Đồ án trắc địa biển Tìm hiểu về các công nghệ đo sâu hiện nay

Để thiết kế, thi công xây dựng được các công trình trên biển thì chúng ta cần phải có trong tay bản đồ địa hình đáy biển. Có rất nhiều phương pháp, công nghệ đo sâu trên biển do vậy tôi chọn đề tài “Tìm hiểu về một số công nghệ đo sâu trên biển” làm đề tài tốt nghiệp của mình.

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

Chương 1 5

KHÁI QUÁT VỀ CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU 5

1.1 ĐO SÂU HỒI ÂM 5

1.1.1 Khái niệm về đo sâu hồi âm 5

1.1.2 Phân loại đo sâu hồi âm 5

1.1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp đo sâu hồi âm 7

1.2 ĐO SÂU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SIDE-SCAN SONAR 8

1.2.1 Khái niệm về công nghệ side-scan sonar 8

1.2.2 Ưu nhược điểm của phương pháp đo sâu side scan sonar 9

1.3 ĐO SÂU LAZER 9

1.3.1 Khái niệm về công nghệ đo sâu lazer 9

1.3.2 Ưu nhược điểm của phương pháp đo sâu lazer 10

Chương 2 12

MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU 12

2.1 SỰ LAN TRUYỀN SÓNG ÂM THANH TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 12

2.1.1 Sự lan truyền sóng âm trong môi trường nước 12

2.1.2 Phương pháp xác định tốc độ âm 13

2.1.3 Hiện tượng suy giảm cường độ âm trong nước 17

2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU 22

2.2.1 Đo sâu hồi âm 22

2.2.2 Công nghệ đo sâu Side Scan Sonar 26

2.2.3 Công nghệ đo sâu Lidar (Lazer) 32

Chương 3 37

ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ỨNG DỤNG CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU 37

3.1 ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU 37

3.1.1 Đo sâu hồi âm 37

3.1.2 Đo sâu bằng công nghệ side scan sonar 39

3.1.3 Đo sâu bằng công nghệ lazer 40

3.2 ỨNG DỤNG CỦA CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU 40

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

LỜI NÓI ĐẦU

Với khoảng 3200km bờ biển, Việt Nam là một quốc gia có ưu điểm rấtlớn về biển Trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, Đảng vàNhà nước chủ trương phát triển kinh tế biển Do đó việc xây dựng các côngtrình biển phục vụ các nhiệm vụ phát triển kinh tế, nghiên cứu khoa học vềbiển, quan trắc sự thay đổi môi trường biển, khảo sát đáy biển, theo dõi quátrình trầm tích đáy biển, khai thác tài nguyên khoáng sản…cũng đang được đẩymạnh Việc đổi mới và áp dụng các công nghệ mới, các phương pháp tiên tiếntrong đo đạc biển nhằm nâng cao độ chính xác, giảm thời gian thi công đảmbảo an toàn lao động là nhiệm vụ rất cần thiết

Để thiết kế, thi công xây dựng được các công trình trên biển thì chúng tacần phải có trong tay bản đồ địa hình đáy biển Có rất nhiều phương pháp,

công nghệ đo sâu trên biển do vậy tôi chọn đề tài “Tìm hiểu về một số công nghệ đo sâu trên biển” làm đề tài tốt nghiệp của mình Đề tài có mục tiêu tìm

hiểu, nghiên cứu về ưu nhược điểm, độ chính xác và phạm vi ứng dụng của cáccông nghệ sâu trên biển hiện nay

Bố cục của đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Khái quát về các công nghệ đo sâu

Chương 2: Một số kiến thức về các công nghệ đo sâu

Chương 3: Độ chính xác và ứng dụng của các công nghệ đo sâu

Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp này, được sự hướng dẫn nhiệt

tình của thầy giáo XXXXXXXX cùng các thầy, cô trong khoa Trắc địa, và sự

nỗ lực hết sức mình, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do kiến thức còn hạn hẹp, kinh nghiệmthực tế chưa nhiều, thời gian hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót

