TÌM HIỂU ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ĐƯỜNG ĐÁY NGẮN VÀ THỰC NGHIỆM

Chương I
KHÁI NIỆM VỀ ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM VÀ PHÂN LOẠI
1.1. Khái niệm về định vị thuỷ âm
Theo từ điển Bách Khoa Toàn Thư Việt Nam thì định vị thuỷ âm được định
nghĩa như sau “ Định vị thuỷ âm là xác định vị trí và các tham số chuyển
động của các đối tượng dưới nước nhờ các tín hiệu âm thanh lan truyền trong
nước, được phát xạ hoặc phản xạ bởi chính các đối tượng đó. Gồm có ĐVTÂ
chủ động, ĐVTÂ thụ động. ĐVTÂ được dùng để phát hiện tàu nổi, tàu ngầm,
thuỷ lôi, các luồng cá, nghiên cứu đáy biển, v.v….”
Sóng Radio không thể truyền qua nước tới mọi độ sâu yêu cầu và không thể
sử dụng để định vị dưới nước. Sử dụng sóng âm là một cách để xác định vị trí
dưới nước. Định vị dưới nước là một hệ thống trong đó bao gồm mặt cơ sở xác
định toạ độ, các thiết bị thuỷ âm đặt dưới đáy biển, đặt ở đáy tầu hoặc trên các
thiết bị di động phục vụ cho công tác khảo sát lắp đặt thiết bị làm việc dưới đáy
biển. Định vị thuỷ âm là lĩnh vực rộng trong việc xác định vị trí động của các
công trình thăm dò và khai thác trên biển như dàn khoan, các robot thám hiểm
đáy biển.
1.2. Phân loại định vị thuỷ âm và ưu nhược điểm từng phương pháp.
1.2.1. Phân loại định vị thuỷ âm.
Định vị thuỷ âm được chia làm 3 phương pháp:
- Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn – Ultra Short Base Line -USBL
- Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn – Short Base Line - SBL
- Định vị thuỷ âm đường đáy dài – Long Base Line - LBL
Đặc trưng kỹ thuật của chúng được thể hiện ở bảng 1.3
Bảng 1.1. Chiều dài cạnh đáy, loại trị đo của các phương pháp định vị thuỷ âm:


Phương pháp định vị Chiều dài cạnh đáy Loại trị đo
Định vị thuỷ âm đường
đáy siêu ngắn (USBL)

< 10cm Đo hướng và
khoảng cách
Định vị thuỷ đường
đáy ngắn ( SBL)
20m – 50m Đo hướng và
khoảng cách
Định vị thuỷ âm đường đáy dài
(LBL)
100m – 6000m Đo khoảng
cách
Tuỳ thuộc vào điều kiện khu đo, yêu cầu độ chính xác và chi phí, người ta có
thể lựa chọn phương pháp định vị phù hợp.
1.2.2. Ưu nhược điểm của các phương pháp định vị thuỷ âm.
1.2.2.1. Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn:
a. Ưu điểm :
- Hệ thống dễ triển khai trong thực tế , dễ sử dụng.
- Hệ thống toạ độ đầu phát biến làm cơ sở , không cần hệ thống các mốc tín hiệu
hoặc bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển ( Toạ độ tầu được xác định bằng GPS).
- Chỉ cần một bộ ứng đáp trên bề mặt, trên thiết bị lặn hoặc công trình .
- Độ chính xác cao trên các đối tượng động.
b. Nhược điểm :
- Hệ thống yêu cầu hiệu chỉnh chi tiết các tham số môi trường.
- Độ chính xác phụ thuộc vào các thiết bị phụ trợ như bộ hiệu chỉnh con quay
hoặc các trạm cải chính độ cao.
- Trị đo thừa ít nên độ tin cậy còn hạn chế.
- Bộ phát biến lớn , giá thành bộ phát biến cao.
1.2.2.2. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn:
a. Ưu điểm:
- Hệ thống dễ triển khai trong thực tế , dễ sử dụng.
- Khả năng nâng cấp tốt với các mốc tín hiệu.

