ứng độ chính xác đề ra của quá trình thủy đạc
Hình 2.20: Kỹ thuật đo GPS ứng dụng trong đo sâu
Nguyên tắc đo có thể được tóm tắt như sau: một máy thu đặt tại điểm gốc A đã biết trước tọa độ Máy thu thứ hai đặt trên thuyền có anten gắn đồng trục với cần đo sâu của máy đo sâu hồi âm Cả hai máy thu GPS và máy đo sâu đều cài đặt tốc độ
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 30 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu thu dữ liệu giống nhau Một máy tính laptop đặt trên thuyền có cài đặt phần mềm đo sâu có khả năng liên kết với máy đo sâu hồi âm và máy thu GPS Để khảo sát địa hình đáy sông, biển thuyền đo chạy theo các tuyến đo sâu đã thiết kế trước bằng cách dựa vào các vị trí thuyền hiển thị trên nền của bản đồ số
Hình 2.21: Nguyên tắc thủy đạc hậu xử lý
Theo hình vẽ trên thì tọa độ điểm đo sâu được xác định bằng công nghệ GPS (kiểu định vị tương đối dạng đo động (sử dụng 2 máy thu base-rover, kiểu đo DGPS, hoặc phương pháp định vị điểm đơn chính xác PPP)
Cao độ đáy sông được xác định bằng hương pháp đo mực nước gần bờ bằng trạm đo triều Hình vẽ trên mô tả phương pháp xác định cao độ đáy sông trong thủy đạc hậu xử lý, trong đó:
Với: a là số đọc trên mia tại vị trí mốc cơ sở b là số đọc trên mia tại vị trí đọc mia nước c là số đọc mực nước tại vị trí đặt mia nước h0 là độ cao của trạm cơ sở (mốc khống chế trên bờ) hw là độ cao của mực nước so với mặt Geoid
Khi đó, độ cao của đáy sông tại vị trí đo sẽ được tính bằng công thức: h h w d (2.16)
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 31 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Sau khi kết thúc việc đo trên thực địa, dữ liệu GPS được ghi vào máy tính cùng với dữ liệu độ sâu theo thời gian từ phần mềm đo sâu chuyên dụng Kết quả của quá trình này là một file dữ liệu chứa tọa độ (x1, y1) và độ sâu (d) từ đầu sensor đến đáy sông theo thời gian
File dữ liệu thứ hai được trút từ bộ nhớ máy thu GPS bằng phần mềm chuyên dụng đi kèm Kết quả của quá trình này là file chứa tọa độ (x2, y2) và độ cao (D) của đầu sensor được xử lý bằng phương pháp xử lý GPS tương đối, dạng đo động hậu xử lý bằng phần mềm GPS với độ chính xác phù hợp với máy thu
Tuy nhiên, file (x1, y1) được cung cấp từ bản thân máy thu GPS 1 tần số nên độ chính xác không cao do ở trạng thái định vị tuyệt đối nên độ chính xác từ 5-15m
Nó cần phải được thay thế bằng tọa độ chứa trong file tọa độ thứ hai là (x2, y2) Do đó, dữ liệu của 2 file sẽ được tích hợp với nhau và cho ra file thứ ba có dạng (x2, y2, h), chính là tọa độ và độ sâu của vị trí điểm cần đo của đáy sông, biển
Lưu đồ của chương trình xử lý như sau:
Hình 2.22: Sơ đồ đo thủy đạc sử dụng kỹ thuật đo động hậu xử lý
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 32 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Phương pháp đo sâu hậu xử lý kiểu DGPS
Máy thu DGPS sẽ được kết nối đồng bộ với máy đo sâu hồi âm bằng phần mềm đo sâu chuyên dụng Quá trình này cho ta file dữ liệu tọa độ và độ sâu đã được đồng bộ thời gian (x1, y1, d)
Quá trình đọc mực nước gần bờ cung cấp ta file cao độ mực nước theo thời gian (hw)
Sơ đồ của phương pháp có thể tóm tắt như sau:
Hình 2.23: Sơ đồ đo sâu sử dụng kỹ thuật đo DGPS kết hợp quan trắc mực nước
Phương pháp đo sâu áp dụng đo động thời gian thực GPS RTK
HVTH: Dương Minh Âu - 7 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU
Lắp đặt cảm biến
Cài đặt mặc định cho cảm biến là theo hướng nằm ngang Để thuận tiện, có thể lắp đặt cảm biến theo kiểu thẳng đứng hoặc nằm ngang Không có sự khác biệt về dữ liệu đo được khi chọn kiểu lắp đặt, tuy nhiên phải khai báo cài đặt này vào cài đặt của cảm biến
Một thuận lợi của kiểu lắp đặt cảm biến nằm ngang sẽ giúp cho trục yaw của cảm biến sẽ thẳng hàng với trục của tàu Đối với hướng lắp đặt nằm ngang: lắp đặt mũi tên trên nhãn của cảm biến hướng lên phía trước mũi tàu
Hình 3.2: Mô phỏng quá trình lắp đặt cảm biến theo hướng nằm ngang theo [13]
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU
CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU
HVTH: Dương Minh Âu - 42 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu Đối với hướng lắp đặt nằm ngang-đảo chiều: lắp đặt mũi tên trên nhãn của cảm biến hướng ngược lại hướng mũi tàu Đối với hướng lắp đặt thẳng đứng:
Hình 3.3: Mô phỏng quá trình lắp đặt cảm biến theo hướng thẳng đứng theo [13]
Nguyên lý hoạt động
Cảm biến bao gồm một mảng các cảm biến tốc độ và gia tốc Các thiết bị này đo trọng lực và gia tốc tác động lên cảm biến Cảm biến biến đổi các tín hiệu này thành các trị đo thể hiện sự chuyển động và định hướng tương ứng Cảm biến sử dụng 2 loại phần tử cảm biến:
Cảm biến vận tốc góc
Các thành phần này nằm trong hệ tọa độ 3 trục vuông góc để mỗi trục luôn gồm 1 gia tốc tuyến tính và 1 cảm biến vận tốc góc
Hình 3.4: Hệ trục vuông góc của cảm biến theo [13]
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU
CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU
HVTH: Dương Minh Âu - 43 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Gia tốc tuyến tính được sử dụng bao gồm 2 thành phần chính:
Khối lượng chịu lực (proof mass)
Mạng phản hồi và dò tìm (detection and feedback network)
Khối lượng chịu lực: Độ nhạy của bộ đo gia tốc gồm một tấm hình tròn, mỏng chứa silicon vô định hình có đường kính xấp xỉ 10mm Vật liệu này có đặc tính đàn hồi theo 1 hướng và không đàn hồi theo các hướng khác
Hình 3.5: Bộ đo gia tốc khối lượng chịu lực theo [13]
Khi gắn vào bộ đo gia tốc, vòng ngoài cùng của đĩa silicon sẽ gắn vào thiết bị
Phần đĩa trung tâm được giữ cố định một phần nhỏ, phần còn lại di chuyển tự do theo ảnh hưởng của hướng độ nhạy và không chịu ảnh hưởng của bất kỳ hướng nào khác Khi thiết bị chịu ảnh hưởng theo hướng của độ nhạy, đĩa trung tâm sẽ bị xiên theo hướng độ nhạy
Hình 3.6: Minh họa hình chiếu một bên của đĩa silicon trong 3 điều kiện theo [13]
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU
CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU
HVTH: Dương Minh Âu - 44 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu a) Không có gia tốc theo hướng độ nhạy Khối lượng chịu lực cùng phương với biên ngoài của đĩa b) Gia tốc có trị số nhỏ hướng sang phải Khối lượng chịu lực bị bẻ cong về phía sau một góc nhỏ c) Gia tốc có trị số lớn hơn hướng sang phải Khối lượng chịu lực bị bẻ cong về phía sau một góc lớn hơn
Như vậy, gia tốc ảnh hưởng càng mạnh thì góc giữa khối lượng chịu lực do ảnh của hưởng đường sức càng lớn Theo lý thuyết để tính toán độ lớn của gia tốc tác dụng bằng cách đo góc bị bẻ cong này Tuy nhiên phương pháp này không thực tế vì một số nguyên nhân sau:
Quan hệ giữa gia tốc và góc bẻ cong là không tuyến tính
Điểm tiếp xúc của đĩa trung tâm và khối lượng chịu lực sẽ dễ gãy nếu ảnh hưởng của lực tác động lớn (gia tốc lớn)
Bộ đo gia tốc sử dụng mạng dò tìm để đo độ cong của khối lượng chịu lực và đĩa trung tâm Từ đó, phản hồi lại một lực để giữ khối lượng chịu lực tại vị trí trung tâm của nó.
