Đồ án tốt nghiệp Khảo sát độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn

Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa
Mục Lục

Mục Lục .................................................................................................................. 1
Danh mục các hình vẽ ............................................................................................ 3
Danh sách các bảng biểu........................................................................................ 5
Danh mục các từ viết tắt ......................................................................................... 6
Mở đầu..................................................................................................................... 7
Chương 1 ................................................................................................................. 8
KHÁI NIỆM VỀ ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM VÀ PHÂN LOẠI .................................... 8
1.1. Khái niệm về định vị thuỷ âm.......................................................................... 8
1.2. Phân loại định vị thuỷ âm và ưu nhược điểm từng phương pháp. ............... 8
1.2.1. Phân loại định vị thuỷ âm. ....................................................................... 8
1.2.2. Ưu nhược điểm của các phương pháp định vị thuỷ âm. ............................ 9
1.2.2.1. Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn: ................................................. 9
1.2.2.2. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn: ..................................................... 9
1.2.2.3. Định vị thuỷ âm đường đáy dài .......................................................... 9
1.2.3. Độ chính xác của định vị thuỷ âm và các nguồn sai số. ....................... 10
1.2. 3.1. Nguồn sai số và độ chính xác của định vị thuỷ âm: ...................... 10
1.2.3.2. Các nguồn nhiễu. .............................................................................. 10
1.3. Ứng dụng trong thực tiễn .............................................................................. 10
Chương 2 ............................................................................................................... 12
MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ............................................... 12
2.1. Sự lan truyền sóng âm thanh trong môi trường nước................................. 12
2.2.1. Sóng âm trong môi trường nước: ........................................................... 12
2.2.2. Phương pháp xác định tốc độ âm: ......................................................... 13
2.2.3. Hiện tượng suy giảm cường độ âm trong nước : .................................. 16
2.2. Nguyên tắc đo khoảng cách trong định vị thuỷ âm ..................................... 21
2.2.1. Nguyên tắc đo khoảng cách 2 chiều....................................................... 21

2.2.2. Nguyên tắc đo khoảng cách 1 chiều....................................................... 22
Chương 3 ............................................................................................................... 24
ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ĐƯỜNG ĐÁY NGẮN ......................... 24
3.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn ................................................................. 24
3.1.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn ........................................................... 24
3.1.2. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn sử dụng mốc tín hiệu cố định ......... 26
3.1.3. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn sử dụng thiết bị bộ ứng đáp ............ 29
3.2. Các hệ toạ độ và các hệ quy chiếu ................................................................ 31
3.2.1. Hệ quy chiếu WGS- 84 ............................................................................ 31
3.2.2. Hệ quy chiếu quốc gia VN2000 .............................................................. 32

Nguyễn Văn Tú

-1-

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

3.2.3. Hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm .............................................. 33
3.2.4. Hệ toạ độ trắc địa ................................................................................... 34
3.2.5. Hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện chân trời ............................. 37
3.2.6. Hệ toạ độ tầu........................................................................................... 37
3.3. Kết hợp định vị DGPS và định vị thuỷ âm .................................................... 38
3.3.1. Các công nghệ định vị DGPS chính xác cao ......................................... 38
3.3.1.1. DGPS( Định vị GPS vi phân) ........................................................... 38
3.3.1.2. Công nghệ C-Nav.............................................................................. 40

3.3.1.3. Công nghệ GcDGPS ......................................................................... 40
3.3.1.4. Công nghệ Fugro Omnistar ............................................................. 41
3.3.1.5. Hệ thống Starfire và Công nghệ NavCom: ..................................... 43
3.3.2. Sơ đồ nguyên lý kết hợp DGPS và định vị thuỷ âm ............................... 44
3.3.3. Các thiết bị sử dụng trong định vị thuỷ âm............................................ 45
3.3.3.1.Thiết bị thuỷ âm sử dụng gắn trên tầu. ............................................ 46
3.3.3.2.Thiết bị gắn dưới nước và đáy biển. ................................................. 47
3.4. Phân tích các nguồn sai số trong định vị thuỷ âm đáy biển ........................ 50
Chương 4 ............................................................................................................... 52
TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM ........................................................................... 52
4.1. Tính V theo P, T, H........................................................................................ 52
4.2. Tính sai số trung phương khoảng cách D đo được bằng sóng âm ............. 53
4.2.1. Sai số trung phương khoảng cách D đo theo nguyên tắc hai chiều ........ 53
4.3. Xác định vị trí bộ ứng đáp (dưới đáy biển) trong hệ toạ độ tầu .................. 55
Kết luận ................................................................................................................. 58
Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 59