- Độ chính xác cao đối với các đối tượng động.
- Không gian dự phòng được xây dựng ngay bên trong hệ thống.
- Lấy hệ toạ độ tầu làm cơ sở, không cần các mốc tín hiệu hay bộ truyền phát
gắn cố định dưới đáy biển( toạ độ tầu được xác định bằng GPS).
- Bộ phát biến nhỏ, giá thành mỗi bộ phát biến rẻ.
b. Nhược điểm:
- Hạn chế về độ chính xác ở vùng nước sâu ( > 30m).
- Cần xưởng sửa chữa tầu hoặc cảng để hiệu chỉnh hệ thống.
- Hệ thống yêu cầu hiệu chỉnh chi tiết các tham số môi trường .
- Độ chính xác phụ thuộc vào các thiết bị phụ trợ như bộ hiệu chỉnh con quay
hoặc các trạm cải chính độ cao.
- Cần ít nhất 3 bộ phát biến cho một thiết bị.
1.2.2.3. Định vị thuỷ âm đường đáy dài
a. Ưu điểm:
- Độ chính xác không phụ thuộc vào độ sâu .
- Có nhiều trị đo thừa.
- Cung cấp độ chính xác cao trong khu vực lớn.
- Không cần thêm các hệ thống phụ trợ như bộ tham chiếu độ cao , la bàn.
- Bộ phát biến nhỏ, chỉ cần một bộ phát biến cho một thiết bị.
b. Nhược điểm:
- Hệ thống phức tạp đòi hỏi người sử dụng chuyên nghiệp.
- Yêu cầu các hệ thống thiết bị đắt tiền.
- Chi phí nhiều thời gian cho việc triển khai và khôi phục hệ thống.
- Mỗi hệ thống LBL đều yêu cầu kiểm định trước mỗi lần triển khai sử dụng.
1.2.3. Độ chính xác của định vị thuỷ âm và các nguồn sai số.
1.2. 3.1. Nguồn sai số và độ chính xác của định vị thuỷ âm:

a. Nguồn sai số của định vị thuỷ âm.
1. Lắc dọc và lắc ngang của tàu.
2. Độ lệch offset của dàn đối với điểm quy chiếu , ví dụ như trọng tâm (COG).
3. Độ dịch chuyển do sự kết hợp của độ lệch dàn và chuyển động lắc dọc và lắc
ngang của tầu.
4. Độ lệch của bộ ứng đáp /bộ đáp/mốc tín hiệu âm dưới biển so với mục tiêu chỉ
định.
b. Độ chính xác của định vị thuỷ âm.
- Độ chính xác của hệ thống định vị thuỷ âm được quyết định bởi độ chính xác
của hệ thống mốc tín hiệu thuỷ âm.
- Độ chính xác phụ thuộc vào việc xác định và hạn chế các hiệu ứng khúc xạ âm.
Điều này đặc biệt chú ý trong vùng có các thiết bị cố định đang hoạt động như hệ
thống dàn khoan ngầm, độ chính xác của hệ thống LBL trong khu vực này cao
hơn hệ thống USBL và SBL.
- Phụ thuộc vào việc xác định và hệ số khúc xạ.
- Phụ thuộc vào các tần số được sử dụng, độ chính xác tăng khi tần số tăng
nhưng giảm hiệu năng.
- Sự tiên tiến của hệ thống phần mềm sử dụng để tính toán dữ liệu định vị.
- Mối quan hệ hình học giữa các thiết bị thuỷ âm.
1.2.3.2. Các nguồn nhiễu.
Định vị thuỷ âm chịu ảnh hưởng của các nguồn nhiễu như:
a. Nhiễu âm thanh do môi trường
b. Nhiễu âm thanh do chính thiết bị
c. Nhiễu của sự phản xạ âm thanh
1.3. Ứng dụng trong thực tiễn


- Ứng dụng chủ yếu trong trắc địa công trình biển ( Định vị đế giàn khoan, định
vị đường ống dẫn dầu, lắp đặt cáp …)
- Ứng dụng trong công tác hải dương học ( Nghiên cứu về biển, tìm các rặng san

hô, xác định các luồng cá … )
- Khảo sát biển
- Xây dựng lưới khống chế đáy biển phục vụ công tác đo đạc biển và công tác
xây dựng các công trình dưới biển…