Hình 3.7: Mạng dò tìm và phản hồi theo [13]
Gắn kèm mỗi bên của khối lượng chịu lực là một cuộn dây Những cuộn dây này kết nối với nhau Một nam châm được gắn cố định bao quanh mỗi cuộn dây Sự chuyển động của khối lượng chịu lực cho phép cuộn dây dịch chuyển tương ứng với
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU
CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU
HVTH: Dương Minh Âu - 45 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu nam châm Tại biên xa nhất của khối lượng chịu lực từ vị trí được giữ cố định được kết nối với bộ dò tìm vị trí
Trong trạng thái ổn định: không có lực nào thì khối lượng chịu lực sẽ đứng yên giữa 2 nam châm Bộ dò vị trí và bộ tụ sẽ cân bằng và không có dữ liệu xuất ra từ bộ khuếch đại
Trong trạng thái có gia tốc: khi có lực tác động sẽ sinh ra gia tốc theo hướng độ nhạy, khối lượng chịu lực sẽ bị xiên so với vị trí trung tâm giữa các nam châm
Do sự xiên này sinh ra dữ liệu tín hiệu xuất ra từ bộ khuếch đại, tín hiệu này đi qua 2 cuộn dây Độ lớn và cực của dòng xuất ra từ bộ khuếch đại sẽ đi qua các cuộn dây theo hướng tâm của nam châm, đồng thời làm dịch chuyển khối lượng chịu lực Độ lớn của dòng điện hiện hành cần thiết để giữ khối lượng chịu lực ở tâm cũng chính là gia tốc cần tìm Cảm biến hiệu chỉnh tuyến tính hệ số tỷ lệ và các số hiệu chỉnh đặc biệt khác để tính toán lại gia tốc sau cùng
Cảm biến vận tốc góc:
Bộ cảm biến tốc độ là độ nhạy tới bất kỳ sự xoay nào theo 3 trục Bộ cảm biến tốc độ này đo vận tốc góc và chuyển động tuyến tính theo bất kỳ hướng nào Để hiểu rõ chúng ta xem xét ví dụ về con lắc đơn như sau:
Hình 3.8: Mặt phẳng dao động cố định của con lắc theo [13]
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU
CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU
HVTH: Dương Minh Âu - 46 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình trên thể hiện một con lắc treo để có thể đung đưa tự do trong một mặt phẳng dao động đơn lẻ Một đặc tính của con lắc đó là khi nó được tạo một dao động thì sẽ sinh ra một lực để chống lại lực đã được tạo ra đó
Hình 3.9: Mẫu rung động cộng hưởng của một khối tròn theo [13]
Hình trên thể hiện một tỷ lệ phóng đại, các một khối rung tương ứng với con lắc đơn Trong trường hợp này thì các lực bên ngoài gây ra cho khối sự rung để điểm A và A’ di chuyển đồng thời bên trong hướng vào bên trong so với hướng tâm trong nửa chu kỳ dao động và di chuyển hướng ra ngoài so với hướng tâm trong nửa chu kỳ dao động kế tiếp Đồng thời điểm B và B’ cũng dao động theo hướng vào bên trong và ra ngoài tương tự như hình vẽ
Giữa các điểm giao cắt của chuyển động này tạo ra 4 nút C, không thay đổi qua các chu kỳ dao động
Dao động cộng hưởng diễn ra khi dao động cưỡng bức đạt biên độ cực đại Lúc này, khối dao động cố định theo một hướng nhất định và duy trì trạng thái dao động đó cho tới khi lực tác động ban đầu chấm dứt Các nút sóng trong hệ thống dao động cộng hưởng có biên độ bằng 0 và không bị ảnh hưởng bởi dao động cộng hưởng.
Những đặc tính của mảng trực giao
Cảm biến bao gồm 3 bộ đo gia tốc tuyến tính và 3 cảm biến vận tốc được sắp xếp trong mảng trực giao nhau Khi được lắp đặt đúng, 3 trục trực giao này sẽ cùng phương với các trục roll, pitch và yaw của tàu
Dưới điều kiện tĩnh, chỉ có gia tốc hoạt động trên mảng trực giao với giá trị là
9.81m/s 2 (1g) do ảnh hưởng trọng lực Bằng cách thêm vào một véc tơ trên thành phần xuất ra của bộ đo gia tốc, cảm biến đo gia tốc do ảnh hưởng của trọng lực và hướng tương đối của nó
Nếu xoay cảm biến tới vị trí tĩnh khác, các trị đo tạo ra bởi 3 bộ đo gia tốc tuyến tính sẽ thay đổi tương đối với nhau Tuy nhiên, véc tơ tổng hợp của chúng sẽ vẫn chỉ biên độ và hướng của trọng lực
Bằng cách này, mảng các gia tốc tuyến tính có chức năng như bộ đo độ nghiêng trạng thái rắn và cho phép cảm biến đo được sự định hướng của nó trong điều kiện tĩnh
Hình vẽ trên thể hiện cách tính toán một cảm biến chịu ảnh hưởng một xung gia tốc hướng ngang không kèm theo chuyển dịch phương đứng và ảnh hưởng do thay đổi định hướng của cảm biến
Hình 3.10: Véc tơ trọng lực và gia tốc hướng ngang theo [13]
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU
CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU
HVTH: Dương Minh Âu - 48 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM VÀ ĐỘ RUNG LẮC CỦA TÀU
Một số dòng thiết bị motion sensor tiêu biểu
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 78 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH
VẬN TỐC TRUYỀN ÂM VÀ ĐỘ
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 79 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Như đã trình bày ở chương 2, để cải thiện độ chính xác công tác đo sâu hồi âm đơn tia thì việc xác định giá trị vận tốc truyền âm chính xác và đo đạc được các góc nghiêng (lắc xoay) của tàu trong môi trường động trên mặt sông, biển là rất quan trọng Tuy nhiên, việc đầu tư các thiết bị trên đòi hỏi rất tốn kém Do đó, học viên đã tìm hiểu và đề xuất một số phương pháp có thể xác định các yếu tố trên với chi phí thấp hoặc tận dụng các thiết bị sẵn có rẻ tiền
4.1 – ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM:
Một trong những phương pháp xác định vận tốc sóng âm là đo được các giá trị nhiệt độ, độ mặn và áp suất nước, rồi dùng các công thức kinh điển như trình bày ở mục 2.2.2 của chương 2 để tính toán giá trị vận tốc sóng âm tương ứng
Trên thực tế, một số dòng cảm biến trên thị trường cũng sử dụng nguyên tắc trên hoặc sử dụng nguyên lý phản xạ sóng âm để xác định giá trị vận tốc truyền âm như thiết bị Digibar Pro Tuy nhiên, các thiết bị như vậy thường rất đắt tiền Nhằm tìm ra một phương pháp tính toán vận tốc truyền âm với chi phí thấp, học viên đề xuất phương pháp sử dụng các thiết bị đo nhiệt độ, độ mặn, áp suất rẻ tiền như thiết bị EC170 của hãng Extech (Mỹ) để đo đạc giá trị nhiệt độ và độ mặn của lớp nước bề mặt tại mỗi khu vực khảo sát (trong sông và ngoài biển) Sau đó, sử dụng các giá trị nhiệt độ, độ mặn đo được tiến hành sử dụng công thức tính toán vận tốc sóng âm kinh điển đã được minh chứng về tính chính xác để tính toán giá trị vận tốc truyền âm Đặc tính kỹ thuật của thiết bị Extech EC170 như sau:
Bảng 4.1: Bảng đặc tính kỹ thuật của thiết bị EC170 Đặc tính kỹ thuật Ngưỡng đo Độ phân giải tối đa Độ chính xác Độ mặn 0 – 10 ppt
Kích thước 32 x 165 x 35mm Trọng lượng 110g
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 80 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 4.1: Thiết bị đo vận tốc sóng âm Digibar Pro
Hình 4.2: Thiết bị đo nhiệt độ và độ mặn của hãng Extech (Mỹ) mã hiệu EC170
Thiết bị Extech EC170 giá rẻ có hạn chế không đo được áp suất nước Do đó, cần tiến hành khảo sát kỹ lưỡng về đặc tính áp suất nước tại từng khu vực, chẳng hạn như sông và biển, để đảm bảo kết quả tính toán vận tốc truyền âm chính xác và đáng tin cậy.