Nguyễn Văn Tú

-2-

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp
STT
1
2

Hình

2.1
2.2

3
4
5

2.3
2.4
2.5

6
7
8
9

2.6
2.7
2.8
2.9

10
11

3.1
3.2

12

3.3

13
14
15

3.4
3.5
3.6

16
17
18
19

3.7
3.8
3.9
3.10

20
21
22
23
24
25

3.11
3.12
3.13
3.14

3.15
3.16

26

3.17

Khoa Trắc Địa

Danh mục các hình vẽ
Nội dung
Trang
Mặt cắt nhiệt độ theo độ sâu
13
Biểu đồ độ mặn nước biển trên thế giới , đơn vị
14
tính là đơn vị muối thực tế
Thiết bị cảm biến nhiệt
15
Máy đo vận tốc âm
16
Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ
16
và độ sâu
Nguyên lý khúc xạ tia âm thanh
18
Độ rộng băng tần
19
Chiều dài xung
20

Hình vẽ thể hiện khoảng cách từ đầu
21
phát biến tới bộ ứng đáp và thiết bị lặn.
Sơ đồ bố trí SBL
24
Quan hệ hình học giữa mốc tín hiệu và
27
ống nghe tín hiệu âm
quan hệ hình học giữa nguồn âm và các ống
29
nghe tín hiệu âm
Hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm
33
Hệ toạ độ trắc địa
35
Hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện
37
chân trời
Hệ toạ độ tầu
38
Công nghệ DGPS xác định vị trí tầu biển
39
C-nav 2050
40
Nguyên lý thu phát tín hiệu vệ tinh của công nghệ
42
Fugro Omnistar
Công nghệ Navcom
43
Hệ thống StarFire sử dụng

44
Nguyên lý định vị thuỷ âm
45
Các loại Bộ phát biến
46
Vị trí gắn bộ phát biến SBL
47
Bộ ứng đáp gắn trên thiết bị di chuyển
48
của hãng Sonardyne
Bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển của hãng
48
Sonardyne

Nguyễn Văn Tú

-3-

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp
27
28

Khoa Trắc Địa

3.18 Bộ ứng đáp của hãng Sonardyne
3.19 Mối quan hệ giữa định vị vệ tinh và định vị
thuỷ âm trong xác định vị trí đáy biển

Nguyễn Văn Tú

-4-

49
50

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

Danh sách các bảng biểu
STT Bảng
Nội Dung
Trang
Chiều dài cạnh đáy, loại trị đo của các
8
1
1.1
phương pháp định vị thuỷ âm
Công thức tốc độ âm theo T,H,P
15
2
1.2
Dải tần số, khoảng cách tối đa và độ chính xác
49

3
3.1
Vận tốc âm tính theo công thức 2.5
52
4
4.1
Vận tốc âm tính theo công thức 2.6
52
5
4.2
Vận tốc âm tính theo công thức 2.7
52
6
4.3
Sai số trung phương khoảng cách đo bằng sóng
53
7
4.4
âm theo nguyên tắc đo hai chiều( đơn vị m)
Sai số trung phương khoảng cách đo bằng sóng
54
8
4.5
âm theo nguyên tắc đo một chiều( đơn vị m)
Tính toạ độ tầu khi biết toạ độ các điểm Hi
56
9
4.6
và toạ độ điểm P ta tính được toạ độ P’ trong
hệ toạ độ tầu

Tính toạ độ tầu khi biết toạ độ các điểm Hi và
57
10
4.7
khoảng cách Ri ta tính được toạ độ P’ trong hệ
toạ độ tầu

Nguyễn Văn Tú

-5-

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp
STT Viết tắt
1
ROV
2
3
4
5
6
7

8

Khoa Trắc Địa

Danh mục các từ viết tắt

Tiếng Anh
Remote Operation Vehicle

Tiếng Việt
Phương tiện điều
khiển từ xa
SBL
Short Base Line
Định vị thuỷ âm đường
đáy ngắn
USBL
Ultra Short Base Line
Định vị thuỷ âm đường
đáy siêu ngắn
LBL
Long Base Line
Định vị thuỷ âm đường
đáy dài
GPS
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn
cầu
DGPS
Differential Global Positioning
Hệ thống định vị vi
System
phân toàn cầu
GcDGPS Global Correction Differential
Cải chính toàn cầu hệ
Global Positioning System

thống định vị vi phân
toàn cầu
GNSS
Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh đạo
hàng toàn cầu

