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
Trang 1DƯƠNG MINH ÂU
KHẢO SÁT VÀ CẢI THIỆN ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC SÓNG ÂM VÀ ĐỘ NGHIÊNG CỦA TÀU TRONG ĐO SÂU
HỒI ÂM ĐƠN TIA
:
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS NGUYỄN NGỌC LÂU
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS LƯƠNG BẢO BÌNH
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS LÊ TRUNG CHƠN
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày
27 tháng 08 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1
2
3
4
5
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KTXD
PGS TS ĐÀO XUÂN LỘC
Trang 3
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: DƯƠNG MINH ÂU MSHV: 10220384
Ngày, tháng, năm sinh: 24-08-1983 Nơi sinh: Bến Tre
Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa Mã số : 605285
I TÊN 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’
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thu thập dữ liệu đo thử nghiệm Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và hiệu chỉnh của thiết bị đo vận tốc sóng âm (sound velocimeter) và thiết bị cảm biến chuyển động (motion sensor) vào kết quả đo sâu Xây dựng phần mềm xử lý đo sâu hồi âm đơn tia ‘HYDROTOOLS’ Xử lý dữ liệu đo bằng phần mềm thương mại và phần mềm do học viên tự xây dựng Rút ra kết luận và kiến nghị III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 24-06-2013
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 23-05-2014
V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS NGUYỄN NGỌC LÂU
Tp HCM, ngày tháng năm 20
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)
Trang 4Lời đầu tiên học viên xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Ngọc Lâu
đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên học viên trong suốt quá trình làm luận văn Những ý kiến đóng góp khoa học của Thầy đã giúp ích cho học viên rất nhiều trong việc tiếp cận và khám phá những tri thức mới
Học viên cũng muốn gửi lời cảm ơn đến chú Nguyễn Tân Sơn, giám đốc Công
ty TNHH Địa Hải, đã có những ý kiến đóng góp quý báo, đặc biệt là sự nhiệt tình giúp đỡ về mặt thiết bị để học viên có thể hoàn thành luận văn thạc sỹ này
Học viên cũng xin gửi lời biết ơn chân thành đến gia đình (cha mẹ, vợ và con trai) đã tạo thuận lợi về mặt thời gian, đặc biệt luôn bên cạnh chia sẽ những khó khăn giúp học viên có thêm động lực, niềm tin để có thể hoàn thành luận văn này một cách tốt đẹp nhất
Dương Minh Âu
Trang 5Tôi xin cam kết rằng luận văn của tôi không trùng với bất cứ luận văn nào trong nước đã làm trước đó Số liệu thu thập, xử lý là hoàn toàn trung thực và không sao chép Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
Học viên thực hiện
Trang 6
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 sâu thành lập bản đồ sông/ biển,
đo sâu phục vụ nạo vét, đo sâu phục vụ thiết kế cảng, đo sâu phục vụ xây dựng các loại công trình thủy, …
Tuy nhiên, trong công tác đo sâu ngoài hai thiết bị cơ bản đó là: thiết bị định vị
và máy đo sâu hồi âm thì khi đo sâu ở vùng có nhiều sóng, gió, dòng chảy mạnh, … đòi hỏi phải có thêm thiết bị cảm biến chuyển động (motion sensor) cũng như thiết
bị đo vận tốc sóng âm (sound velocimeter) để cải thiện độ chính xác công tác đo sâu hồi âm đơn tia
Đề tài của học viên sẽ tập trung tìm hiểu nguyên tắc tính toán hiệu chỉnh dữ liệu từ thiết bị cảm biến chuyển động (motion sensor) và thiết bị đo vận tốc sóng âm (sound velocimeter) vào kết quả đo sâu sau cùng để có thể viết một chương trình có khả năng xử lý dữ liệu đo sâu hồi âm đơn tia có khả năng tích hợp các thiết bị trên
SUMMARY
“INVESTIGATION AND IMPROVEMENT THE EFFECTS OF SOUND VELOCIMETER AND THE ATTITUDE OF THE SURVEY VESSEL IN SINGLE