Em mong được sự đóng góp ý kiến của thầy, cô giáo trong khoa Trắc địa

và các bạn đồng nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, tháng 09 năm 2014 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Nhữ Thành

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU

1.1 ĐO SÂU HỒI ÂM

1.1.1 Khái niệm về đo sâu hồi âm

Đo sâu hồi âm là xác định độ sâu của nước trên cơ sở xác định thời gianlan truyền sóng âm thanh trong môi trường nước và vận tốc lan truyền sóng âm

để xác định khoảng cách từ nguồn phát sóng âm (máy đo sâu) đến đối tượngphản xạ sóng âm (đáy biển)

Hình 1.1- Nguyên lý xác định khoảng cách từ nguồn phát đến

đối tượng phản xạ

1.1.2 Phân loại đo sâu hồi âm

Theo nguyên tắc phát tia âm thanh, có thể chia thành 2 loại:

a, Đo sâu hồi âm đơn tia

Là công nghệ đo sâu phát ra một tia xung theo hướng định trước

Hình 1.2- Máy đo sâu hồi âm đơn tia

b, Đo sâu hồi âm đa tia

Cần phát biến không những phát ra tia thẳng đứng mà còn phát ra chùmxung theo dải hẹp về phía mũi tàu và đuôi tàu

Độ rộng của chùm tia này theo chiều ngang thân tàu rộng từ 600 đến

1500, đủ quét một diện tích theo chiều ngang thân tàu có chiều rộng gấp 7 lần

độ sâu từ mặt nước biển đến đáy biển

Máy đo sâu chùm tia thường có từ 60 đến 150 tia

Sau khi các tia âm thanh phản xạ từ đáy biển trở về cần phát biến sẽ được

Hình 1.3- Máy đo sâu hồi âm đa tia

1.1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp đo sâu hồi âm

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 cácmốc tín hiệu hoặc bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển

 Chi phí thấp

b, Nhược điểm

 Hệ thống yêu cầu số hiệu chỉnh chi tiết các tham số về môi trường

 Cần có xưởng sửa chữa tàu để hiệu chỉnh hệ thống

 Phụ thuộc nhiều vào các trạm Base đặt trên bờ

1.2.1 Khái niệm về công nghệ side-scan sonar

SONAR được viết tắt bởi Sound Navigation And Ranging Công nghệSonar cũng hoạt động tương tự như các hệ thống RADAR có điều công nghệsonar sử dụng tần số cao hơn so với các tần số sử dụng chuyên dụng trong cáclĩnh vực như y tế…nhưng lại sử dụng tần số xung thấp hơn so với tần số được

sử dụng trong thăm dò trầm tích

Side scan sonar được phát triển vào những năm 1960 để sử dụng nhưmột công cụ xác định vị trí xác tàu, và kể từ đó việc sử dụng công nghệ sonarđược coi như tiêu chuẩn trong công tác khảo sát địa hình đáy biển, lập bản đồđịa hình đáy biển, khảo sát thủy triều hoặc khảo cổ học

Hình 1.4- Đo sâu sử dụng công nghệ Side Scan Sonar

a, Ưu điểm

 Hệ thống dễ dàng triển khai trong thực tế, dễ sử dụng

 Cung cấp độ chính xác cao trong khu vực lớn

b, Nhược điểm

 Cần có xưởng sửa chữa tàu để hiệu chỉnh hệ thống

 Do đầu cảm biến được thả xuống nước và được kéo bằng cáp, do vậyrất bất lợi cho những khu vực nhiều chướng ngại vật, hơn nữa phụ thuộc rấtnhiều vào độ bền dây cáp

1.3 ĐO SÂU LAZER

1.3.1 Khái niệm về công nghệ đo sâu lazer

Trong những năm gần đây công nghệ đo sâu LiDAR đã trở thành mộtphương pháp rất phổ biến Phương pháp này đã thể hiện được tính kinh tế khi

có thể đo cao và đo sâu với độ chính xác cao trên diện tích rộng một cáchnhanh chóng