Nguyễn Văn Tú

-6-

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa
Mở đầu

Tính cấp thiết của đề tài:
Nước ta có bờ biển dài gần 3200km, là một quốc gia có ưu điểm về
biển. Trong giai đoạn công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước , Đảng và
Nhà nước chủ trương phát triển kinh tế biển. Vì vậy việc xây dựng các
công trình biển phục vụ các nhiệm vụ phát triển kinh tế, nghiên cứu khoa
học về biển , quan trắc sự thay đổi môi trường biển , khảo sát đáy biển,
theo dõi quá trình trầm tích đáy biển , khai thác tài nguyên khoáng sản …
cũng đang được đẩy mạnh.Việc đổi mới và áp dụng các công nghệ mới ,
các phương pháp tiên tiến trong đo đạc biển nhằm nâng cao độ chính xác ,
giảm thời gian thi công đảm bảo an toàn lao động là nhiệm vụ cần thiết.
Có nhiều phương pháp định vị thuỷ âm được sử dụng: Định vị thuỷ
âm đường đáy siêu ngắn, định vị thuỷ âm đường đáy dài, định vị thuỷ âm

đường đáy ngắn. Song chúng tôi chọn đề tài “ Khảo sát độ chính xác
định vị thuỷ âm đường đáy ngắn” . Đề tài có mục tiêu nghiên cứu độ
chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn, tìm hiểu ưu nhược điểm và
phạm vi ứng dụng của phương pháp định vị thuỷ âm đường đáy ngắn.
Cấu trúc của đề tài bao gồm:
Mở đầu
Chương I : Khái niệm về định vị thuỷ âm và phân loại
Chương II: Một số kiến thức về định vị thuỷ âm
Chương III: Độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn
Chương IV: Tính toán thực nghiệm
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Đặng Nam Chinh và các thầy cô
trong bộ môn trắc địa cao cấp cũng như các thầy cô trong khoa trắc địa đã
tận tình giúp đỡ, chỉ bảo để em có thể hoàn thành đồ án này.
Hà nội, ngày… tháng…năm
Sinh viên

Nguyễn Văn Tú
Lớp Trắc địa A – K51

Nguyễn Văn Tú

-7-

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa
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
< 10cm
Đo hướng và
đáy siêu ngắn (USBL)
khoảng cách
Định vị thuỷ đường
20m – 50m
Đo hướng và
đáy ngắn ( SBL)
khoảng cách
Định vị thuỷ âm đường đáy dài
100m – 6000m
Đo khoảng
(LBL)
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.

Nguyễn Văn Tú

-8-

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

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.

Nguyễn Văn Tú

-9-

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

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 … )

Nguyễn Văn Tú

- 10 -

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

- 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…

Nguyễn Văn Tú

- 11 -

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa
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 Pe được định nghĩa 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 ,
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/Pa , nó là thể tích căng
trên một đơn vị và được biểu diễn như sau :
s

v / v0
Pe

(2.2)

Khi  thay đổi trong thể tích ban đầu và Pe 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 trung bình được tính như sau :


k

0



1
s. 0

(2.3)

Với k = 2,2x10-9 Pa và P0 = 1000(kg/m3) , 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.

Nguyễn Văn Tú

- 12 -

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

Ta cũng có thể dùng công thức tích phân trung bình để xác định vận tốc
âm trong nước:
t2

D1, 2
1
VTB 

V (t )dt
(2.4)
(t 2  t1 ) (t 2  t1 ) t1
Trong đó D1,2 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 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

Nguyễn Văn Tú

- 13 -

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

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 35o/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/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 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

Nguyễn Văn Tú

- 14 -

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

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

v  1492.9  3 * T  10  6 *10 3 T  10

2

T  18  1.2 * S  35
2
 10 * T  18S  35  1.6 *10 2 H
 4 *10

2

2

 2  T  24.5
0  H  1000
30  S  42

v  1492.9  4.6T  5.5 * 10 2 T 2

0  T  35

 2.9 * 10  4 T 3

 1.34  10  2 * T S  35  1.6 * 10  2 H

0  H  1000
0  S  45

v  1448.96  4.591 * T  5.304 * 10 2 * T 2

0  T  30

 2.374 * 10  4 * T 3

0  H  8000
30  S  40





 1.340 * ( S  35)  1.630 * 10  2 * H

Công thức 2.6

Công thức 2.7

Công thức 2.8

 1.675 * 10 7 * H 2  1.025 *10  2 T ( S  35)
 7.139 * 10 13 T * H 3

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

Nguyễn Văn Tú

- 15 -

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

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 ( MgSO4) 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.

Nguyễn Văn Tú

- 16 -

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

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.