BEAM HYDROGRAPHIC SURVEY”
Nowadays, hydrographic surveying using single beam echo sounder become popular in Viet Nam such as: defining the bathymetric map of river/ sea, serving dredging, for port designing, and building underwater construction, …
Trang 7that have many waves, winds, flows, … It is neccesary to have the motion sensor and sound velocimeter for improving the accuracy of single beam hydrographic survey datas
Therefore, my thesis will be focus on reseaching the principles of adjusting the datas from motion sensor and sound velocimeter into the final hydrographic survey result in order to building a program that can be processing the single beam hydrographic survey with all equipments above
Trang 8
CHƯƠNG 1: NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN 1
1.1 – NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN 2
1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài 2
1.1.2 Mục tiêu của đề tài 2
1.1.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn 3
1.2 – TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 3
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 4
1.2.2 Tình hình nghiên cứu quốc tế 5
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM & THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM 7
2.1 – SÓNG ÂM 8
2.1.1 Khái niệm 8
2.1.2 Nguyên lý hoạt động 8
2.2 – VẬN TỐC SÓNG ÂM 9
2.2.1 Tính toán vận tốc sóng âm 9
2.2.2 Công thức xác định vận tốc sóng âm kinh điển 10
2.2.3 Kiểm nghiệm bar-check 15
2.3 – THIẾT BỊ ĐO VẬN TỐC SÓNG ÂM 18
2.3.1 Giới thiệu một số thiết bị đo vận tốc sóng âm hiện nay 18
2.3.2 Nguyên lý hoạt động 19
2.4 – CÁC KỸ THUẬT ĐO SÂU CƠ BẢN 24
2.4.1 Sào đo sâu 25
2.4.2 Thả dọi 26
2.4.3 Máy đo sâu hồi âm đơn tia 27
2.4.4 Máy đo sâu hồi âm đa tia 29
2.4.5 Phương pháp đo sâu hậu xử lý kiểu base-rover 30
2.4.6 Phương pháp đo sâu hậu xử lý kiểu DGPS 33
Trang 9CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH
TOÁN HIỆU CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU 40
3.1 – GIỚI THIỆU THIẾT BỊ MOTION SENSOR HÃNG VT TSS DMS 41
3.1.1 Lắp đặt cảm biến 43
3.1.2 Nguyên lý hoạt động 44
3.1.3 Những đặc tính của mảng trực giao 49
3.1.4 Phân tích sai số roll, pitch tác động lên sai số độ sâu đo 50
3.2 – SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU KHẢO SÁT 56
3.3 – THỐNG KÊ ẢNH HƯỞNG SAI SỐ HEAVE, ROLL, PITCH VÀ YAW LÊN HỆ THỐNG ĐO SÂU HỒI ÂM ĐƠN TIA CỦA QUẬN ĐỘI MỸ 60
3.4 – NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU CHỈNH TỌA ĐỘ VÀ ĐỘ SÂU TỪ THIẾT BỊ CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG (MOTION SENSOR) 64
3.5 – KỸ THUẬT PATCH TEST 72
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN ÂM VÀ ĐỘ RUNG LẮC CỦA TÀU 78
4.1 – ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VẬN TỐC TRUYỀN ÂM 79
4.1.1 Phương pháp đề xuất 79
4.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số trong các công thức kinh điển 80
4.2 – ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHUYỂN ĐỘNG LẮC XOAY CỦA TÀU KHẢO SÁT 83
4.2.1 Một số dòng thiết bị motion sensor tiêu biểu 83
4.2.2 Các khung tọa độ 83
4.2.3 Một số phương pháp lắp đặt anten phục vụ tính toán roll, pitch 84
4.3 – GIỚI THIỆU VỀ CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ “HYDROTOOLS” 96
4.4 – LỰA CHỌN NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH 102
4.5 – CÁC CHƯƠNG TRÌNH CON VÀ CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH 103
Trang 104.5.3 Chương trình con hiệu chỉnh roll/pitch vào dữ liệu đo sâu 105
4.5.4 Chương trình con hiệu chỉnh vận tốc sóng âm vào dữ liệu đo sâu 105
CHƯƠNG 5: THU THẬP DỮ LIỆU VÀ XỬ LÝ 107
5.1 – THU THẬP DỮ LIỆU 108
5.1.1 Khu đo trong sông 108