Lidar sử dụng một hoặc một chùm tia lazer để hoạt động LiDAR đượcviết tắt bởi: Light Detection And Ranging Hệ thống sử dụng tia lazer có bướcsóng nằm trong dải cận hồng ngoại từ 532nm đến 1064nm

Hệ thống Lidar có thể nhanh chóng quét được bề mặt trái đất, với tốc độquét hơn 150 kiloHertz (tức là khoảng 150.000 xung điện mỗi giây) Dữ liệuthu thập được là một mạng lưới dày đặc độ cao của các điểm cách đều nhau với

độ chính xác cao, từ đó có thể sử dụng để tạo ra mô hình 3D bề mặt trái đấthoặc địa hình đáy biển Nhiều hệ thống Lidar sửu dụng dạng tia lazer màu màuxanh lá cây để dễ dàng truyền trong nước để có thể quét được địa hình dướinước Hệ thống Lidar đo sâu phần lớn chỉ có thể sử dụng được ở những nơinước trong, xanh Thông thường, đo sâu Lidar cho độ chính xác từ 6 đến 12

inch (15-30 cm) với hệ thống cũ, nhưng hiện nay với sự phát triển của khoahọc công nghệ thì cho độ chính xác lên tới 4-8 inch (10-20 cm).

Hình 1.12- Công nghệ đo sâu Lazer

1.3.2 Ưu nhược điểm của phương pháp đo sâu lazer

a, Ưu điểm

 Hệ thống dễ dàng triển khai trong thực tế, dễ sử dụng

 Cung cấp độ chính xác cao trong khu vực lớn Có thể sử dụng đểkhảo sát địa hình cả trên bờ và dưới biển

 Thời gian khảo sát nhanh Tiết kiệm thời gian và nhân lực

b, Nhược điểm

 Chi phí cho hệ thống khá cao

 Phục thuộc rất nhiều vào độ trong, độ mặn của nước biển.

 Phụ thuộc nhiều vào bộ phận định vị tọa độ tức thời của máy bay, domáy bay bay với vận tốc rất lớn

Chương 2 MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU

2.1 SỰ LAN TRUYỀN SÓNG ÂM THANH TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

2.1.1 Sự lan truyền sóng âm trong môi trường nước

Bản chất của sóng âm thanh là sự lan truyền sóng cơ học trong môitrường nước , đó là sự tác động liên tục quá trình tiếp nhận và truyền tải nănglượng của dao động âm Hiện tượng sóng âm phổ biến nhất là sóng dọc, khisóng âm truyền qua môi trường các phân tử nước rung động trong môi trườngtạo ra mật độ và áp suất thay đổi dọc theo hướng chuyển động của sóng Sựthay đổi áp suất được hiểu như sóng âm hoặc thừa áp , thừa áp Pe được địnhnghĩa như sau:

Pe = P –P0 (2.1)Trong đó P là áp suất tức thời , P0 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 , kếtquả 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/Pa , nó là thể tích căng trên một đơn vị vàđược biểu diễn như sau :

e

P

v v

s  / 0





(2.2)Khi   thay đổi trong thể tích ban đầu và Pe được chấp nhận , nếu s làhằng số thì có thể hiểu như định luật Hooke Sự phản hồi của lực nén đượchiểu như hệ số tải trọng k Đối với biên độ sóng âm thanh nhỏ, xem xét ở đâylực nén và hệ số tải trọng có thể coi là hằng số

Từ khi có nhiễu cục bộ, môi trường không thể ngay lập tức truyền tínhiệu, sự lan truyền sóng âm thanh xảy ra cùng một lúc với sự xáo trộn tươngứng với vận tốc âm v Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào hệ số tải trọng k và mật

độ  0 trung bình được tính như sau :

Ta cũng có thể dùng công thức tích phân trung bình để xác định vận tốc

âm trong nước:

2 ,

) (

1 )