Mối quan hệ ảnh hưởng của các thông số (nhiệt độ, độ mặn và áp suất hay độ sâu) ảnh hưởng lên giá trị vận tốc sóng âm đo được theo tài liệu [9] như sau:
4.1.2 Ảnh hưởng của các thông số trong các công thức kinh điển:
Nhóm tác giả đã tiến hành khảo sát với các thông số biến đổi là nhiệt độ từ 0 – 20°C, độ mặn từ 0 – 40‰ và độ sâu từ 0 đến 400m Dựa trên dữ liệu thu thập được, các đồ thị mô tả mối quan hệ giữa các công thức khi các thông số nhiệt độ, độ mặn và độ sâu thay đổi.
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 81 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 4.3: Mối quan hệ của vận tốc theo nhiệt độ, độ mặn và độ sâu theo [9]
Theo đồ thị ở trên thì nhiệt độ là nhân tố quan trọng nhất Khi nhiệt độ T thay đổi từ 0-20 0 C, cột vận tốc sóng âm sẽ thay đổi rất lớn, tuy nhiên, đối với thành phần độ mặn S và độ sâu Z thì hầu như không làm cho cột vận tốc sóng âm không thay đổi nhiều
Hình 4.4: Ảnh hưởng của công thức với các giá trị nhiệt độ khác nhau theo [9]
Với nhiệt độ khác nhau trong điều kiện nước bình thường chỉ ra rằng, ảnh hưởng của công thức do nhiệt độ là nhỏ, chỉ lên đến vài m/s trong môi trường nước
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 82 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu ấm Từ đồ thị trên, ta thấy rằng ảnh hưởng của độ mặn và độ sâu (áp suất) lên các công thức khác nhau là như nhau
Hình 4.5: Ảnh hưởng của công thức với các giá trị độ mặn khác nhau theo [9]
Với nhiệt độ khác nhau trong điều kiện nước bình thường, đồ thị ở trên chỉ ra rằng, ngoại trừ công thức Wilson, ảnh hưởng do độ mặn lên các công thức là nhỏ, chỉ lên đến vài m/s trong điều kiện nước lạnh
Hình 4.6: Ảnh hưởng của công thức với các giá trị độ sâu khác nhau theo [9]
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 83 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Qua đồ thị trên, có thể thấy rằng, ngoại trừ công thức Del Grosso và Wilson không bị ảnh hưởng bởi độ sâu nước, thì các công thức còn lại đều chịu sự ảnh hưởng gần như nhau bởi độ sâu.
Theo [1], một cách tổng quát sai số do sự ảnh hưởng về tốc độ sóng âm lên độ chính xác đo sâu hồi âm được tính toán như sau:
Âm truyền trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ t, độ mặn S và áp suất tĩnh P với độ sâu H
Để tính tốc độ thực tế của âm truyền trong nước theo nhiệt độ và độ mặn, người ta thường dùng công thức Del Grosso dưới dạng như sau:
Trong thực tế, người ta rút gọn chỉ đến số hạng thứ 6, còn những đại lượng còn lại bằng vô cùng bé, có thể bỏ qua
Số hiệu chỉnh áp suất tính theo: VP = 0.0175P với P tính theo Decibar hoặc
VH = 0.0175H với H tính bằng mét
Tốc độ truyền âm thực tế trong nước: V = V0 + P
Khi đó, số cải chính về độ sâu:
V Z V Z V 0 Δ Khi độ sâu tăng thì chênh lệch giữa V và Vo tăng Nếu 1
V V 0 thay đổi 1% với độ sâu 10m đến 0.1m
4.2 – ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHUYỂN ĐỘNG LẮC XOAY CỦA TÀU KHẢO SÁT:
4.2.1 Phương pháp đề xuất: Để có thể tính toán được các giá trị lắc xoay của tàu theo các trục roll/pitch, học viên đề xuất một phương pháp mới có thể tính toán được các giá trị roll, pitch bằng cách đặt các máy thu GNSS tại vị trí các trục chính của tàu thay thế cho việc dùng các thiết bị motion sensor đắt tiền
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 84 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Phương pháp sử dụng 3 máy thu GNSS đặt tại trục dọc (xác định pitch) và trục ngang (xác định roll), tiến hành thu dữ liệu GNSS với tốc độ thu 1s/ 1epoch Sau khi dữ liệu được trút vào máy vi tính bằng phần mềm chuyên dụng, tiến hành xử lý dữ liệu GNSS ở từng cặp máy thu GNSS đặt ở từng trục theo kiểu xử lý “Moving- Base” bằng phần mềm xử lý GNSS mã nguồn mở RTKLib phiên bản 2.4.2
Sau quá trình xử lý, phần mềm RTKLib cung cấp nhiều tham số trong đó quan trọng nhất là 2 tham số: du (chênh cao giữa 2 anten) và sdu (sai số xác định chênh cao) Dựa vào chênh cao và khoảng cách cố định giữa 2 anten có thể dễ dàng tính toán góc xoay roll/pitch tương ứng với từng trục của tàu.
Các khung tọa độ
Trong xác định định hướng một đối tượng động bất kỳ thường được định nghĩa bằng hai khung tọa độ tham khảo riêng biệt: hệ thống tọa độ mặt bằng địa phương và hệ thống tọa độ của bản thân đối tượng đó
Các khung tọa độ và các góc xoay được định nghĩa như hình 4.7 Các trục của khung mặt bằng địa phương được định nghĩa như sau: trục N theo hướng bắc, trục E theo hướng đông và trục U hướng lên trên Đối với hệ thọa độ của tàu: trục N’ hướng về phía mũi tàu, trục E’ hướng sang phải và trục U’ hướng lên trên
Sự xoay quanh trục N gọi là ROLL, xoay quanh trục E gọi là PITCH và xoay quanh trục U gọi là YAW Khi roll, pitch và yaw bằng 0, khung tọa độ tàu là cùng phương với khung tọa độ địa phương Bắt đầu từ điểm tham khảo của hệ thống, khung tọa độ của tàu trước tiên xoay quanh trục U bởi góc xoay hướng (góc xoay yaw), còn gọi là góc Sau đó, khung tọa độ của tàu tiếp tục chịu sự xoay bởi góc xoay Pitch, còn gọi là góc xoay Cuối cùng, nó chịu sự xoay bởi góc xoay roll, hay còn gọi là góc xoay
Tất cả các góc xoay tuân theo chiều dương, thỏa quy tắc bàn tay phải
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 85 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Chương trình con lấy dữ liệu với tốc độ khác nhau
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 78 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH
VẬN TỐC TRUYỀN ÂM VÀ ĐỘ
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 79 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Như đã trình bày ở chương 2, để cải thiện độ chính xác công tác đo sâu hồi âm đơn tia thì việc xác định giá trị vận tốc truyền âm chính xác và đo đạc được các góc nghiêng (lắc xoay) của tàu trong môi trường động trên mặt sông, biển là rất quan trọng Tuy nhiên, việc đầu tư các thiết bị trên đòi hỏi rất tốn kém Do đó, học viên đã tìm hiểu và đề xuất một số phương pháp có thể xác định các yếu tố trên với chi phí thấp hoặc tận dụng các thiết bị sẵn có rẻ tiền
4.1 – ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM:
Một trong những phương pháp xác định vận tốc sóng âm là đo được các giá trị nhiệt độ, độ mặn và áp suất nước, rồi dùng các công thức kinh điển như trình bày ở mục 2.2.2 của chương 2 để tính toán giá trị vận tốc sóng âm tương ứng