5.1.2 Khu đo ngoài biển 111
5.2 – XỬ LÝ DỮ LIỆU VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ 112
5.2.1 Vận tốc truyền âm 112
5.2.2 Xác định độ rung lắc của tàu 115
5.3 – KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC PHẦN MỀM HYDROTOOLS 118
5.3.1 Nội suy dữ liệu Hypack 118
5.3.2 Tính toán vận tốc sóng âm bằng các công thức kinh điển 120
5.3.3 Hiệu chỉnh vận tốc sóng âm 124
5.3.4 Hiệu chỉnh roll, pitch và heave vào tọa độ và độ sâu 126
5.3.5 Xử lý dữ liệu đo sâu hồi âm đơn tia 129
5.3.6 Khảo sát độ cao mực nước bằng quan trắc mực nước và RTK 134
5.4 – ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO SÂU KẾT HỢP KIỂU ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC PPP 135
5.4.1 Khu vực trong sông 136
5.4.2 Khu vực ngoài biển 137
5.5 – KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐẦU DÕ HỒI ÂM VÀ ĐỐI CHIẾU VỚI GÓC XOAY ROLL, PITCH 138
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 140
6.1 – KẾT LUẬN 141
6.1.1 Các vấn đề đạt được 141
6.1.2 Kết luận 143
Trang 12Hình 2.2 Phương pháp bar-check 16
Hình 2.3 Mẫu ghi kết quả thử nghiệm bằng phương pháp bar-check 17
Hình 2.4 Thiết bị đo vận tốc sóng âm hãng Valeport (trái) và Teledyne (phải) 19
Hình 2.5 Sơ đồ làm việc của thiết bị đo sóng âm trực tiếp 20
Hình 2.6 Chi tiết đầu đo vận tốc sóng âm 21
Hình 2.7 Mô hình thiết bị đo vận tốc sóng âm 22
Hình 2.8 Thiết bị đo vận tốc sóng âm SV.XChange 23
Hình 2.9 Thiết bị đo vận tốc sóng âm DigibarPro 23
Hình 2.10 Thống kê sai số độ sâu tương ứng với sai số vận tốc sóng âm đo được 24
Hình 2.11 Phóng to vị trí bỏ xót trong đo sâu hồi âm 24
Hình 2.12 Kỹ thuật đo sâu bằng sào đo sâu 25
Hình 2.13 Mô phỏng kỹ thuật đo sâu bằng phương pháp dùng sào đo sâu 25
Hình 2.14 Kỹ thuật đo sâu bằng thả dọi 26
Hình 2.15 Mô phỏng đo mực nước trong phương pháp đo sâu thủ công 27
Hình 2.16 Kỹ thuật đo sâu hồi âm đơn tia 28
Hình 2.17 Minh họa kỹ thuật đo sâu hồi âm đơn tia 28
Hình 2.18 Kỹ thuật đo sâu hồi âm đa tia 29
Hình 2.19 Minh họa kỹ thuật đo sâu hồi âm đơn tia 30
Hình 2.20 Kỹ thuật đo GNSS ứng dụng trong đo sâu 31
Hình 2.21 Nguyên tắc thủy đạc hậu xử lý 31
Hình 2.22 Sơ đồ đo thủy đạc sử dụng kỹ thuật đo động hậu xử lý 33
Hình 2.23 Sơ đồ đo sâu sử dụng kỹ thuật đo DGNSS kết hợp quan trắc mực nước 34
Hình 2.24 Dữ liệu đo động bằng 1 máy thu duy nhất được xử lý bằng kỹ thuật PPP 34
Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý đo sâu kết hợp kỹ thuật định vị PPP 36
Hình 2.26 Định vị RTK trên mặt đất 37
Hình 2.27 Định vị RTK dưới nước 37
Hình 2.28 Nguyên lý kỹ thuật GNSS RTK dùng trong thủy đạc 38
Trang 13Hình 3.3 Mô phỏng quá trình lắp đặt cảm biến theo hướng thẳng đứng 44
Hình 3.4 Hệ trục vuông góc của cảm biến 44
Hình 3.5 Bộ đo gia tốc khối lượng chịu lực 45
Hình 3.6 Minh họa hình chiếu một bên của đĩa silicon trong 3 điều kiện 45
Hình 3.7 Mạng dò tìm và phản hồi 46
Hình 3.8 Mặt phẳng dao động cố định của con lắc 47
Hình 3.9 Mẫu rung động cộng hưởng của một khối tròn 48
Hình 3.10 Véc tơ trọng lực và gia tốc hướng ngang 49
Hình 3.11 Quan hệ giữa chuyển động của máy đo sâu và GNSS theo roll 50
Hình 3.12 Đồ thị sai số mặt bằng là hàm của sai số Roll/Pitch và độ sâu khu đo 53
Hình 3.13 Đồ thị sai số độ cao là hàm của sai số Roll/Pitch và độ sâu khu đo 53
Hình 3.14 Các bậc tự do khi chuyển động của tàu khảo sát 56
Hình 3.15 Các trục hình học của tàu theo định nghĩa từ phần mềm QINSy 7.0 57
Hình 3.16 Các trục hình học của tàu theo định nghĩa từ phần mềm Hypack Max 57
Hình 3.17 Minh họa điểm áp lực của tàu phụ thuộc vào hình dạng của vỏ đáy tàu 58
Hình 3.18 Hệ trục tọa độ của tàu và vị trí tâm trọng lực trong phần mềm Hypack 58
Hình 3.19 Vị trí lắp đặt đầu dò máy đo sâu đồng trục với anten GNSS 58