Chương II
MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM
2.1. Sự lan truyền sóng âm thanh trong môi trường nước.
2.2.1. Sóng âm trong môi trường nước:
Bản chất của sóng âm thanh là sự lan truyền sóng cơ học trong môi trường
nước , đó là sự tác động liên tục quá trình tiếp nhận và truyền tải năng lượng của
dao động âm. Hiện tượng sóng âm phổ biến nhất là sóng dọc, khi sóng âm truyền


qua môi trường các phân tử nước rung động trong môi trường tạo ra mật độ và
áp suất thay đổi dọc theo hướng chuyển động của sóng. Sự thay đổi áp suất được
hiểu như sóng âm hoặc thừa áp , thừa áp P
e
được định nghĩa như sau:
P
e
= P –P
0
(2.1)
Trong đó P là áp suất tức thời , P
0
là áp lực thuỷ tĩnh hay nói cách khác là áp lực
không có sự thay đổi .
Do áp suất lớn, các hạt trong môi trường nước sẽ bắt đầu di chuyển , kết quả

là khoảng cách giữa các phân tử thay đổi giống như một hàm của thời gian và vị
trí. Để âm thanh truyền qua môi trường , môi trường được co lại. Lực nén ký
hiệu s , s được biểu diễn bằng 1/P
a
, nó là thể tích căng trên một đơn vị và được
biểu diễn như sau :
e
P
vv
s
0
/∆
−=
(2.2)
Khi
υ
∆
thay đổi trong thể tích ban đầu và P
e
được chấp nhận , nếu s là
hằng số thì có thể hiểu như định luật Hooke. Sự phản hồi của lực nén được hiểu
như hệ số tải trọng k . Đối với biên độ sóng âm thanh nhỏ, xem xét ở đây lực 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 tín hiệu, sự
lan truyền sóng âm thanh xảy ra cùng một lúc với sự xáo trộn tương ứng với vận
tốc âm v. Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào hệ số tải trọng k và mật độ
0
ρ
trung
bình được tính như sau :

00
.
1
ρρ
υ
s
k
==
(2.3)
Với k = 2,2x10
-9
P
a
và P
0
= 1000(kg/m
3
) , tốc độ âm trong môi trường nước xấp
xỉ 1480m/s. So sánh với tốc độ âm trong sắt là khoảng 5050 m/s và trong không
khí là 330 m/s.


Ta cũng có thể dùng công thức tích phân trung bình để xác định vận tốc âm
trong nước:
∫
−
=
−
=
2

1
1212
2,1
)(
)(
1
)(
t
t
TB
dttV
tttt
D
V
(2.4)
Trong đó D
1,2
là khoảng cách, V(t) là vận tốc âm (phụ thuộc vào độ sâu H, nhiệt
độ T và độ muối S).
2.2.2. Phương pháp xác định tốc độ âm:
Chúng ta có rất nhiều cách để xác định tốc độ âm thanh trong môi trường
nước. Hiện nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc xác
định tốc đô âm trở nên đơn giản.
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 một trường
phức tạp và không thể dự đoán một cách chính xác cho mục đích khảo sát thuỷ
văn. Sự biến đổi của nước theo độ sâu khá phức tạp vì thế dự đoán một cách
chính xác mặt cắt tốc độ âm phục vụ cho nhiệm vụ khảo sát đo đạc biển 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 1
0
C 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 đổi nhiều
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 và
các khoáng chất khác trong nước biển. Bình thường nó được định nghĩa như tổng
số lượng chất rắn hoà tan trong nước biển trên một phần nghìn(ppt hoặc
o
/
oo
)
Trong thực tế độ mặn không được xác định một cách trực tiếp nhưng được
tính toán từ lượng clo của nước , chỉ số khúc xạ âm hay thuộc tính khác nào đó
mà có liên quan tới độ muối. Mẫu mức độ clo có trong nước biển được sử dụng
làm mẫu độ mặn.


