Công nghệ đo sâu đa tia đã trải qua một quá trình phát triển chứ không phải là một cuộc cách mạng trong những năm gần đây và trong bài viết này, chúng tôi tập trung vào công nghệ hiện đại dành cho loại máy đo độ sâu này.
Mặc dù thiết bị đo sâu hồi âm đơn tia vẫn đang được sử dụng, nhưng trong 25 năm qua nó dần được thay thế bằng hệ thống máy đo sâu hồi âm nhiều tia và ngày càng rẻ hơn (Multibeam Echosounder – MBES). Và mặc dù một số hệ thống sử dụng công nghệ Sonar quét sườn (Side Scan Sonar – SSS) cũng cung cấp khả năng đo độ sâu, nhưng công nghệ đo sâu là phù hợp nhất khi nói đến đo độ sâu ngày nay.
Chức năng chính của công nghệ đo sâu đa tia
Chức năng chính của công nghệ đo sâu đa tia là phát hiện một số độ sâu dọc theo dải quét ở bề mặt đáy. Để đạt được độ sâu này, đầu dò sẽ phát ra một xung âm thanh được phản xạ từ phía dưới và được một mảng đầu dò tiếp nhận trong một khu vực góc hoặc dải nhất định.
Hệ thống có một chùm phát duy nhất và một số (thường là 256) chùm thu. Các chùm thu được hình thành khi thu (và không phải như một số người nghĩ là khi truyền). Góc của đường quét thay đổi tùy theo hệ thống nhưng nhìn chung nằm trong khoảng từ 120° đến 170°, tạo ra chiều rộng của đường quét ở phía dưới theo thứ tự từ 3,5 đến 25 lần độ sâu của nước.
Hầu hết các máy đo sâu hồi âm đa tia đều là công nghệ đo sâu đa tia cho vùng nước nông, có phạm vi từ vài chục mét đến vài trăm mét. Hệ thống đo sâu đa tia nước nông hiện đại có trọng lượng từ vài kg đến hàng chục kg và có thể được lắp đặt trên tàu nổi, ASV, AUV hoặc ROV. Mặc dù cũng có sẵn các phiên bản nước sâu đặc biệt lớn và nặng với phạm vi hoạt động lên đến độ sâu đại dương, nhưng MBES ‘cơ bản’ sẽ được mô tả dưới đây.
Mật độ dữ liệu cuối cùng được xác định bởi số lượng chùm tia (và độ sâu) và tốc độ ping hoặc số lượng dải mà MBES có thể đo được mỗi giây. Tốc độ ping phụ thuộc vào độ sâu của nước nhưng có thể lên tới 60 ping mỗi giây ở vùng nước nông.
Mô tả hoạt động của công nghệ đo sâu đa tia.
Độ chính xác của công nghệ đo sâu đa tia
Đối với bản đồ hàng hải, theo tiêu chuẩn đặc biệt S44 của IHO đặt ra tiêu chuẩn về độ chính xác của các giá trị đo mà đo sâu đa tia phải tuân thủ (cùng với các cảm biến khác). Một số quốc gia, và đặc biệt là ngành nạo vét và các công việc ngoài khơi, tiêu chuẩn S44 chưa đủ nghiêm ngặt và đã áp đặt các tiêu chuẩn chính xác của riêng họ đối với công việc sẽ được thực hiện.
Để công tác đo sâu đa tia đáp ứng được các tiêu chuẩn này, nó không chỉ cần bao phủ toàn bộ đáy (mật độ các điểm đo) mà còn phải đo từng điểm sâu với độ chính xác tối thiểu. Độ chính xác đó phụ thuộc cả vào tình hình cục bộ và cụ thể hơn là tốc độ âm thanh và độ dài xung (phát) của hệ thống.
Trong khi trước đây tín hiệu được truyền là “sóng liên tục” (CW – Continous Wave), công nghệ đo sâu đa tia hiện đại cũng thường có thể truyền tín hiệu FM hoặc CHIRP (xung radar cường độ cao nén). Ưu điểm chính của CHIRP là phạm vi hoạt động xa hơn với độ phân giải phạm vi tốt hơn.
Đối với hệ thống đo sâu đa tia loại CW, độ phân giải phạm vi được xác định bởi độ dài xung của tín hiệu phát. Trong khi đối với hệ thống đo sâu đa tia loại CHIRP, độ phân giải phạm vi được xác định bởi băng thông của tín hiệu, cho phép các xung dài hơn và do đó truyền được nhiều năng lượng hơn. Đối với hệ thống đo sâu đa tia FM nước nông, tần số cao, độ phân giải phạm vi là dưới centimet đối với phạm vi ngắn, cho phép độ chính xác cao đối với các điểm độ sâu.