Hình 3.20 Hai kiểu kết nối MRU vào máy tính 59
Hình 3.21 Vị trí lắp đặt cảm biến trên tàu khảo sát là tại tâm trọng lực 59
Hình 3.22 Màu xanh là dữ liệu độ sâu thô và màu đỏ là độ sâu đã được hiệu chỉnh 61
Hình 3.23 Ảnh hưởng roll-pitch lên độ sâu của hệ thống đo sâu hồi âm đơn tia 62
Hình 3.24 Hiệu chỉnh độ sâu theo roll (sự xoay roll sang phải nhìn từ phía sau tàu) 62
Hình 3.25 Chuyển dịch anten GNSS và vị trí độ sâu do ảnh hưởng roll và pitch 65
Hình 3.26 Lược đồ thể hiện sai lệch vị trí anten do ảnh hưởng roll/pitch 66
Hình 3.27 Lược đồ thể hiện sai lệch vị trí điểm đo sâu do ảnh hưởng roll/pitch 67
Hình 3.28 Hình chiếu sự thay đổi vị trí anten theo roll/pitch 68
Hình 3.29 Phần phóng to tại vị trí tâm xoay O 68
Hình 3.30 Hình chiếu sự thay đổi vị trí đầu dò theo roll/pitch 69
Trang 14Hình 3.33 Mô phỏng các trục xoay của tàu khảo sát 73
Hình 3.34 Mô phỏng khu vực đáy được chọn để thực hiện kỹ thuật patch test 73
Hình 3.35 Mô phỏng tốc độ chạy tàu trong kỹ thuật patch test xác định latency time 74 Hình 3.36 Đáy sông được chồng lớp trong kỹ thuật patch test xác định latency time 74
Hình 3.37 Kỹ thuật patch test để xác định pitch bias 75
Hình 3.38 Mô phỏng tốc độ chạy tàu trong kỹ thuật patch test xác định pitch bias 75
Hình 3.39 Đáy sông được chồng lớp trong kỹ thuật patch test xác định pitch bias 75
Hình 3.40 Kỹ thuật patch test để xác định roll bias 76
Hình 3.41 Mô phỏng tốc độ chạy tàu trong kỹ thuật patch test xác định roll bias 76
Hình 3.42 Đáy sông được chồng lớp trong kỹ thuật patch test xác định roll bias 76
Hình 3.43 Mô phỏng tốc độ chạy tàu trong kỹ thuật patch test xác định yaw bias 77
Hình 3.44 Đáy sông được chồng lớp trong kỹ thuật patch test xác định yaw bias 77
Hình 4.1 Thiết bị đo vận tốc sóng âm Digibar Pro 80
Hình 4.2 Thiết bị đo nhiệt độ và độ mặn của hãng Extech (Mỹ) mã hiệu EC170 80
Hình 4.3 Mối quan hệ của vận tốc theo nhiệt độ, độ mặn và độ sâu theo [9] 81
Hình 4.4 Ảnh hưởng của công thức với các giá trị nhiệt độ khác nhau theo [9] 81
Hình 4.5 Ảnh hưởng của công thức với các giá trị độ mặn khác nhau theo [9] 82
Hình 4.6 Ảnh hưởng của công thức với các giá trị độ sâu khác nhau theo [9] 82
Hình 4.7 Hệ tọa độ mặt bằng địa phương và hệ tọa độ mặt bằng của tàu 84
Hình 4.8 Vị trí các anten trên tàu khảo sát 84
Hình 4.9 Xác định yaw bằng cách dùng 2 anten 85
Hình 4.10 Xác định pitch 85
Hình 4.11 Xác định roll 86
Hình 4.12 Hệ tọa độ địa phương của anten 86
Hình 4.13 Góc xoay khi tàu chuyển động (Y: Yaw, R: Roll, P: Pitch, H: Heave) 87
Hình 4.14 Vị trí các anten trên tàu khảo sát 88
Hình 4.15 Xác định roll, pitch sử dụng 2 anten 88
Trang 15Hình 4.18 Giao diện chương trình xử lý GNSS/GNSS Topcon Tools 98
Hình 4.19 Giao diện chương trình xử lý GNSS/GNSS RTK Post v 2.4.2 98
Hình 4.20 Giao diện xử lý dữ liệu của CSRS-PPP 99
Hình 4.21 Giao diện xử lý bằng phần mềm đo sâu Hypack Max 2009a 99
Hình 4.22 Trạm base được lắp đặt trên cầu tàu thu dữ liệu 1s và phát dữ liệu RTK 101
Hình 4.23 Ba máy thu được lắp đặt trên tàu theo đồ hình vuông góc thiết kế trước 101
Hình 4.24 Sơ đồ khối của chương trình lấy dữ liệu theo các tốc độ thu khác nhau 104
Hình 4.25 Sơ đồ khối của chương trình đồng bộ các file theo thời gian 104
Hình 4.26 Sơ đồ khối của chương trình con hiệu chỉnh roll/pitch vào dữ liệu đo sâu 105 Hình 4.27 Sơ đồ khối của chương trình con hiệu chỉnh vận tốc sóng âm vào dữ liệu đo sâu 106
Hình 5.1 Trạm base sử dụng máy thu GNSS Topcon 108
Hình 5.2 Máy thu GNSS phục vụ đo khu vực trong sông 109
Hình 5.3 Trạm base (trái) và 3 máy thu còn lại trên tàu khảo sát 109
Hình 5.4 Thiết bị motion sensor TSS DMS-05 110
Hình 5.5 Thiết bị đo vận tốc sóng âm Digibar Pro 110