Hình 2.2. Biểu đồ độ mặn nước biển trên thế giới , đơn vị tính là đơn vị muối
thực tế
Độ mặn trung bình của nước biển khoảng 35
o
/

oo
. Tỷ lệ thay đổi của tốc độ âm
thanh xấp xỉ 1,3m/s cho sự thay đổi 1
o
/
oo
của độ mặn.
Áp suất : Áp suất cũng tác động đáng kể tới vận tốc âm thanh. Áp suất là hàm
của độ sâu và khoảng thay đổi của tốc độ âm khoảng 1,6m/s với 10 atmospheres
xấp xỉ khoảng 100m độ sâu.
Mật độ nước phụ thuộc vào các thông số trước đó tức là nhiệt độ, áp suất, độ
mặn. Năm mươi phần trăm nước biển có mật độ nằm trong khoảng 1027.7 và
1027.9 kg/m
3
. Sự ảnh hưởng lớn nhất về mật độ là áp lực nén theo độ sâu. Nước
có mật độ 1028.0kg/m
3
tại bề mặt thì sẽ có mật độ là 1050.0kg/m
3
ở độ sâu
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 thuộc tính tải
trọng của môi trường. Các thông số khác như bọt khí và các vi sinh vật cũng ảnh


hưởng tới tốc độ âm. Tốc độ âm thường sử dụng trong môi trường lý tưởng,
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 xác định

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
Các công thức Giới hạn sử dụng
( ) ( )
( ) ( )
( )( )
HST
ST
TTv
22
2
2
2
3
10*6.13518*10
35*2.11810*4
1010*610*39.1492
−−
−
−
+−−−
−+−−
−−−+=
5.242
≤≤−
T

4230

10000
≤≤
≤≤
S
H
( )
( )
HST
T
TTv
22
34
22
10*6.135*1034.1
10*9.2
10*5.56.49.1492
−−
−
−
+−−+
+
−+=

450
10000
350
≤≤
≤≤
≤≤
S

H
T
313
227
2
34
22
*10*139.7
)35(10*025.1*10*675.1
*10*630.1)35(*340.1
*10*374.2
*10*304.5*591.496.1448
HT
STH
HS
T
TTv
−
−−
−
−
−
−
−−+
+−+
+
−+=

4030
80000

300
≤≤
≤≤
≤≤
S
H
T
Điển hình công thức thực nghiệm được trình bày ở Bảng 2.1 là tốc độ âm
thanh tăng cùng với sự gia tăng nhiệt độ , độ sâu , độ mặn. Từ các biểu thức tốc
độ âm thanh tăng nhanh khi nhiệt độ tăng.
Có hai thiết bị dùng xác định tốc độ âm trong môi trường nước :

Công thức 2.6
Công thức 2.7
Công thức 2.8

Một là sử dụng thiết bị “ cảm biến nhiệt ” (Bathyermograph) có hình dạng
quả ngư lôi trong đó chứa thiết bị cảm biến nhiệt độ và một đầu dò để phát hiện
sự thay đổi về độ sâu. Các “ cảm biến nhiệt ” có thể cung cấp thông tin về nhiệt
độ mà không cần lấy lại bộ phận cảm biến . “ Cảm biến nhiệt ” chuyển mối quan
hệ nhiệt độ và độ sâu thành tốc độ âm thanh. Với thiết bị này người 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 dựa trên
nguyên lý xác định thời gian đi và về giữa một máy phát và một bộ thu cố định.
Dụng cụ này chính xác trong mọi điều kiện bao gồm cả nhưng nơi có biến thiên
về độ mặn lớn.
Hình 2.4 Máy đo
vận tốc âm