Trên thực tế, một số dòng cảm biến trên thị trường cũng sử dụng nguyên tắc trên hoặc sử dụng nguyên lý phản xạ sóng âm để xác định giá trị vận tốc truyền âm như thiết bị Digibar Pro Tuy nhiên, các thiết bị như vậy thường rất đắt tiền Nhằm tìm ra một phương pháp tính toán vận tốc truyền âm với chi phí thấp, học viên đề xuất phương pháp sử dụng các thiết bị đo nhiệt độ, độ mặn, áp suất rẻ tiền như thiết bị EC170 của hãng Extech (Mỹ) để đo đạc giá trị nhiệt độ và độ mặn của lớp nước bề mặt tại mỗi khu vực khảo sát (trong sông và ngoài biển) Sau đó, sử dụng các giá trị nhiệt độ, độ mặn đo được tiến hành sử dụng công thức tính toán vận tốc sóng âm kinh điển đã được minh chứng về tính chính xác để tính toán giá trị vận tốc truyền âm Đặc tính kỹ thuật của thiết bị Extech EC170 như sau:
Bảng 4.1: Bảng đặc tính kỹ thuật của thiết bị EC170 Đặc tính kỹ thuật Ngưỡng đo Độ phân giải tối đa Độ chính xác Độ mặn 0 – 10 ppt
Kích thước 32 x 165 x 35mm Trọng lượng 110g
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 80 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 4.1: Thiết bị đo vận tốc sóng âm Digibar Pro
Hình 4.2: Thiết bị đo nhiệt độ và độ mặn của hãng Extech (Mỹ) mã hiệu EC170
Hạn chế của thiết bị rẻ tiền Extech EC170 là không có khả năng đo được giá trị áp suất nước Do vậy, cần phải có những khảo sát chi tiết về tính chất áp suất nước ở từng khu vực như trong sông và ngoài biển để kết quả tính vận tốc truyền âm được tin cậy
Mối quan hệ ảnh hưởng của các thông số (nhiệt độ, độ mặn và áp suất hay độ sâu) ảnh hưởng lên giá trị vận tốc sóng âm đo được theo tài liệu [9] như sau:
4.1.2 Ảnh hưởng của các thông số trong các công thức kinh điển:
Theo tài liệu [9], nhóm tác giả đã tiến hành khảo sát với nhiệt độ biến đổi từ 0 – 20 0 C, độ mặn biến đổi từ 0 – 40‰, và độ sâu thay đổi từ 0 đến 400m Các đồ thị dưới đây thể hiện quan hệ giữa các công thức khi các giá trị nhiệt độ, độ mặn và độ sâu thay đổi
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 81 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 4.3: Mối quan hệ của vận tốc theo nhiệt độ, độ mặn và độ sâu theo [9]
Theo đồ thị ở trên thì nhiệt độ là nhân tố quan trọng nhất Khi nhiệt độ T thay đổi từ 0-20 0 C, cột vận tốc sóng âm sẽ thay đổi rất lớn, tuy nhiên, đối với thành phần độ mặn S và độ sâu Z thì hầu như không làm cho cột vận tốc sóng âm không thay đổi nhiều
Hình 4.4: Ảnh hưởng của công thức với các giá trị nhiệt độ khác nhau theo [9]
Với nhiệt độ khác nhau trong điều kiện nước bình thường chỉ ra rằng, ảnh hưởng của công thức do nhiệt độ là nhỏ, chỉ lên đến vài m/s trong môi trường nước
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
Ảnh hưởng của độ mặn và áp suất (độ sâu) lên các công thức tăng trưởng có sự tương đồng nhau Điều này được thể hiện qua đồ thị, cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa các biến số này trong việc xác định tốc độ tăng trưởng của động vật thủy sản.
Hình 4.5: Ảnh hưởng của công thức với các giá trị độ mặn khác nhau theo [9]
Trong điều kiện nước bình thường với phạm vi nhiệt độ khác nhau, ảnh hưởng của độ mặn đến các công thức tính tốc độ âm trong nước biển là không đáng kể Sự khác biệt trong kết quả tính toán giữa các công thức chỉ vào khoảng vài mét/giây trong điều kiện nước lạnh.
Hình 4.6: Ảnh hưởng của công thức với các giá trị độ sâu khác nhau theo [9]
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 83 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Từ đồ thị ở trên cho thấy rằng, ngoại trừ công thức Del Grosso và Wilson không ảnh hưởng của độ sâu nước, các công thức khác đều chịu ảnh hưởng bởi độ sâu gần như bằng nhau
Theo [1], một cách tổng quát sai số do sự ảnh hưởng về tốc độ sóng âm lên độ chính xác đo sâu hồi âm được tính toán như sau:
Âm truyền trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ t, độ mặn S và áp suất tĩnh P với độ sâu H
Để tính tốc độ thực tế của âm truyền trong nước theo nhiệt độ và độ mặn, người ta thường dùng công thức Del Grosso dưới dạng như sau:
Trong thực tế, người ta rút gọn chỉ đến số hạng thứ 6, còn những đại lượng còn lại bằng vô cùng bé, có thể bỏ qua
Số hiệu chỉnh áp suất tính theo: VP = 0.0175P với P tính theo Decibar hoặc
VH = 0.0175H với H tính bằng mét
Tốc độ truyền âm thực tế trong nước: V = V0 + P
Khi đó, số cải chính về độ sâu:
V Z V Z V 0 Δ Khi độ sâu tăng thì chênh lệch giữa V và Vo tăng Nếu 1
V V 0 thay đổi 1% với độ sâu 10m đến 0.1m
4.2 – ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHUYỂN ĐỘNG LẮC XOAY CỦA TÀU KHẢO SÁT:
4.2.1 Phương pháp đề xuất: Để có thể tính toán được các giá trị lắc xoay của tàu theo các trục roll/pitch, học viên đề xuất một phương pháp mới có thể tính toán được các giá trị roll, pitch bằng cách đặt các máy thu GNSS tại vị trí các trục chính của tàu thay thế cho việc dùng các thiết bị motion sensor đắt tiền
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 84 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Sử dụng phương pháp 3 máy thu GNSS đặt tại trục dọc (xác định độ nghiêng) và trục ngang (xác định độ lật), thu thập dữ liệu GNSS với tốc độ 1 giây/1 epoch Sau khi dữ liệu được trút vào máy tính bằng phần mềm chuyên dụng, tiến hành xử lý dữ liệu GNSS ở từng cặp máy thu đặt tại từng trục theo phương pháp "Moving-Base" bằng phần mềm xử lý GNSS mã nguồn mở RTKLib phiên bản 2.4.2.
Sau quá trình xử lý, phần mềm RTKLib cung cấp nhiều tham số trong đó quan trọng nhất là 2 tham số: du (chênh cao giữa 2 anten) và sdu (sai số xác định chênh cao) Dựa vào chênh cao và khoảng cách cố định giữa 2 anten có thể dễ dàng tính toán góc xoay roll/pitch tương ứng với từng trục của tàu
Trong xác định định hướng một đối tượng động bất kỳ thường được định nghĩa bằng hai khung tọa độ tham khảo riêng biệt: hệ thống tọa độ mặt bằng địa phương và hệ thống tọa độ của bản thân đối tượng đó
Chương trình con đồng bộ các file theo thời gian
Chương trình con này thực hiện công việc tạo ra các file dữ liệu đồng bộ hoàn toàn về thời gian dựa vào tốc độ thời gian mà người dùng muốn lọc theo chương trình con “lấy dữ liệu theo các tốc độ thu khác nhau” Lưu đồ hoạt động của chương trình được tóm tắt như dưới đây:
Hình 4.25: Sơ đồ khối của chương trình con đồng bộ các file theo thời gian Đ
Máy đo sâu Motion sensor
Lọc dữ liệu theo tốc độ thu:
1s, 2s, 5s, 10s, 15s, … Ghi kết quả vào file
Máy đo sâu Motion sensor
Thời gian thu ở các file có giống nhau?
Ghi kết quả vào file
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM
VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU
HVTH: Dương Minh Âu - 105 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Chương trình con hiệu chỉnh roll/pitch vào dữ liệu đo sâu
Chương trình này hỗ trợ áp dụng hoặc không áp dụng ảnh hưởng roll/pitch tính toán từ GNSS vào kết quả đo sâu Ngoài ra, chương trình còn có khả năng xử lý hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu từ thiết bị cảm biến chuyển động, nếu được cung cấp.