Hình 5.6 Thử nghiệm đồng thời thiết bị Digibar Pro và thiết bị Extech EC170 110
Hình 5.7 Các máy thu GNSS phục vụ đo biển 111
Hình 5.8 Thiết bị bar-check và Digibar Pro phục vụ đo biển 111
Hình 5.9 Khóa cứng bản quyền phần mềm Hypack 112
Hình 5.10 Màn hình máy tính cài đặt sẵn phần mềm đo sâu Hypack Max 112
Hình 5.11 Mô đun tính vận tốc sóng âm 113
Hình 5.12 Đồ thị sự biến thiên giá trị roll từ motion sensor và bằng GNSS 115
Hình 5.13 Đồ thị giá trị hiệu góc giữa góc của motion và bằng GNSS 115
Hình 5.14 Đồ thị sự biến thiên giá trị pitch từ motion sensor và bằng GNSS 115
Hình 5.15 Đồ thị giá trị hiệu góc giữa góc của motion và góc tính bằng GNSS 116
Hình 5.16 Đồ thị sự biến thiên giá trị roll từ motion sensor và bằng GNSS 116
Trang 16Hình 5.19 Đồ thị giá trị hiệu góc giữa góc của motion và góc tính bằng GNSS 117
Hình 5.20 Đồ thị thể hiện sai số xác định roll/pitch khi thay đổi kích thước bộ lọc 118
Hình 5.21 Màn hình mô đun định dạng dữ liệu 119
Hình 5.22 Dữ liệu đầu vào trước nội suy xuất ra từ phần mềm Hypack 119
Hình 5.23 Màn hình nội suy Lagrange thành 1 giây từ dữ liệu Hypack 119
Hình 5.24 Kết quả xuất ra sau nội suy 1 giây bằng phần mềm HydroTools 119
Hình 5.25 Đồ thị sau nội suy 1 giây từ dữ liệu Hypack – khu vực sông 120
Hình 5.26 Đồ thị sau nội suy 1 giây từ dữ liệu Hypack – khu vực biển 120
Hình 5.27 Giao diện tính toán vận tốc sóng âm 121
Hình 5.28 Vị trí thả thiết bị đo vận tốc sóng âm SV.Xchange 121
Hình 5.29 Thiết bị đo vận tốc sóng âm SV Xchange 122
Hình 5.30 Đồ thị thể hiện độ lệch khi tính bằng công thức Chen & Millero 122
Hình 5.31 Đồ thị thể hiện độ lệch khi tính bằng công thức Del Grosso 123
Hình 5.32 Đồ thị thể hiện độ lệch khi tính bằng công thức Medwin 123
Hình 5.33 Đồ thị thể hiện độ lệch khi tính bằng công thức Mackenzie 124
Hình 5.34 Giao diện hiệu chỉnh vận tốc sóng âm 124
Hình 5.35 Đồ thị xuất ra sau hiệu chỉnh SV – khu vực đo sông 125
Hình 5.36 Đồ thị xuất ra sau hiệu chỉnh SV – khu vực đo biển 125
Hình 5.37 Giao diện hiệu chỉnh roll, pitch và heave vào tọa độ và độ sâu 125
Hình 5.38 Độ lệch dX (m) khi hiệu chỉnh RPH vào dữ liệu tọa độ và độ sâu 126
Hình 5.39 Độ lệch dY (m) khi hiệu chỉnh RPH vào dữ liệu tọa độ và độ sâu 126
Hình 5.40 Độ lệch dD (m) khi hiệu chỉnh RPH vào dữ liệu tọa độ và độ sâu 127
Hình 5.41 Độ lệch dX (m) khi hiệu chỉnh RPH vào dữ liệu tọa độ và độ sâu 127
Hình 5.42 Độ lệch dY (m) khi hiệu chỉnh RPH vào dữ liệu tọa độ và độ sâu 127
Hình 5.43 Độ lệch dD (m) khi hiệu chỉnh RPH vào dữ liệu tọa độ và độ sâu 128
Hình 5.44 Hiện tượng squat (bên trái) và settlement (bên phải) 129
Hình 5.45 Mô đun “Xu ly” phục vụ hậu xử lý dữ liệu đo sâu trong HydroTools 129
Hình 5.46 Đồ thị độ lệch dX (m) của RTK và BASE&ROVER 130
Trang 17Hình 5.49 Đồ thị độ lệch dX (m) của RTK và PPP 131
Hình 5.50 Đồ thị độ lệch dY (m) của RTK và PPP 131
Hình 5.51 Đồ thị độ lệch dH (m) của RTK và PPP 131
Hình 5.52 Đồ thị độ lệch dX (m) của RTK và BASE&ROVER 132
Hình 5.53 Đồ thị độ lệch dY (m) của RTK và BASE&ROVER 132
Hình 5.54 Đồ thị độ lệch dH (m) của RTK và BASE&ROVER 132
Hình 5.55 Đồ thị độ lệch dX (m) của RTK và PPP 133
Hình 5.56 Đồ thị độ lệch dY (m) của RTK và PPP 133
Hình 5.57 Đồ thị độ lệch dH (m) của RTK và PPP 133
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 134
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 134
Hình 5.60 Đồ thị tỷ lệ % sai số thành phần X (m) giữa RTK và PPP 136
Hình 5.61 Đồ thị tỷ lệ % sai số thành phần Y (m) giữa RTK và PPP 136
Hình 5.62 Đồ thị tỷ lệ % sai số thành phần X (m) giữa RTK và PPP 137
Hình 5.63 Đồ thị tỷ lệ % sai số thành phần Y (m) giữa RTK và PPP 137
Hình 5.64 Minh họa bề rộng chùm tia phát của đầu dò hồi âm đơn tia 138