2.2.3. Hiện tượng suy giảm cường độ âm trong nước :
Sự suy giảm là sự mất năng lượng của một làn sóng âm truyền trong môi
trường nước và bị hấp thụ, lan toả theo hình cầu và bị tán xạ bởi các phần tử
trong cột nước.
Sự suy giảm là kết quả của phân ly và kết hợp của một số phần tử trong cột
nước ví dụ như magie sun phát ( MgSO
4
) là nguồn hấp thụ chính trong nước
biển. Tỷ lệ hấp thụ phụ thuộc vào tính chất vật lý và hoá học của nước biển và
trên các tần số âm thanh được truyền đi.
Hình 2.5. Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ và độ sâu
Sự lan toả hình cầu phụ thuộc vào cấu trúc hình học , với một góc khối năng
lượng âm truyền qua một diện tích khi khoảng cách từ nguồn âm tăng. Cả hai
đều bị tổn thất do sự hấp thụ và lan toả hình cầu được tính đến trong phương
trình truyền âm theo công thức:
EE = SL -2TL – (NL - DI) +BS – DT (2.9)
Trong đó :
EE (Echo Excess) số dư âm thanh
SL (Source level) Mức nguồn âm


TL (Transmission loss) tổn thất do truyền âm thanh trong môi trường nước
NL ( Noise level) Mức độ nhiễu âm thanh trong môi trường nước
DI ( Directivity index) Chỉ số hướng của âm thanh trong môi trường nước
BS (Bottom backscattering strength) cường độ tán xạ của đáy biển
DT ( Detection threshold) Ngưỡng tách sóng
Tuy nhiên sự tổn thất từ tán xạ phụ thuộc vào các phần tử hoặc các đối tượng
có trong cột nước. Tán xạ chủ yếu do các sinh vật biển, là nhân tố chính trong

lớp phát tán sâu ( DSL : Deep Scattering Layer) bao gồm lớp của sinh vật phù du
có độ sâu khác nhau, thay đổi hàng ngày.
Khúc xạ là hiện tượng trong đó hướng lan truyền của sóng âm thanh bị thay
đổi do thay đổi tốc độ âm lan truyền trong môi trường hoặc giống như năng
lượng đi qua bề mặt chung , đại diện cho tính không liên tục của tốc độ âm giữa
hai bề mặt.
1221
1122
1
VPVP
VPVP
P
P
R
+
−
==ℜ
(2.10)


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 âm khác
nhau v
1
, v
2
. Nếu v
1
> v
2

hướng chuyền của sóng âm thanh sẽ thay đổi theo quy
luật góc chuyền sẽ nhỏ hơn góc tới. Ngược lại, thì góc chuyền sẽ lớn hơn góc tới.
Hệ số khúc xạ theo áp suất ký hiệu là
ℜ
tính được theo công thức 2.10
[Kinsler et al, 1982] chính là tỷ lệ áp lực biên độ của sóng phản xạ bởi các áp
lực biên của sóng tới.
Đối với các điều kiện chung , tỷ lệ của cường độ âm thanh phản xạ và truyền qua
phụ thuộc chủ yếu vào:
- Tương phản giữa trở kháng của các thiết bị
- Địa hình đáy biển
- Tần số âm
Những đặc trưng của một máy dò bằng tiếng dội được xác định bằng những
bộ chuyển đổi, tức là tính định hướng, chùm tia, chiều rộng, sự điều khiển chùm
tia và cường độ tại cạnh biên.

v
1
<v
2
v
1
>v
2
v
2
v
1
v
1

v
2
1
θ
1
θ
2
θ
2
θ

a. Tần số âm
Các tần số âm thanh là những tham số để xác định phạm vi và những vùng mà
âm thanh có thể đi qua. Sự suy giảm của tín hiệu âm trong nước tỷ lệ với tần số,
tần số càng cao thì sự suy giảm càng nhanh, tức là đo được khoảng cách ngắn,
ngược lại tần số càng thấp thì càng đo được khoảng cách dài.
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 hỏi phải 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

Tần số
Tăng

Hình 2.7. Độ rộng băng tần của bộ phát biến

Lấy f
0
là tần số của truyền tải điện tối đa( cộng hưởng tần số ) và f
1
, f
2
là tần số
tương ứng với nửa cường độ tín hiệu, độ rộng băng tần là khoảng tần số giữa các
tần số ( hình 1.10), tức W = f
2
– f
1