D V

Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Nhiệt độ: Nhiệt độ tại bề mặt biển thay đổi theo vị trí địa lý trên trái đất,theo mùa trong năm, theo thời gian trong ngày Sự phân bố nhiệt độ là mộttrường phức tạp và không thể dự đoán một cách chính xác cho mục đích khảosát thuỷ văn Sự biến đổi của nước theo độ sâu khá phức tạp vì thế dự đoánmột cách chính xác mặt cắt tốc độ âm phục vụ cho nhiệm vụ khảo sát đo đạcbiển là không đơn giản

Độ sâu khá nhạy cảm đối với những biến đổi của mặt cắt tốc độ âm,nước ở độ sâu khác nhau sẽ có nhiệt độ khác nhau Sự biến đổi của 10C độ(Celsius) làm tốc độ âm thay đổi khoảng 4,5m

Các biến đổi nhiệt độ ảnh hưởng lớn nhất tới sự thay đổi tốc độ âm sau

đó mới tới áp suất

Hình 2.1- Mặt cắt nhiệt độ theo độ sâu

Độ sâu lớp nước trong khoảng từ 200m – 1000m có nhiệt độ thay đổinhiều nhất và tốc độ âm lúc này ảnh hưởng lớn nhất bởi nhiệt độ

Độ mặn của nước: Độ mặn của nước là một thước đo độ hoà tan của muối vàcác khoáng chất khác trong nước biển Bình thường nó được định nghĩa nhưtổng số lượng chất rắn hoà tan trong nước biển trên một phần nghìn(ppt hoặc

‰)

Trong thực tế độ mặn không được xác định một cách trực tiếp nhưngđược tính toán từ lượng clo của nước , chỉ số khúc xạ âm hay thuộc tính khácnào đó mà có liên quan tới độ muối Mẫu mức độ clo có trong nước biển được

sử dụng làm mẫu độ mặn

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‰ Tỷ lệ thay đổi của tốc độ

âm thanh xấp xỉ 1,3m/s cho sự thay đổi 1‰ của độ mặn

Áp suất : Áp suất cũng tác động đáng kể tới vận tốc âm thanh Áp suất làhàm của độ sâu và khoảng thay đổi của tốc độ âm khoảng 1,6m/s với 10atmospheres 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/m3 Sự ảnh hưởng lớn nhất về mật độ là áp lực nén theo độ sâu.Nước có mật độ 1028.0kg/m3 tại bề mặt thì sẽ có mật độ là 1050.0kg/m3 ở độsâu 5000m

Tốc độ âm thanh v trong nước biển có thể thể hiện như một hàm nhiệt độ

T, áp suất P( độ sâu H), độ mặn S Những tham số này ảnh hưởng tới thuộctính tải trọng của môi trường Các thông số khác như bọt khí và các vi sinh vậtcũng ảnh hưởng tới tốc độ âm Tốc độ âm thường sử dụng trong môi trường lýtưởng, công thức chung như sau:

v = f(T,p,S) = f (T, H, S) (2.5)Người ta đa nghiên cứu và đưa ra một số công thức thực nghiệm để xácđịnh tốc độ âm trong nước:

Công thức xác định tốc độ âm với đơn vị m/s với các thông số nhiệt độ(T), độ sâu (H) , độ mặn S(ppt)

Bảng 2.1: Công thức tốc độ âm theo T, H, P

T T

v

2 2

2 2

2 3

10

* 6 1 35 18

*

10

35

* 2 1 18 10

*

4

10 10

* 6 10

* 3 9

1000 0

v

2 2

3 4

2 2

10

* 6 1 35

* 10

1000 0

35 0

T

(2.7)

3 13

2 2

7

2

3 4

2 2

* 10

* 025 1

* 10

* 630 1 ) 35 (

* 304 5

* 591 4 96

.