Hình 4.26: Sơ đồ khối chương trình con hiệu chỉnh roll/ pitch vào dữ liệu đo sâu
THU THẬP DỮ LIỆU VÀ XỬ LÝ
Khu đo ngoài biển
HVTH: Dương Minh Âu - 107 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
CHƯƠNG 5 THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 108 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Trong chương này, học viên sẽ tiến hành xử lý dữ liệu đã thu thập được bao gồm dữ liệu đo trong sông tại khu vực Thanh Đa, thành phố Hồ Chí Minh và dữ liệu đo ngoài biển thuộc khu vực Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh Cả hai khu vực đo đều được thực hiện công tác đo sâu hồi âm đơn tia, sử dụng các thiết bị đi kèm như: máy đo sâu hồi âm đơn tia Odom Hydrotrac, hệ thống GNSS RTK Topcon Hiper, thiết bị cảm biến chuyển động motion sensor TSS DMS-05, thiết bị đo vận tốc sóng âm Sound Velocimeter Digibar Pro, … Ngoài ra, học viên cũng lắp đặt thêm 2 máy thu GNSS đặt vuông góc với anten Rover của hệ thống GNSS RTK để phục vụ khảo sát tính toán roll, pitch bằng công nghệ GNSS cũng như thực hiện thêm việc sử dụng cảm biến đo nhiệt độ, độ mặn và áp suất rẻ tiền đi cùng để so sánh kết quả tính vận tốc sóng âm từ công thức và từ thiết bị đo vận tốc sóng âm đắt tiền Digibar Pro
Tiến hành thu thập dữ liệu đo khu vực trong sông với các thiết bị cơ bản như:
4 máy thu GNSS 2 tần số hãng Topcon (Nhật Bản) bao gồm: 1 máy đặt tại trạm base trên bờ, 3 máy thu còn lại đặt dưới tàu khảo sát để phục vụ tính toán tọa độ điểm đo sâu tại máy thu rover và xác định góc lắc xoay bằng công nghệ GNSS
Hình 5.1: Trạm base sử dụng máy thu GNSS Topcon (Đo biển – bên trái & Đo sông – bên phải)
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 109 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 5.2 Máy thu GNSS phục vụ đo khu vực trong sông
Hình 5.3 Trạm base (trái) và 3 máy thu còn lại trên tàu khảo sát Để xác định chính xác các góc xoay roll, pitch và heave ảnh hưởng lên tàu khảo sát tại khu vực sông Thanh Đa, học viên sử dụng kết hợp thiết bị đo cảm biến motion sensor TSS DMS-05 Dữ liệu từ thiết bị này xuất ra làm cơ sở để so sánh đối chiếu với kết quả tính toán roll, pitch bằng công nghệ GNSS
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 110 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 5.4 Thiết bị motion sensor TSS DMS-05
Hình 5.5 Thiết bị đo vận tốc sóng âm Digibar Pro
Thiết bị đo vận tốc sóng âm được đo thử nghiệm đồng thời với việc đo đạc nhiệt độ, độ mặn bằng thiết bị cầm tay rẻ tiền Extech EC170 ngay tại khu đo
Hình 5.6 Thử nghiệm đồng thời thiết bị Digibar Pro và thiết bị Extech EC170
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 111 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Dữ liệu đo khu vực biển bao gồm các thiết bị chính như: 2 máy thu GNSS 2 tần số hãng Topcon (Nhật Bản) bao gồm: 1 máy đặt tại trạm base trên bờ, 1 máy thu còn lại tại trạm rover trên tàu khảo sát Để phục vụ tính toán các góc lắc xoay bằng công nghệ GNSS, học viên sử dụng kết hợp thêm 2 máy thu GNSS một tần số hãng Ruide R70 (Trung Quốc)
Hình 5.7 Các máy thu GNSS phục vụ đo biển
Ngoài ra, học viên cũng tiến hành phương pháp bar-check bằng đĩa phản xạ sóng âm, đo vận tốc truyền âm tại khu vực đo bằng thiết bị chuyên dụng Digibar Pro và bằng thiết bị đo nhiệt độ độ mặn Extech EC170 ngay tại cùng khu vực đo
Hình 5.8 Thiết bị bar-check và Digibar Pro phục vụ đo biển
Trong các phần mềm khảo sát thủy đạc hiện nay có khả năng ghi nhận và xử lý đồng thời các dữ liệu đo từ nhiều thiết bị khác nhau kể trên có thể nhắc đến như:
HydroPro, Qinsy, Hypack Max, … Tất cả các phần mềm kể trên đều phải có khóa cứng bản quyền để chạy được chương trình một cách hoàn chỉnh Với khả năng xử lý linh hoạt nhiều kiểu định vị, hỗ trợ đọc và xuất dữ liệu từ nhiều loại thiết bị khác nhau và với sự sẵn có của khóa cứng bản quyền phần mềm Hypack Max Do vậy,
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
Để đảm bảo độ chính xác cao và áp dụng phương pháp tiên tiến trong thu thập dữ liệu nghiên cứu, học viên đã lựa chọn phần mềm Hypack Max phiên bản 2009a làm công cụ chủ yếu Hypack Max là phần mềm khảo sát thủy đạc uy tín, được cộng đồng thủy đạc thế giới tin dùng rộng rãi và liên tục cập nhật Việc sử dụng phần mềm này góp phần nâng cao chất lượng số liệu nghiên cứu trong luận văn.
Hình 5.9: Khóa cứng bản quyền phần mềm Hypack
Hình 5.10: Màn hình máy tính cài đặt sẵn phần mềm đo sâu Hypack Max
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 113 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
5.2 – XỬ LÝ DỮ LIỆU VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ:
Vận tốc truyền âm
Theo [1], giá trị áp suất có thể được tính toán nhanh chóng cho khu vực có độ sâu bất kỳ bằng công thức VP = 0.0175P với P tính theo Decibar hoặc VH 0.0175H với H tính bằng mét Như vậy, theo công thức trên, với khu vực có độ sâu khoảng 25m thì giá trị áp suất tương ứng sẽ là 0.04 bar
Do khu vực khảo sát thực nghiệm của luận văn có độ sâu nhỏ chỉ ở mức vài chục mét (< 25m), vì vậy, ảnh hưởng của áp suất lên giá trị vận tốc sóng âm tính được thường không đáng kể, thậm chí có thể bỏ qua Do độ sâu của khu vực khảo sát thực nghiệm của luận văn là vùng nước nông (thường nhỏ hơn 25m), đây cũng là một trong những hạn chế của quá trình thu thập dữ liệu thực nghiệm cho nghiên cứu của luận văn khi chưa có điều kiện thử nghiệm ở những nơi có độ sâu lớn hơn, mà tại đó dự kiến sẽ có sự thay đổi vận tốc sóng âm lớn
Kết quả đo thử nghiệm nhiệt độ và độ mặn đồng thời khu vực đo tại Thanh Đa được cung cấp ở bảng dưới đây:
Bảng 5.1: Bảng kết quả đo đạc giá trị nhiệt độ và độ mặn của nước
Khu vực đo Nhiệt độ (t 0 C) Độ mặn (S–ppt) Áp suất (bar)
Sử dụng mô đun Tiền xử lý/ Tính vận tốc sóng âm trong phần mềm HydroTools để tính toán giá trị vận tốc sóng âm sử dụng công thức Chen & Millero
Hình 5.11: Mô đun tính vận tốc sóng âm
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 114 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Kết quả tính được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 5.2: Bảng so sánh kết quả tính giữa thiết bị rẻ tiền và từ Digibar Pro
Khu vực khảo sát Thiết bị rẻ tiền Digibar Pro Độ lệch Trong sông 1505.808 (m/s) 1506.2 (m/s) 0.4 (m/s)
Kết quả đo thử nghiệm nhiệt độ và độ mặn đồng thời khu vực đo tại khu vực cảng biển trung tâm điện lực Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh như sau:
Bảng 5.3: Bảng kết quả đo đạc giá trị nhiệt độ và độ mặn của nước
Khu vực đo Nhiệt độ (t 0 C) Độ mặn (S–ppt) Áp suất (bar)
Kết quả tính toán theo công thức Chen & Millero thể hiện trong bảng sau:
Bảng 5.4: Bảng so sánh kết quả tính giữa thiết bị rẻ tiền và từ Digibar Pro
Khu vực khảo sát Thiết bị rẻ tiền Digibar Pro Độ lệch Ngoài biển 1513.050 (m/s) 1514.1 (m/s) 1.0 (m/s)
Từ kết quả khảo sát từ các bảng trên, ta thấy độ lệch khi tính toán bằng công thức dùng thiết bị rẻ tiền và thiết bị Digibar Pro cho kết quả lệch nhau rất nhỏ, chỉ ở mức 1m/s Tuy nhiên, kết quả này có được trong điều kiện chưa khảo sát được chi tiết ảnh hưởng của giá trị áp suất nước
Do giá trị vận tốc sóng âm đo được bằng thiết bị cảm biến rẻ tiền Extech EC170 chỉ phù hợp với việc đo nhiệt độ, độ mặn, áp suất cho lớp nước ở bề mặt
Tuy nhiên, giá trị vận tốc truyền âm sẽ khác nhau và phụ thuộc vào độ sâu khu đo
Do vậy, trong quá trình thu thập dữ liệu học viên cũng tiến hành đo đạc giá trị vận tốc sóng âm tương ứng với cách khoảng độ sâu cách nhau 5m tại khu vực đo trong sông ở Thanh Đa, thành phố Hồ Chí Minh để có cơ sở đánh giá sự thay đổi giá trị vận tốc sóng âm trên lớp mặt và ở độ sâu 22m
Kết quả khảo sát như sau: Độ sâu thử nghiệm 0m 5m 10m 15m 22m
Giá trị SV từ Digibar Pro cho thấy ảnh hưởng của vận tốc sóng âm ở độ sâu từ 0 đến 22m tại khu vực khảo sát là như nhau, với giá trị lần lượt là 1506,2 m/s tại các độ sâu này.