Hệ số chất lượng của bộ phát biến Q được tính bởi công thức :
W
f
Q
0
=
(2.11)
Từ các định nghĩa trên có thể thấy rằng Q và W có sự thay đổi tỷ lệ nghịch. Do
đó, để tối ưu hoá truyền tải năng lượng, các bộ chuyển đổi nên chuyển gần với
các tần số cộng hưởng và do đó có độ rộng băng tần nhỏ, tức là giá trị hệ số chất
lượng cao. Trong quá trình lựa chọn Q là cần thiết để có sự phản hồi tốt và phân
biệt với các tín hiệu khác, tuy nhiên Q cũng phải được xác định trong dải tần số ,
độ rộng băng tần của bộ phát biến thoả mãn W
τ
1
≥
với

τ
là khoảng thời gian
của xung.
c. Chiều dài xung
Độ dài của xung xác định năng lượng truyền vào trong nước, với cùng một
cường độ thì xung càng dài thì cần nhiều năng lượng hơn để đi sâu vào trong
nước và để đi qua một khoảng cách lớn có thể thực hiện được với hệ thống dò tín
hiệu âm.
Để tận dụng lợi thế của bộ chuyển đổi tần số cộng hưởng thời gian xung nên có
ít nhất một nửa chu kỳ tự nhiên. Hạn chế của xung dài là giảm độ tin cậy của hai
bên rìa xung.


Hình 2.8. Chiều dài xung
2.2. Nguyên tắc đo khoảng cách trong định vị thuỷ âm
2.2.1. Nguyên tắc đo khoảng cách 2 chiều


Hình 2.9. Hình vẽ thể hiện khoảng cách từ đầu phát biến tới bộ ứng đáp và thiết
bị lặn.
Sóng âm thanh được sử dụng để đo khoảng cách trong môi trường nước. Bản
chất của phép đo khoảng cách bằng sóng âm thanh là đo khoảng thời gian là
truyền tín hiệu âm thanh và coi vận tốc âm là đã biết. Thông thường, để đo
khoảng cách, người ta thực hiện “phép đo khoảng cách theo nguyên tắc 2
chiều” , khoảng cách D
1
( khoảng cách hai chiều từ đầu phát biến tới bộ ứng đáp
dưới đáy biển ) được xác định theo công thức :
tVD ∆= .
2

1
1
(2.12)
Trong đó V là vận tốc âm coi đã biết
( )
tttt
δ
+−=∆
12
t
∆
là khoảng thời gian tín hiệu đi và về ( 2 chiều )
Với t
1
là thời gian phát tín hiệu tại bộ phát biến
t
2
là thời gian nhận tín hiệu tại bộ phát biến



t
δ
là độ trễ thời gian giữa tín hiệu thu và phát
Để có được tín hiệu âm cả đi và về, người ta dựa trên hiện tượng phản xạ âm
khi âm thanh gặp đáy biển hoặc một đối tượng có phản xạ âm nào đó. Theo
nguyên tắc đo này, người ta đã chế tạo ra máy đo sâu hồi âm.
Trong định vị thuỷ âm, tín hiệu lan truyền hai chiều được tạo ra bởi thiết bị
ứng đáp thuỷ âm , thiết bị này phát ra tín hiệu âm “ đáp” khi nhận được tín hiệu
âm “hỏi”. Bộ phát biến là thiết bị tạo ra tín hiệu “ hỏi” và cũng là bộ phận thu

nhận tín hiệu “đáp”.
Hình 2.9, bộ phát biến (V) được gắn theo tầu, tiêu ứng đáp thuỷ âm (B) được
đặt dưới đáy biển. Như vậy khoảng cách giữa bộ phát biến và tiêu thuỷ âm sẽ
nhận được theo công thức (2.12). Trong trường hợp này việc đo thời gian được
thực hiện tại vị trí V.
Tiến hành vi phân hai vế công thức 2.12 rồi đưa về sai số trung phương

tVD ∆= .2
1
4














∆∂
∂
+




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

=
t
∆
,
t
D
∆∂
∂
1
= V
từ đó ta có:

22222
1
4
VttD
mmVm ∆+=
∆
(2.14)
suy ra:

[ ]
22222
1
4
1
tVD
mVmtm
∆
+∆=

(2.14a)
Hoặc biến đổi thành công thức sau :