Hình 5.65 Hình ảnh đầu dò hồi âm đơn tia sử dụng 139
Trang 18Bảng 2.2 Độ chính xác thiết bị Digibar Pro 23
Bảng 4.1 Bảng đặc tính kỹ thuật của thiết bị EC170 76
Bảng 4.2 So sánh giá thành thiết bị của hai hệ thống 92
Bảng 4.3 Thống kê kết quả đánh giá độ chính xác khi sử dụng công nghệ GNSS 94
Bảng 4.4 Bảng tính toán kết quả khảo sát công thức (4.27) 94
Bảng 5.1 Bảng kết quả đo đạc giá trị nhiệt độ và độ mặn của nước 113
Bảng 5.2 Bảng so sánh kết quả tính giữa thiết bị rẻ tiền và từ Digibar Pro 114
Bảng 5.3 Bảng kết quả đo đạc giá trị nhiệt độ và độ mặn của nước 114
Bảng 5.4 Bảng so sánh kết quả tính giữa thiết bị rẻ tiền và từ Digibar Pro 114
Bảng 5.5 Thống kê sai số roll của phương pháp dùng GPS so với motion sensor 115
Bảng 5.6 Thống kê sai số pitch của phương pháp dùng GPS so với motion sensor 116
Bảng 5.7 Thống kê sai số roll của phương pháp dùng GPS so với motion sensor 116
Bảng 5.8 Thống kê sai số pitch của phương pháp dùng GPS so với motion sensor 117
Bảng 5.9 Bảng thống kê sai số đạt được khi thay đổi kích thước bộ lọc 117
Bảng 5.10 Kết quả thống kê độ lệch khi hiệu chỉnh bằng công thức và Hypack 127
Bảng 5.11 Kết quả thống kê độ lệch khi hiệu chỉnh bằng công thức và Hypack 128
Bảng 5.12 Bảng thống kê kết quả xử lý kiểu RTK và BASE-ROVER 131
Bảng 5.13 Bảng thống kê kết quả xử lý kiểu RTK và PPP 132
Bảng 5.14 Bảng thống kê kết quả xử lý kiểu RTK và BASE-ROVER 133
Bảng 5.15 Bảng thống kê kết quả xử lý kiểu RTK và PPP 134
Bảng 5.16 Bảng tổng hợp sai số vị trí điểm mặt bằng kỹ thuật RTK và PPP 137
Bảng 5.17 Bảng tổng hợp sai số tương ứng tỷ lệ bản đồ thành lập 138
Bảng 5.18 Đặc trưng của loại đầu dò 139
Trang 19
CHƯƠNG 1 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN
Trang 201.1 – NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN:
1.1.1 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”
1.1.2 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
Trang 21nguyên 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
1.1.3 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
1.2 – TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU:
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước:
Trang 22 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 nghiên cứu các lý thuyết về Địa Tin học như GPS (Global Positioning System), GIS (Geographic Information System) và Trắc địa biển (Hydrographic Surveying) Từ những lý thuyết đó, tác giả tiến hành xây dựng và phát triển một phần mềm cho phép tích hợp dữ liệu GPS, Echo Sounder và GIS để phục vụ thành lập bản đồ giao thông thủy Về cơ bản, phần mềm có đầy đủ các tính năng như: thiết kế, hiển thị, thu thập dữ liệu, chuyển đổi tọa độ, xác định các tham
số chuyển đổi, … và có thể xử lý hiển thị kết quả ở hệ VN-2000 của Việt Nam Tuy nhiên, các kiến thức liên quan đến thiết bị motion sensor cũng như sound velocimeter hầu như không được tác giả đề cập đến trong luận văn
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
Trang 23động 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
Hồ Chí Minh, năm 2005
Bài báo trình bày về nghiên cứu một hệ thống thủy đạc chi phí thấp, chỉ bằng
¼ chi phí so với hệ thống thủy đạc hiện đại nhưng vẫn cung cấp độ chính xác yêu cầu sau một quá trình hậu xử lý Tuy nhiên, bài báo chưa xét đến các ảnh hưởng từ thiết bị motion sensor và sound velocimeter
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
Nam, năm 2010
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
1.2.2 Tình hình nghiên cứu quốc tế:
Sổ tay thủy đạc của Mỹ “Hydrographic surveying” Department of the
Army, U.S Army Corps of Engineers, Washington, DC 20314-1000, năm 2002
Sổ tay khảo sát xa bờ của Hà Lan “Handbook of Offshore Surveying”