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 115 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Xác định độ rung lắc của tàu
Với mục đích khảo sát tính khả thi của phương pháp dùng công nghệ GNSS tính toán giá trị roll, pitch, học viên đã tiến hành thu thập dữ liệu khu vực trong sông và ngoài biển với 3 máy thu GNSS được cài đặt đồng bộ tốc độ thu dữ liệu 1s/
1epoch và thu dữ liệu đồng thời Kết quả tính toán roll, pitch bằng công nghệ GNSS được so sánh với kết quả chính xác xuất ra từ thiết bị motion sensor sử dụng phần mềm Hypack như sau:
Hình 5.12: Đồ thị sự biến thiên giá trị roll từ motion sensor và bằng GNSS
Hình 5.13: Đồ thị giá trị hiệu góc giữa góc của motion và góc tính bằng GNSS Bảng 5.5: Thống kê sai số roll của phương pháp dùng GNSS so với motion sensor
Thống kê sai số ROLL khi tính bằng công nghệ GNSS và motion sensor Phương pháp xét S cạnh (m) Sai số ( 0 ) % đạt được Chỉ xét trên số dữ liệu đạt ngưỡng
Xét trên toàn tập dữ liệu 0.63 0 100%
Hình 5.14: Đồ thị sự biến thiên giá trị pitch từ motion sensor và bằng GNSS
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 116 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Độ sai số pitch của phương pháp GNSS có thể xác định được bằng cách so sánh góc pitch đo được từ cảm biến chuyển động và góc tính theo dữ liệu GNSS Thống kê sai số được trình bày trong Bảng 5.6, cho thấy góc pitch đo được từ dữ liệu GNSS có độ sai số trung bình là 0,01 độ và độ sai số chuẩn là 0,006 độ Sự so sánh đồ thị giữa góc pitch từ cảm biến chuyển động và góc tính theo dữ liệu GNSS trong Hình 5.15 cũng cho thấy sự tương quan chặt chẽ giữa hai giá trị này, cho thấy phương pháp GNSS có thể cung cấp giá trị góc pitch chính xác và đáng tin cậy.
Thống kê sai số PITCH khi tính bằng công nghệ GNSS và motion sensor Phương pháp xét S cạnh (m) Sai số ( 0 ) % đạt được Chỉ xét trên số dữ liệu đạt ngưỡng
Xét trên toàn tập dữ liệu 0.45 0 100%
Hình 5.16: Đồ thị sự biến thiên giá trị roll từ motion sensor và bằng GNSS
Hình 5.17: Đồ thị giá trị hiệu góc giữa góc của motion và góc tính bằng GNSS Bảng 5.7: Thống kê sai số roll của phương pháp dùng GNSS so với motion sensor
Sai số ROLL khi tính bằng công nghệ GNSS và motion sensor được thống kê dựa trên phương pháp xét S cạnh (m) Sai số (0%) đạt được chỉ xét trên số dữ liệu đạt ngưỡng.
Xét trên toàn tập dữ liệu 0.38 0 100%
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 117 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 5.18: Đồ thị sự biến thiên giá trị pitch từ motion sensor và bằng GNSS
Hình 5.19: Đồ thị giá trị hiệu góc giữa góc của motion và góc tính bằng GNSS Bảng 5.8: Thống kê sai số pitch của phương pháp dùng GNSS so với motion sensor
Thống kê sai số PITCH khi tính bằng công nghệ GNSS và motion sensor Phương pháp xét S cạnh (m) Sai số ( 0 ) % đạt được Chỉ xét trên số dữ liệu đạt ngưỡng
Để đánh giá hiệu quả lựa chọn kích thước cửa sổ lọc trong mô đun "Kiểm nghiệm", học viên tiến hành tính toán sai số thu được khi điều chỉnh kích thước cửa sổ lọc trong phạm vi từ 5 giây đến 600 giây Kết quả khảo sát cho thấy hiệu suất của mô hình đạt mức cao nhất khi kích thước cửa sổ lọc được đặt ở giá trị 0,51 giây, với sai số đạt 0% trên toàn bộ tập dữ liệu.
Bảng 5.9: Bảng thống kê sai số đạt được khi thay đổi kích thước bộ lọc
Sai số xác định Roll, Pitch (độ) Đo sông
Từ bảng trên có thể thấy rằng, khi kích thước cửa sổ bộ lọc nhỏ (5-30s) thì khi xử lý dữ liệu trong sông hay ngoài biển đều cho kết quả thay đổi không đáng kể
Tuy nhiên, nếu chọn kích thước cửa sổ bộ lọc lớn (vài trăm giây) thì khi xử lý dữ liệu khu vực biển sẽ cho sai số rất lớn và ngược lại đối với dữ liệu đo sông lại cho sai số có khác biệt không đáng kể Điều này nói lên tính hiệu quả quá trình xử lý
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 118 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu của bộ lọc trong HydroTools Ngoài ra, chúng ta có thể thấy rằng biên độ của thành phần dU giữa 2 anten khi đo biển là rất lớn, do đó không thể xử lý gộp thành phần dU cho một khoảng thời gian quá dài Khảo sát trên cũng cho thấy, kích thước cửa sổ bộ lọc tối ưu nhất của HydroTools nên được chọn từ 5-30s
Hình 5.20: Đồ thị thể hiện sai số xác định roll/pitch khi thay đổi kích thước bộ lọc
5.3 – KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC PHẦN MỀM HYDROTOOLS:
Nội suy dữ liệu Hypack
Do độ trễ từ đầu dò đến đáy sông, dữ liệu đo được phần mềm ghi nhận đến phần trăm giây Mô đun nội suy số liệu xuất ra từ phần mềm Hypack Max nhằm khắc phục hạn chế này Tuy nhiên, kỹ thuật đo sâu hậu xử lý chỉ ghi nhận thời gian giữa hai lần đọc mực nước là 10-15 phút trong khi nội suy yêu cầu dữ liệu cao độ mực nước đến đơn vị giây Do đó, cần áp dụng thuật toán Lagrange để nội suy dữ liệu chính xác, cho phép ước lượng giá trị đại lượng cần đo ở bất kỳ thời điểm nào dựa trên các giá trị đo tại các thời điểm đã biết.
Trong đó các hệ số:
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 119 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 5.21: Màn hình mô đun định dạng dữ liệu
Hình 5.22: Dữ liệu đầu vào trước nội suy xuất ra từ phần mềm Hypack
Hình 5.23: Màn hình nội suy Lagrange thành 1 giây từ dữ liệu Hypack
Hình 5.24: Kết quả xuất ra sau nội suy 1 giây bằng phần mềm HydroTools
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 120 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 5.25: Đồ thị sau nội suy 1 giây từ dữ liệu Hypack – khu vực sông 5.3.1.2 Khu vực 2: Ngoài biển
Hình 5.26: Đồ thị sau nội suy 1 giây từ dữ liệu Hypack – khu vực biển Đồ thị trên cho thấy kết quả nội suy và kết quả gốc rất khớp nhau, chứng tỏ kết quả trước và sau nội suy rất tin cậy.