∆
+=
∆
2
2
2
2
2
1
2
1
4
1
t
m
V
m
D
m
tV
D
(2.14b)

2.2.2. Nguyên tắc đo khoảng cách 1 chiều
Nguyên tắc “đo khoảng cách 1 chiều”cũng có thể được thực hiện trong môi
trường nước nếu như có thể đồng bộ thời gian giữa bộ phát tín hiệu. Trong
trường hợp hình vẽ trên thiết bị lặn R được kết nối với tầu qua dây cáp, do đó
vấn đề đồng bộ thời gian giữa bộ phát biến V và bộ phát biến tín hiệu (điều
khiển qua dây) R được thực hiện., trong trường hợp này, khoảng cách D
2
giữa vị
trí phát biến V và thiết bị lặn R xác định theo công thức:
tVD ∆= .
2
(2.15)
Trong đó
t
∆
là khoảng thời gian tín hiệu âm thanh đi từ R tới V (1 chiều).
Tiến hành vi phân hai vế công thức 2.15 rồi đưa về sai số trung phương















∆∂
∂
+






∂
∂
=
∆
)()(
2
2
1
2
2
1
2
1 tVD
m
t
D
m
V

D
m
(2.16)
Với
v
D
∂
∂
1
=
t
∆
,
t
D
∆∂
∂
1
= V

[ ]
22222
2 tVD
mVmtm
∆
+∆=
(2.16a)
Hoặc biến đổi thành công thức sau :







∆
+=
∆
2
2
2
2
2
2
2
2
t
m
V
m
D
m
tV
D
(2.16b)




Chương III
ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ĐƯỜNG ĐÁY NGẮN

3.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn
3.1.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn
Hình 3.1. Sơ đồ bố trí SBL


Hệ thống định vị thuỷ âm đường đáy ngắn (SBL) sử dụng hệ thống các đường
đáy ngắn có chiều dài từ 20 – 50m. Các đường đáy ngắn được bố trí dưới đáy tầu
và xác lập trong hệ toạ độ tầu. Giới hạn ( đầu, cuối) của các đường đáy ngắn là
các thiết bị nghe hoặc các đầu phát biến. Hệ thống định vị SBL có thể làm việc ở
trạng thái tầu đứng yên hoặc tầu chuyển động. Để đảm bảo đồ hình định vị tốt ,
cho độ chính xác cao thì hệ thống này nên áp dụng ở các vùng có độ sâu tương
đương chiều dài cạnh đáy. Tuy nhiên ở vùng nước sâu cũng có thể áp dụng hệ
thống này theo nguyên tắc khác, trong đó có thêm trị đo góc tới, ngoài các trị đo
khoảng cách bằng tín hiệu âm.
Nếu bộ ứng đáp, mốc tín hiệu âm được đặt tại vị trí cố định đã biết toạ độ dưới
đáy biển chúng ta có thể tính ra vị trí của tầu với các thiết bị phụ trợ ( ví dụ bộ
chỉnh hướng, cảm biến lắc). Toạ độ tầu được tính dựa trên các trị đo khoảng
cách và góc tới từ mốc thuỷ âm đến đầu ống nghe nằm trong hệ toạ độ xác lập
bởi các đường đáy ngắn.
Ngược lại với vị trí tầu đã được xác định bằng DGPS thì từ các khoảng cách
và hướng đo được bằng thiết bị thuỷ âm sẽ xác định được vị trí của bộ ứng đáp
trong hệ toạ độ tầu.
Theo như phân tích ở trên, phương pháp định vị thuỷ âm đường đáy ngắn bị
hạn chế trong phạm vi nhỏ như xác định vị trí động của một hệ thống cố định.
Phương pháp định vị thuỷ âm đường đáy ngắn được áp dụng cho :
- Vị trí của tầu trong phạm vi nhỏ ( từ mốc tín hiệu tới bộ ứng đáp ở trên đáy
biển) tương đương với độ sâu của nước.
- Xác định vị trí hoặc theo dõi thiết bị dưới nước hoặc thiết bị kéo theo tầu.
- Vị trí các thiết bị động (tầu cố định tại một điểm) ví dụ như mũi khoan.

(a)
(b)