>>> Xem thêm: Tìm hiểu về độ phân giải hệ thống đo sâu hồi âm đa tia
Tần số hoạt động của công nghệ đa sâu đa tia
Khả năng và kích thước của bất kỳ hệ thống âm thanh nào chủ yếu được xác định bởi các đặc tính vật lý. Âm thanh dưới nước cho chúng ta biết rằng tần số cao sẽ có phạm vi nhỏ hơn hệ thống tần số thấp. Tuy nhiên, ở một kích thước nhất định, hệ thống tần số cao có thể tạo ra góc chùm tia nhỏ hơn hệ thống tần số thấp. Ngoài ra, tần số còn quyết định liệu hệ thống có thể xuyên qua lớp trên cùng của đáy biển hay sẽ bị nó phản xạ lại. Cuối cùng, tần số xác định độ dài xung hoặc băng thông nhỏ nhất có thể.
Biểu đồ tần số lặp lại xung theo phạm vi.
Có thể thấy, góc chùm tia, kích thước và phạm vi đều liên quan đến tần số và phản tác dụng lẫn nhau. Như vậy, không có tần số lý tưởng. Để đo độ sâu ở cự ly gần, có độ sâu chi tiết cao, hệ thống tần số cao sẽ cho kết quả tốt nhất ở hệ số dạng tương đối nhỏ. Để đo độ sâu toàn đại dương, cần phải chọn tần số thấp; nếu cần góc chùm tia nhỏ thì đầu dò sẽ trở nên lớn (và nặng). Nói chung, đo sâu đa tia vùng nước nông hoạt động ở tần số từ 100 đến 700kHz, phản xạ từ đỉnh đáy biển nhưng nhìn chung không xuyên qua nó.
Để khắc phục những hạn chế về tần số, hầu hết các nhà sản xuất hiện nay đều cung cấp máy đo sâu hồi âm đa tia vùng nước nông đề có thể tùy chọn tần số. Nghĩa là, máy đo sâu đa tia đó có thể được điều chỉnh theo tần số cụ thể trong phạm vi 100–700kHz. Tất nhiên, những điều trên vẫn đúng và do đó các thông số kỹ thuật của máy đo sâu đa tia sẽ thay đổi với tần suất khác nhau. >>> Xem thêm: Lựa chọn tần số máy đo sâu cho từng khu vực khảo sát
Hệ thống máy đo sâu hồi âm đa tia 2 đầu dò (Dual Head) R2sonic 2022.
Công nghệ đo sâu đa tia với đa tần số và đa ping (Multi Ping)
Một số nhà sản xuất cho phép người dùng không chỉ chọn một tần số duy nhất mà còn sử dụng đồng thời nhiều tần số. Mặc dù tất cả các hạn chế trước đó vẫn còn tồn tại, nhưng việc sử dụng nhiều tần số có thể làm giảm lượng tiếng ồn gặp phải. Vì vậy, thay vì không có giá trị độ sâu (tần số cao), những điểm dữ liệu này có thể được điền vào bằng cách sử dụng dữ liệu tần số thấp hơn (mặc dù có phạm vi lớn hơn và do đó hiển thị ít chi tiết hơn).
Một lựa chọn khác cho đo sâu đa tia, đặc biệt ở vùng nước sâu là sử dụng nhiều ping (nhiều lần phát xung). Trong tình huống này, hai đến bốn ping được truyền đồng thời ở các góc hơi khác nhau. Điều này giúp hạn chế thời gian di chuyển dài của tín hiệu ở vùng nước sâu và cho phép phạm vi phủ sóng lớn hơn mà không có khoảng trống ở tốc độ khảo sát cao hơn.
Tần số và phạm vi phủ sóng tương ứng khi ứng dụng công nghệ đo sâu đa tia với đa tần số và đa ping.
Kết hợp dữ liệu cột nước cho phép công nghệ đo sâu đa tia phát hiển nhiều vật thể hơn
Công nghệ đo sâu đa tia truyền thống đo một độ sâu trên mỗi tia trên mỗi ping. Nói chung, “độ sâu đầu tiên đủ mạnh để được phát hiện” sẽ dẫn đến độ sâu được hiển thị. Độ sâu ít mạnh hơn có thể gần với đa tia hơn không được phát hiện. Ngoài ra, một tấm phản xạ mạnh gần đầu dò có thể tạo ra độ sâu thay vì đáy yếu hơn bên dưới nó.
Hệ thống MBES 2 đầu dò R2Sonic 2020.
Nhiều hệ thống đo sâu đa tia hiện đại khắc phục hạn chế này bằng cách cung cấp dữ liệu cột nước dưới dạng tùy chọn. Với kỹ thuật này, cột nước của mỗi chùm tia được chia thành một số ‘thùng’. Hệ thống đo sâu đa tia hiện tìm kiếm kết quả trả về trong mỗi thùng cho mỗi chùm cho mỗi ping. Điều này cho phép đo sâu đa tia có thể đo nhiều phản xạ và từ đó tạo ra hình ảnh 3D của các vật thể trong cột nước (hoặc để nhìn thấy đáy qua thảm thực vật chẳng hạn). Một số nhà sản xuất thậm chí còn hỗ trợ đa tần số kết hợp với dữ liệu cột nước, cho phép phát hiện nhiều vật thể hơn nữa.