1448

H T

S T H

H S

T

T T

8000 0

30 0

T

(2.8)

Điển hình công thức thực nghiệm được trình bày ở Bảng 2.1 là tốc độ âmthanh 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 hìnhdạng quả ngư lôi trong đó chứa thiết bị cảm biến nhiệt độ và một đầu dò đểphát hiện sự thay đổi về độ sâu Các “ cảm biến nhiệt ” có thể cung cấp thôngtin về nhiệt độ mà không cần lấy lại bộ phận cảm biến “ Cảm biến nhiệt ”chuyển mối quan hệ nhiệt độ và độ sâu thành tốc độ âm thanh Với thiết bị nàyngười ta coi biểu đồ độ mặn không cần thiết , vì lý do đó “ Cảm biến nhiệt ”được sử dụng ở những vùng nước sâu

Hình 2.3- Thiết bị cảm biến nhiệt

Hai là máy đo tốc độ âm (Velocimeter) là thiết bị xác định tốc độ âm dựatrên nguyên lý xác định thời gian đi và về giữa một máy phát và một bộ thu cốđịnh Dụng cụ này chính xác trong mọi điều kiện bao gồm cả nhưng nơi cóbiến thiên về độ mặn lớn

Hình 2.4- Máy đo

vận tốc âm

2.1.3 Hiện tượng

suy giảm cường độ

âm trong nước

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 khốinăng lượng âm truyền qua một diện tích khi khoảng cách từ nguồn âm tăng Cảhai đều bị tổn thất do sự hấp thụ và lan toả hình cầu được tính đến trongphương 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 đốitượng 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

Khúc xạ là hiện tượng trong đó hướng lan truyền của sóng âm thanh bịthay đổi do thay đổi tốc độ âm lan truyền trong môi trường hoặc giống nhưnăng lượng đi qua bề mặt chung , đại diện cho tính không liên tục của tốc độ

âm giữa hai bề mặt

1 2 2 1

1 1 2 2

V P V P P

Hình 2.6- Nguyên lý khúc xạ tia âm thanh

Theo định luật Snell và xem xét hai lớp nước trong đó có vận tốc âmkhác nhau v1 , v2 Nếu v1 > v2 hướng chuyền của sóng âm thanh sẽ thay đổitheo quy luật góc chuyền sẽ nhỏ hơn góc tới Ngược lại, thì góc chuyền sẽ lớnhơn góc tới

Hệ số khúc xạ theo áp suất ký hiệu là  tính được theo công thức (2.10)[Kinsler et al, 1982] chính là tỷ lệ áp lực biên độ của sóng phản xạ bởicác áp lực biên của sóng tới



2



Đối với các điều kiện chung , tỷ lệ của cường độ âm thanh phản xạ vàtruyền 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 bằngnhững bộ chuyển đổi, tức là tính định hướng, chùm tia, chiều rộng, sự điềukhiển 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 nhữngvùng mà âm thanh có thể đi qua Sự suy giảm của tín hiệu âm trong nước tỷ lệvới tần số, tần số càng cao thì sự suy giảm càng nhanh, tức là đo được khoảngcách ngắn, ngược lại tần số càng thấp thì càng đo được khoảng cách dài

Độ rộng chùm tia phụ thuộc vào độ dài sóng âm thanh và kích thước của

bộ cảm biến Đối với cùng một độ rộng chùm tia tần số thấp hơn sẽ đòi hỏiphải có bộ chuyển đổi lớn

Tần số theo độ sâu thể hiện như sau :

 Vùng nước nông hơn 100m : tần số cao hơn 200kHz

 Vùng nước nông hơn 1500m : tần số 50 – 200 kHz

 Vùng nước sâu hơn 1500m : tần số 12 – 50 kHz

 Các tần số cho độ sâu bề mặt đáy biển là dưới 8kHz

b Độ rộng băng tần

Hình 2.7- Độ rộng băng tần của bộ phát biến

Lấy f0 là tần số của truyền tải điện tối đa( cộng hưởng tần số ) và f1 , f2 làtần số tương ứng với nửa cường độ tín hiệu, độ rộng băng tần là khoảng tần sốgiữa các tần số, tức W = f2 – f1

Hệ số chất lượng của bộ phát biến Q được tính bởi công thức :

 là khoảng thời gian của xung

c Chiều dài xung

Tần sốTăng