PR P2V2  P1V1

P1 P1V2  P2V1

Nguyễn Văn Tú

(2.10)

- 17 -

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

1

1

v1

v1>v2

v1
v1

v2

v2
2

2

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 v1 , v2. Nếu v1 > v2 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  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.
a. Tần số âm
Các tần số âm thanh là những tham số để xác định phạm vi và những
vùng mà âm thanh có thể đi qua. Sự suy giảm của tín hiệu âm trong nước
tỷ lệ với tần số, tần số càng cao thì sự suy giảm càng nhanh, tức là đo
được khoảng cách ngắn, ngược lại tần số càng thấp thì càng đo được
khoảng cách dài.

Nguyễn Văn Tú

- 18 -

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

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
Tăng

Tần số

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 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 = f2 – f1
Hệ số chất lượng của bộ phát biến Q được tính bởi công thức :
Q

f0
W

(2.11)

Từ các định nghĩa trên có thể thấy rằng Q và W có sự thay đổi tỷ lệ
nghịch. Do đó, để tối ưu hoá truyền tải năng lượng, các bộ chuyển đổi nên
chuyển gần với các tần số cộng hưởng và do đó có độ rộng băng tần nhỏ,
tức là giá trị hệ số chất lượng cao. Trong quá trình lựa chọn Q là cần thiết

Nguyễn Văn Tú

- 19 -

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

để có sự phản hồi tốt và phân biệt với các tín hiệu khác, tuy nhiên Q cũng
phải được xác định trong dải tần số , độ rộng băng tần của bộ phát biến
thoả mãn W  1 với  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

Nguyễn Văn Tú

- 20 -

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

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 D1 ( khoảng cách hai chiều
từ đầu phát biến tới bộ ứng đáp dưới đáy biển ) được xác định theo công
thức :
1
D1  V .t
2

(2.12)

Trong đó V là vận tốc âm coi đã biết

t  t 2  t1   t

t là khoảng thời gian tín hiệu đi và về ( 2 chiều )

Với t1 là thời gian phát tín hiệu tại bộ phát biến
t2 là thời gian nhận tín hiệu tại bộ phát biến
t là độ trễ thời gian giữa tín hiệu thu và phát
Để có được tín hiệu âm cả đi và về, người ta dựa trên hiện tượng phản
xạ âm khi âm thanh gặp đáy biển hoặc một đối tượng có phản xạ âm nào
đó. Theo nguyên tắc đo này, người ta đã chế tạo ra máy đo sâu hồi âm.

Nguyễn Văn Tú

- 21 -

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

Trong định vị thuỷ âm, tín hiệu lan truyền hai chiều được tạo ra bởi
thiết bị ứng đáp thuỷ âm , thiết bị này phát ra tín hiệu âm “ đáp” khi nhận
được tín hiệu âm “hỏi”. Bộ phát biến là thiết bị tạo ra tín hiệu “ hỏi” và
cũng là bộ phận thu nhận tín hiệu “đáp”.
Hình 2.9, bộ phát biến (V) được gắn theo tầu, tiêu ứng đáp thuỷ âm
(B) được đặt dưới đáy biển. Như vậy khoảng cách giữa bộ phát biến và
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
2D1  V .t
2
  D1 


D


2
2
1
4 m   
 (mV )  
 (mt ) 


 t 
  V 

D
D
Với 1 = t , 1 = V
v
 t
2

2
D1

(2.13)

từ đó ta có:
4m D2 1  V 2 m2t  2t mV2

suy ra:
m D2 1 



1 2 2
t mV  V 2 m2t
4

(2.14)



(2.14a)

Hoặc biến đổi thành công thức sau :
mD2 1
D1

2

1  mV2 m2t 
  2  2
4 V
t 

(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 D2 giữa vị trí phát biến V và thiết bị lặn R xác định theo
công thức:
(2.15)
D2  V .t
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

  D  2

 D 
m D2 1    1  (mV2 )   1  (m2t ) 
  V 

 t 



Nguyễn Văn Tú

- 22 -

(2.16)

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp
Với

Khoa Trắc Địa

D1
D1
= t ,
=V
v
 t

m D2 2  t 2 mV2  V 2 m2t





(2.16a)

Hoặc biến đổi thành công thức sau :
mD2 2  mV2 m2t 



D22  V 2 t 2 

Nguyễn Văn Tú

- 23 -

(2.16b)

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa
Chương III

ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ĐƯỜNG ĐÁY NGẮN

3.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn
3.1.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn

Hình 3.1. Sơ đồ bố trí SBL
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.

Nguyễn Văn Tú

- 24 -

Trắc Địa A – K51


Đồ Án Tốt Nghiệp

Khoa Trắc Địa

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)

Nguyễn Văn Tú

- 25 -

Trắc Địa A – K51