Có thể suy luận, đặc biệt với nhiều chùm sóng, đa tần số và tốc độ ping cao khiến lượng dữ liệu thu thập được là rất lớn. Để bù lại, dữ liệu cột nước thường được nén để có thể quản lý được. Mặc dù vậy, khối lượng dữ liệu (và do đó thời gian xử lý) vẫn còn lớn.
Dữ liệu tán xạ ngược trên hệ thống đo sâu đa tia
Tán xạ ngược là lượng tín hiệu quay trở lại từ phía dưới. Tùy thuộc vào loại vật liệu, tín hiệu sẽ được nhận nhiều hay ít, từ đó cho phép phân loại đối tượng và đáy. Hầu hết các hệ thống đo sâu đa tia hiện đại đều có tùy chọn nhận dữ liệu tán xạ ngược cùng với thông tin độ sâu và hiển thị hình ảnh giống Side Scan Sonar.
Một số nhà sản xuất kết hợp dữ liệu tán xạ ngược với cả cột nước và khả năng đa tần số, cho phép thu thập nhiều thông tin hơn nữa. Ưu điểm của việc kết hợp tán xạ ngược với dữ liệu cột nước là các vật thể trong cột nước có thể được xác định rõ hơn. Sự kết hợp giữa tán xạ ngược với đa tần số đặc biệt hữu ích cho việc phân loại đáy. Vì các vật liệu có thể phản ứng khác nhau với các tần số khác nhau, việc đo tán xạ ngược ở các tần số khác nhau nhưng tại cùng một thời điểm có thể cung cấp cho thuật toán phân loại thông tin tốt hơn để làm việc.
Công nghệ đo sâu đa tia và Side Scan Sonar
Với tùy chọn tán xạ ngược trên đo sâu đa tia, một câu hỏi phổ biến là liệu Side Scan Sonar có còn cần thiết hay không. Như đã mô tả trong một bài viết trước đây về công nghệ Side Scan Sonar, câu trả lời ngắn gọn là đúng như vậy.
Sự khác biệt giữa tán xạ ngược đo sâu đa tia và Side Scan Sonar thực sự là hệ thống đo sâu đa tia sẽ cung cấp một giá trị tán xạ ngược trên mỗi chùm tia, trong khi Side Scan Sonar sẽ cung cấp tín hiệu gần như liên tục. Do đó, dữ liệu thu thập được so độ phân giải cao hơn. Vì vậy, công nghệ đo sâu đa tia cung cấp tối đa khoảng 1.024 điểm tán xạ ngược trên mỗi dải, trong khi Side Scan Sonar có tín hiệu liên tục. Tuy nhiên, dữ liệu đo sâu đa tia có thể là quá đủ để phân loại chung. Tuy nhiên, nếu cần chi tiết hơn thì nên sử dụng Side Scan Sonar.
Các tùy chọn khác
Ngoài các tùy chọn được mô tả ở trên, nhà sản xuất còn đưa ra các tùy chọn bổ sung trong hệ thống của họ. Một ví dụ là thiết lập 2 đầu dò. Với tùy chọn này, có thể tạo một dải quét lớn hơn nhiều với các góc quét lên tới 240°, cho phép đo bề mặt đối với bề mặt để kiểm tra. Tùy chọn đầu kép thường được sử dụng trong kiểm tra đường ống. Một số nhà sản xuất cũng cung cấp chế độ đường ống, trong đó một khu vực nhỏ bên dưới đầu dò cung cấp thông tin rất chi tiết (ở tần số cao).
Một tùy chọn khác thường được đưa ra là tích hợp thiết bị cảm biến chuyển động quán tính (IMU) với thiết bị đo sâu đa tia. Điều này thường được quảng cáo là không cần bất kỳ hiệu chuẩn nào, mặc dù hầu hết các nhà sản xuất đều muốn nói rằng không cần hiệu chuẩn bổ sung giữa đo sâu đa tia và IMU. Việc thực hiện hiệu chuẩn dữ liệu đo sâu đa tia cũng sẽ cung cấp các thông số hiệu chuẩn IMU. Đôi khi bị bỏ qua việc IMU cũng đóng một vai trò trong hệ thống định vị. Điều này có nghĩa là, mặc dù các giá trị có thể thu được từ hiệu chuẩn đo sâu đa tia, chúng vẫn cần được nhập vào phần mềm khảo sát để bù đắp cho bất kỳ sai lệch vị trí nào.
Nguồn: https://www.hydro-international.com/
Hy vọng với những thông tin chia sẻ trên bài viết trên, bạn đã có thêm thông tin hữu ích về những cập nhật hiện đại trên công nghệ đo sâu đa tia. Hiện nay, Đất Hợp đang là một trong các đơn vị cung cấp giải pháp đo sâu đa tia trọn bộ từ thiết bị đến phần mềm uy tín, chất lượng trên thị trường. Liên hệ ngay đến HOTLINE 0903 825 125 để được tư vấn và hỗ trợ chi tiết!
>>> Xem thêm: Tìm hiểu về Công nghệ đo sâu bằng kỹ thuật giao thoa