Skilltrade BV, Hà Lan, năm 2006
Tài liệu là một cẩm nang bách khoa toàn thư giới thiệu một cách tổng quan tương đối chi tiết về các thiết bị dùng trong các ứng dụng khảo sát xa bờ, và thiết bị motion sensor cũng như sound velocimeter cũng là một trong số rất nhiều thiết bị
Trang 24đó Tuy nhiên đây là dạng sổ tay chuyên ngành phục vụ cho người làm kỹ thuật trong lĩnh vực định vị xa bờ Một phần cũng do đối tượng sử dụng tài liệu này là người làm kỹ thuật, đối tượng làm nghiên cứu dùng tài liệu này chủ yếu với mục đích tham khảo, vì thế các tác giả chỉ tập trung giới thiệu nguyên lý hoạt động, nguyên tắc kiểm nghiệm, đo đạc khi sử dụng các thiết bị chứ chưa tập trung phân tích chuyên sâu về các nguồn sai số ảnh hưởng lên kết quả đo sâu hồi âm đơn tia khi
sử dụng thiết bị motion sensor và sound velocimeter
Sổ tay thủy đạc của Tổ chức thủy đạc Quốc tế (IHO) “Manual on
Hydrography”, Monaco, Pháp, tái bản sau cùng năm 2011
Tài liệu được xem như quyển bách khoa toàn thư về thủy đạc trên thế giới và được công bố rộng rãi, mang tầm quốc tế về lĩnh vực thủy đạc Các ảnh hưởng cụ thể từ các nguồn sai số của thiết bị motion sensor và sound velocimeter được trình bày rất đầy đủ Tuy nhiên, các công thức trên lại mang tính phổ quát và đúng cho mọi trường hợp, cả ảnh hưởng trên hệ thống đơn tia và đa tia Do đó, người đọc để hiểu rõ ảnh hưởng cụ thể của các nguồn sai số này lên từng hệ thống đo sâu cụ thể nào đó (đơn tia hoặc đa tia) đòi hỏi phải nắm vững kiến thức về các thiết bị đo đạc, nguyên lý vận hành và sử dụng, kiến thức toán học ứng dụng trong lĩnh vực thủy đạc, … thì mới có thể hiểu hết được các công thức được ghi trong tài liệu
Và nhiều luận văn, bài báo khoa học, nhiều nghiên cứu chuyên sâu khác trên thế giới đã thực hiện nhiều nghiên cứu, khảo sát cũng như công bố các kết quả liên quan về ảnh hưởng của các nguồn sai số từ thiết bị motion sensor và sound velocimter lên hệ thống đo sâu hồi âm đơn tia Tuy nhiên, việc phổ biến và tính bản quyền của các tài liệu này bị giới hạn bởi các tổ chức mà ít được công bố rộng rãi miễn phí trên mạng Internet cho cộng đồng người làm nghiên cứu thủy đạc
Trang 25
CHƯƠNG 2 SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT
ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
Trang 26Sự 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:
2.1.1 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
2.1.2 Nguyên lý hoạt động:
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
Trang 27đưa 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]
Trang 28trị 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
“sing-around” (công nghệ phản xạ sóng siêu âm trên một khoảng cách đã biết) từ các thiết bị đo cảm biến hoặc dùng phương pháp kiểm nghiệm bar – check
2.2.2 Công thức xác định vận tốc sóng âm kinh điển:
Giá trị vận tốc âm thanh có thể được xác định bằng các công thức kinh điển được biết dùng các tham số nhiệt độ T, áp suất P (hoặc độ sâu D), và độ mặn S từ các sensor cảm biến gắn trong thiết bị đo vận tốc âm thanh Một số công thức tính toán vận tốc âm thanh thường được trình bày trong các tài liệu và các giáo trình nổi tiếng được biết đến như Chen and Millero (1977), DelGrosso (1974), Mackenzie (1981), và Medwin (1975), … Theo thống kê của học viên, có 4 nhóm công thức chính sau:
i) Chen & Millero (dùng cho độ sâu nước dưới 1000m)
ii) Del Grosso (dùng cho độ sâu nước trên 1000m)
iii) Medwin (tính toán nhanh cho độ sâu nước lên đến 8000m ở đại dương) iv) Mackenzie (tính toán nhanh cho độ sâu nước lên đến 1000m ở đại dương)
Công thức Wilson:
Công thức được viết như sau:
c = 1449.2 + 4.623T – 0.0546T2 + 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:
Trang 29c(S,T,P) = Cw(T,P) + A(T,P)S + B(T,P)S3/2 + D(T,P)S2 (2.2) Cw(T,P) = (C00 + C01T + C02T2 + C03T3 + C04T4 + C05T5) +
(C10 + C11T + C12T2 + C13T3 + C14T4)P + (C20 + C21T + C22T2 + C23T3 + C24T4)P2 + (C30 + C31T + C32T2)P3
A(T,P) = (A00 + A01T + A02T2 + A03T3 + A04T4) +
(A10 + A11T + A12T2 + A13T3 + A14T4)P + (A20 + A21T + A22T2 + A23T3)P2 +
Trang 30 Công thức Del Grosso:
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
Phạm vi áp dụng: nhiệt độ từ 0 tới 300C, độ mặn từ 30 tới 400/00, áp suất từ 0
tới 1000 kg/cm3 (Wong và Zhu, 1995)
Bảng các hệ số đặc trưng:
Coefficients Numerical values
Trang 329.72659 10 2.512 10 2.279 10 1.82 10,
Phạm vi áp dụng: công thức trên được áp dụng cho vùng nước ở đại dương,
trong điều kiện chuẩn 00C, và độ mặn 350/00
2.2.3 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
Trang 33Theo [1], bar-check là một dụng cụ dùng để phản hồi sóng âm Cấu tạo thông thường là một đĩa sắt đường kính 0.7-0.8m, độ dày khoảng 10mm và được khoan những lổ nhỏ đường kính 10-15mm cho dể chìm xuống nước Đĩa được treo thăng bằng bằng dây cáp mịn đường kính nhỏ và được đánh dấu với 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
Trang 34 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
Do sau dia SV
Do sau may do sau
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 check:
bar-Các độ sâu hiệu chỉnh có thể được tính toán theo công thức sau:
rec 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:
Trang 35Ta có thể tính toán lại giá trị hiệu chỉnh cho giá trị độ sâu mà máy đo sâu cung cấp như sau:
40 45
43.5 40.6 4040.6 45.7
2.3 – THIẾT BỊ ĐO VẬN TỐC SÓNG ÂM:
2.3.1 Giới thiệu một số thiết bị đo vận tốc sóng âm hiện nay:
Các dòng thiết bị đo vận tốc sóng âm hiện đại ngày nay thường hiển thị giá trị vận tốc sóng âm và chiều sâu được xác định lên trên bảng điều khiển để người đo có thể biết chính xác giá trị vận tốc sóng âm tức thời tại nơi thử nghiệm hoặc được lưu trữ trong bộ nhớ nội của thiết bị Các phần mềm trong bộ vi xử lý thường áp dụng công thức Del Grosso để tính toán các giá trị vận tốc 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)
Trang 362.3.2 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 32s Xung lan truyền xuyên qua trong môi trường nước, được phản xạ ở một tấm vuông góc,
Trang 37và 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 đo từ kết quả của chu kỳ VCO là (P) và
số chu kỳ VCO (còn được gọi là làn n hay số chu kỳ) giữa xung phát và xung nhận:
n
t nP
f
Trang 38Trong đó: f là tần số VCO 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 với độ phân giải 3Hz 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/ 0C, đặc trưng bởi nhà sản xuất
Hình 2.7: Mô hình thiết bị đo vận tốc sóng âm theo [18]
Trang 39 Công thức hiệu chỉnh độ sâu khi vận tốc sóng âm được đo bằng thiết bị sound velocimeter:
' &Millero
_
Chen SBES SBES
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 –20C –450C ±0.0030C 0.0010C
Thiết bị đo vận tốc sóng âm Digibar Pro:
Trang 40Hình 2.9: Thiết bị đo vận tốc sóng âm Digibar Pro Bảng 2.2: Độ chính xác thiết bị Digibar Pro
Digibar Pro Ngưỡng đo Độ chính xác Độ phân giải Vận tốc sóng âm 1400–1600 (m/s) ±0.3 (m/s) 0.03 (m/s)
Để thấy rõ ảnh hưởng của độ chính xác xác định vận tốc sóng âm lên giá trị độ sâu đo được, học viên tiến hành tính toán sai số vận tốc sóng âm tương ứng với các giá trị chạy từ 0.1m/s đến 20m/s và cho độ sâu đo thực thay đổi từ 1m đến 25m (giả
sử giá trị vận tốc sóng âm đúng là 1515m/s) Kết quả khảo sát sai số độ sâu ảnh hưởng do sai số đo vận tốc sóng âm gây ra như sau:
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)
SV Xchange ±0.03 (m/s) 25m 0.000 (m)
Digibar Pro ±0.3 (m/s) 25m 0.005 (m)