Tính toán vận tốc sóng âm bằng các công thức kinh điển
Mục đích chính của mô đun là thực hiện việc tính toán vận tốc sóng âm bằng các công thức khác nhau như: Chen & Millero, DelGrosso, Mackenzie, Medwin, … Ngoài ra, mô đun cũng cho phép hiệu chỉnh vận tốc sóng âm vào độ sâu đo được và
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 121 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu hiệu chỉnh roll, pitch và heave vào thành phần tọa độ và độ sâu đo theo các công thức (3.29, 3.30 và 3.31)
Hình 5.27: Giao diện tính toán vận tốc sóng âm Để có bộ dữ liệu phục vụ tính toán vận tốc sóng âm theo các công thức kinh điển, học viên sử dụng bộ dữ liệu đã thu thập được bằng thiết bị SV Xchange tại khu vực ngoài khơi của dự án “Tổ hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn – tỉnh Thanh Hóa” làm cơ sở để khảo sát Thiết bị SV.Xchange có khả năng xuất ra các giá trị nhiệt độ, độ mặn, áp suất nước theo từng khoảng thời gian tủy thuộc vào tốc độ ghi dữ liệu được cài đặt trước Ngoài ra, đây là thiết bị chuyên dụng cho nghiên cứu biển và đại dương, do đó giá thành thiết bị cũng như độ chính xác tính toán vận tốc sóng âm đạt được rất cao Khu vực tiến hành thả thiết bị đo vận tốc sóng âm cho thử nghiệm có tọa độ trong hệ WGS-84 là: (19°17'11.82"N, 106°15'20.15"E)
Hình 5.28: Vị trí thả thiết bị đo vận tốc sóng âm SV.Xchange
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 122 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 5.29: Thiết bị đo vận tốc sóng âm SV.Xchange
Kết quả khảo sát độ lệch khi sử dụng các công thức kinh điển được tính toán bằng HydroTools và bằng phần mềm chuyển dụng đi kèm với thiết bị SV Xchange được so sánh với nhau Kết quả đạt được như sau:
Hình 5.30: Đồ thị thể hiện độ lệch khi tính bằng công thức Chen & Millero
Dựa vào đồ thị trên, ta thấy độ lệch giữa công thức Chen & Millero với kết quả từ thiết bị SV.Xchange là rất nhỏ chỉ ở mức nhỏ hơn 15mm/s Thông thường khi hiệu chỉnh giá trị vận tốc sóng âm vào giá trị độ sâu, người ta thường lấy giá trị vận tốc sóng âm ở dạng số nguyên Do đó, nếu chỉ xét đến giá trị phần nguyên thì công thức Chen & Millero cho kết quả hoàn toàn trùng khớp với giá trị xuất ra từ thiết bị SV.Xchange
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 123 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 5.31: Đồ thị thể hiện độ lệch khi tính bằng công thức Del Grosso
Dựa vào đồ thị ở trên, ta thấy độ lệch giữa công thức Del Grosso với kết quả từ thiết bị SV.Xchange là tương đối nhỏ chỉ khoảng 150mm/s hoặc nhỏ hơn Thông thường khi hiệu chỉnh giá trị vận tốc sóng âm vào giá trị độ sâu, người ta thường lấy giá trị vận tốc sóng âm ở dạng số nguyên Nếu chỉ xét đến giá trị phần nguyên thì kết quả tính toán từ HydroTools sử dụng công thức Del Grosso cho kết quả trùng khớp với kết quả tính toán xuất ra từ phần mềm đi kèm thiết bị SV.Xchange
Hình 5.32: Đồ thị thể hiện độ lệch khi tính bằng công thức Medwin
Độ lệch giữa công thức Medwin và thiết bị SV.Xchange chỉ khoảng 160mm/s hoặc nhỏ hơn Khi hiệu chỉnh giá trị vận tốc sóng âm, người ta thường lấy giá trị vận tốc sóng âm ở dạng số nguyên Nếu chỉ xét đến giá trị phần nguyên thì kết quả tính toán từ HydroTools sử dụng công thức Medwin cho kết quả trùng khớp.
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 124 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu với kết quả tính toán xuất ra từ phần mềm đi kèm thiết bị SV.Xchange Kết quả xuất ra khi tính toán bằng công thức Medwin và Del Grosso gần như bằng nhau
Hình 5.33: Đồ thị độ lệch khi tính bằng công thức Mackenzie
Dựa vào đồ thị ở trên, ta thấy độ lệch giữa công thức Mackenzie với kết quả từ thiết bị SV.Xchange là không lớn, chỉ khoảng 220mm/s hoặc nhỏ hơn Thông thường khi hiệu chỉnh giá trị vận tốc sóng âm vào giá trị độ sâu, người ta thường lấy giá trị vận tốc sóng âm ở dạng số nguyên Do đó, nếu chỉ xét đến giá trị phần nguyên thì kết quả tính toán từ HydroTools sử dụng công thức Chen & Millero cho kết quả trùng khớp với kết quả tính toán xuất ra từ phần mềm đi kèm thiết bị
SV.Xchange Kết quả xuất ra khi tính toán bằng công thức Medwin, Del Grosso và Mackenzie gần như bằng nhau.
Hiệu chỉnh vận tốc sóng âm
Hình 5.34: Giao diện hiệu chỉnh vận tốc sóng âm
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 125 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Kết quả của quá trình tính toán vận tốc sóng âm bằng các thiết bị chuyên dụng đắt tiền hoặc các thiết bị cảm biến rẻ tiền đó là xác định giá trị vận tốc truyền âm chính xác của khu vực đo Sau đó, giá trị vận tốc sóng âm tương ứng với từng khoảng giá trị độ sâu đó sẽ được hiệu chỉnh vào kết quả độ sâu sau cùng Học viên sử dụng công thức (2.9) chương 2 để phục vụ cho mô đun hiệu chỉnh vận tốc sóng âm trong chương trình HydroTools Kết quả thu được như sau:
Hình 5.35: Đồ thị xuất ra sau hiệu chỉnh SV – khu vực đo sông 5.3.2.2 Khu vực 2: Ngoài biển
Hình 5.36: Đồ thị xuất ra sau hiệu chỉnh SV – khu vực đo biển
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 126 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hiệu chỉnh roll, pitch và heave vào tọa độ và độ sâu
Hình 5.37: Giao diện hiệu chỉnh roll, pitch và heave vào tọa độ và độ sâu
Học viên sử dụng bộ dữ liệu trước hiệu chỉnh roll, pitch và heave xuất ra từ phần mềm Hypack để tính toán ra giá trị tọa độ và độ sâu sau hiệu chỉnh Từ đó, so sánh kết quả sau hiệu chỉnh tính được từ phần mềm HydroTools và kết quả sau hiệu chỉnh từ phần mềm Hypack Kết quả đạt được như sau:
Hình 5.38: Độ lệch dX (m) khi hiệu chỉnh RPH vào dữ liệu tọa độ và độ sâu
Hình 5.39: Độ lệch dY (m) khi hiệu chỉnh RPH vào dữ liệu tọa độ và độ sâu
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 127 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 5.40: Độ lệch dD (m) khi hiệu chỉnh RPH vào dữ liệu tọa độ và độ sâu Bảng 5.10: Kết quả thống kê độ lệch khi hiệu chỉnh bằng công thức và Hypack
Khảo sát dX (m) dY (m) dD (m) min -0.946 -0.527 -0.115
Hình 5.41: Độ lệch dX (m) khi hiệu chỉnh RPH vào dữ liệu tọa độ và độ sâu
Hình 5.42: Độ lệch dY (m) khi hiệu chỉnh RPH vào dữ liệu tọa độ và độ sâu
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 128 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 5.43: Độ lệch dD (m) khi hiệu chỉnh RPH vào dữ liệu tọa độ và độ sâu Bảng 5.11: Kết quả thống kê độ lệch khi hiệu chỉnh bằng công thức và Hypack
Khảo sát dX (m) dY (m) dD (m) min -1.090 -0.806 -0.056
Nhìn vào các đồ thị độ lệch khi tính toán bằng công thức từ Hydro Tools và do phần mềm Hypack hiệu chỉnh ta thấy về giá trị trung bình có thể thấy rằng sai lệch chỉ ở mức nhỏ hơn 2dm về thành phần mặt bằng và nhỏ hơn 5cm đối với thành phần độ sâu Những dữ liệu cho sai số lớn, điều này có thể lý giải có thể do các thiết bị motion sensor, GNSS RTK và máy đo sâu chưa được lắp đặt một cách đồng trục tuyệt đối Và quá trình trước khi đo sâu các thiết bị chưa được thực hiện quá trình patch test để tính toán góc lệch do lắp đặt từng thiết bị so với trục X, Y của tàu
Ngoài ra, một số nguyên nhân khác có thể kể đến như: thuật toán nội suy của Hypack và HydroTools không giống nhau, sai số do tàu rẽ hướng, sai số hiện tượng lún (settlement) gây ra bởi áp lực sóng tạo ra khi tàu chạy về phía trước, sai số do hiện tượng xoay tàu do hiện tượng tăng tốc của động cơ (squat), … khi đó kết quả đo roll, pitch và heave từ motion sensor cung cấp sẽ không còn tin cậy Để khắc phục các nguồn sai số này thông thường người ta sẽ gắn thêm một số thiết bị như la bàn con quay (Gyro Compass), cặp GNSS định hướng (GNSS heading), … và thực hiện một số kỹ thuật kiểm nghiệm đặc biệt trước khảo sát để loại bỏ sai số do hiện tượng settlement và squat gây ra
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 129 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 5.44: Hiện tượng squat (bên trái) và settlement (bên phải)
Xử lý dữ liệu đo sâu hồi âm đơn tia
Kỹ thuật xử lý dữ liệu hồi âm đơn tia từ phần mềm Hypack, HydroPro thường hỗ trợ 2 kiểu xử lý chính: kiểu đo thời gian thực RTK và kiểu hậu xử lý sử dụng DGNSS Tuy nhiên, trong chương trình HydroTools, học viên đề xuất thêm 2 phương pháp xử lý mới đó là: xử lý kiểu Base-Rover và kiểu định vị điểm chính xác
Do nguyên lý xử lý dữ liệu đo kiểu DGNSS cũng tương tự như kiểu PPP do vậy trong 4 phương pháp xử lý dữ liệu đo sâu được đề xuất xử lý trong chương trình HydroTools, học viên chỉ tập trung thu thập dữ liệu và xử lý ở 3 kiểu đo sau: kiểu đo RTK, kiểu đo động hậu xử lý kiểu Base-Rover và kiểu định vị điểm chính xác PPP
Hình 5.45: Mô đun “Xu ly” phục vụ hậu xử lý dữ liệu đo sâu trong HydroTools
Trong quá trình xử lý dữ liệu, học viên sử dụng tọa độ và độ cao điểm tọa độ đáy sông được xác định bằng kỹ thuật đo RTK làm cơ sở để so sánh Các kết quả đo ở từng kỹ thuật xử lý được lấy hiệu với thành phần tương ứng có được bằng kỹ thuật xử lý dạng RTK Kết quả đạt được như sau:
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 130 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
So sánh giữa kiểu đo RTK và BASE-ROVER:
Hình 5.46: Đồ thị độ lệch dX (m) của RTK và BASE&ROVER
Hình 5.47: Đồ thị độ lệch dY (m) của RTK và BASE&ROVER
Hình 5.48: Đồ thị độ lệch dH (m) của RTK và BASE&ROVER
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 131 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Bảng 5.12: Bảng thống kê kết quả xử lý kiểu RTK và BASE-ROVER
Thống kê RTK & BASE-ROVER dX (m) dY (m) dH (m) min -0.098 -0.135 -0.319
So sánh giữa kiểu đo RTK và PPP:
Hình 5.49: Đồ thị độ lệch dX (m) của RTK và PPP
Hình 5.50: Đồ thị độ lệch dY (m) của RTK và PPP
Hình 5.51: Đồ thị độ lệch dH (m) của RTK và PPP
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 132 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Bảng 5.13: Bảng thống kê kết quả xử lý kiểu RTK và PPP
Thống kê RTK & PPP dX (m) dY (m) dH (m) min -0.720 -0.919 -0.320
So sánh giữa kiểu đo RTK và BASE-ROVER:
Hình 5.52: Đồ thị độ lệch dX (m) của RTK và BASE&ROVER
Hình 5.53: Đồ thị độ lệch dY (m) của RTK và BASE&ROVER
Hình 5.54: Đồ thị độ lệch dH (m) của RTK và BASE&ROVER
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 133 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Bảng 5.14: Bảng thống kê kết quả xử lý kiểu RTK và BASE-ROVER
Thống kê RTK & BASE-ROVER dX (m) dY (m) dH (m) min -0.120 -0.080 -0.279
So sánh kiểu RTK và PPP:
Hình 5.55: Đồ thị độ lệch dX (m) của RTK và PPP
Hình 5.56: Đồ thị độ lệch dY (m) của RTK và PPP
Hình 5.57: Đồ thị độ lệch dH (m) của RTK và PPP
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 134 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Bảng 5.15: Bảng thống kê kết quả xử lý kiểu RTK và PPP
Thống kê RTK & PPP dX (m) dY (m) dH (m) min -0.855 -1.209 -0.154
Khảo sát độ cao mực nước bằng quan trắc mực nước và RTK
Để khảo sát độ lệch giữa tính hiệu quả của kỹ thuật RTK và phương pháp đo mực nước gần bờ, học viên tiến hành chuyển đổi cao độ anten RTK về độ cao mực nước tương ứng, sau đó so sánh với độ cao mực nước đo được bằng phương pháp quan trắc mực nước truyền thống Kết quả khảo sát được như dưới đây:
Hình 5.58: Đồ thị độ lệch khi tính toán độ cao mực nước bằng RTK và bằng phương pháp quan trắc mực nước truyền thống 5.3.6.2 Dữ liệu đo biển:
Hình 5.59: Đồ thị độ lệch khi tính toán độ cao mực nước bằng RTK và bằng phương pháp quan trắc mực nước truyền thống
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 135 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
5.4 – ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO SÂU KẾT HỢP KIỂU ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC PPP: Ưu điểm của phương pháp PPP đó là khả năng định vị không cần sử dụng trạm base để cung cấp số cải chỉnh mà chỉ sử dụng 1 máy thu duy nhất có khả năng cung cấp trị đo pha Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là để có tọa độ sau xử lý chính xác thì phải đợi một thời gian sau khi có bản lịch vệ tinh chính xác để kết quả xử lý được tin cậy Tuy nhiên, phương pháp này lại có cách vận hành đơn giản và độ chính xác gần như ngang bằng với các máy thu DGNSS hiện tại Để khảo sát độ chính xác của phương pháp PPP, học viên tiến hành tính toán sai số của phương pháp PPP so với phương pháp RTK đã được khẳng định độ chính xác
Với: XRTK, XPPP/BASE&ROVER là tọa độ thành phần X sau xử lý bằng công nghệ RTK hoặc PPP hay BASE&ROVER tương ứng YRTK, YPPP/BASE&ROVER là tọa độ thành phần Y sau xử lý bằng công nghệ RTK hoặc PPP hay BASE&ROVER tương ứng
Độ lệch sai số tọa độ:
Độ lệch chuẩn theo các trục tọa độ X, Y:
Độ lệch chuẩn về tọa độ giữa phương pháp RTK và PPP:
M P m m (5.7) Để đánh giá tỷ lệ thành lập bản đồ đáy sông, học viên sử dụng công thức:
Với: m là sai số trung phương và M là mẫu số tỷ lệ bản đồ
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 136 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu
Khu vực trong sông
Hình 5.60: Đồ thị tỷ lệ % sai số thành phần X (m) giữa RTK và PPP
Hình 5.61: Đồ thị tỷ lệ % sai số thành phần Y (m) giữa RTK và PPP
CHƯƠNG 5: THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
HVTH: Dương Minh Âu - 137 - GVHD: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâu