Hiện nay, công nghệ đo sâu bằng kỹ thuật giao thoa ngày càng được đề cập nhiều hơn trong công tác khảo sát thủy đạc. Vậy công nghệ đo sâu bằng kỹ thuật giao thoa là gì? Nguyên lý hoạt động của công nghệ này ra sao? Ưu, nhược điểm của công nghệ này là gì? Hãy cùng Đất Hợp tìm hiểu trong bài viết dưới đây!
Công nghệ đo sâu bằng kỹ thuật giao thoa là gì?
Phương pháp đo sâu đa tia bằng kỹ thuật giao thoa sóng âm là một phương pháp dựa trên tính chất của sự giao thoa của 2 hay nhiều nguồn sóng âm. Thí nghiệm nổi tiếng nhất của sự giao thoa là thí nghiệm khe Young.
Có thể hiểu một cách đơn giản là khoảng cách giữa 2 khe hở đã được biết trước và đo được khoảng cách giữa các cực đại của các vân giao thoa, có thể xác định được khoảng cách từ khe hở đến màn chiếu. Sự đảo ngược của thí nghiệm Young đã đặt nền móng cho kỹ thuật giao thoa kế và kỹ thuật đo sâu bằng giao thoa sóng âm.
Thiết bị đo sâu bằng kỹ thuật giao thoa là thiết bị Side Scan Sonar được sửa đổi, cho nên nó sẽ cung cấp hình ảnh quét sườn kết hợp với dữ liệu độ sâu. Nhưng thiết bị đo sâu bằng kỹ thuật giao thoa (IES) lại cho dải quét rộng hơn thiết bị đo sâu đa tia hồi âm, đặc biệt là ở các khu vực nước nông, có thể giảm thời gian khảo sát.
Mô tả công nghệ đo sâu bằng kỹ thuật giao thoa sóng.
Với sự phát triển của công nghệ , sức mạnh của các bộ vi xử lý mới , thiết bị IES đã phát triển với với các công nghệ mới như MPES (Multi-Phase Echo Sounder) hoặc PDSS (Phase Differencing Side Scan Sonar) hoặc Multi-Phase Difference Interferometry (MPDI) để khắc phục các nhược điểm của hệ thống cũ.
Thiết bị đo sâu dùng kỹ thuật giao thoa hay máy đo sâu đa tia đều được dùng để lập bản đồ bề mặt đáy, nhưng 2 thiết bị này dựa trên các nguyên lý hoạt động khác nhau.
Thiết bị đo sâu dùng kỹ thuật giao thoa xác định góc tới (γ) cho mỗi phạm vi đo r, trong khi thiết bị đo sâu đa tia (MBES) tính toán khoảng cách r dựa trên các góc (γ) đã được định nghĩa trước (tia). Trong khi các thiết bị MBES thường cho ra 200-400 giá trị đo cho mỗi ping, thiết bị IES thường cho ra 8000-10000 giá trị cho mỗi ping.
Tuy nhiên, mỗi kết quả đo thường bị nhiễu hơn, có nghĩa là nó có chênh lệch về độ sâu so với giá trị đo được từ hệ thống MBES. Vì vậy, rút gọn dữ liệu và kỹ thuật khái quát hóa phải được áp dụng để giảm số điểm đo được phục vụ cho các công tác xử lý sau này (tương ứng với số điểm thu được từ hệ thống MBES).
Ngoài ra còn có sự phân bố sai số của các giá trị đo ở các khu vực khác nhau. Trong khi độ chính xác của hệ thống IES tốt nhất ở khu vực giao nhau giữa hướng MRA và bề mặt đáy , thì độ chính xác tốt nhất của hệ thống MBES nằm ở khu vực tia giữa , nằm dưới thiết bị. Một số hệ thống IES không thể cung cấp dữ liệu ở khu vực nằm dưới thiết bị , trong khi một số khác lại cho dữ liệu thưa thớt, nhiễu trong khu vực này (Nadir Zone).
Nguyên lý hoạt động của công nghệ đo sâu bằng kỹ thuật giao thoa sóng
Đầu tiên, giả sử D là điểm nằm trên bề mặt đáy, là nguồn phát ra xung phản hồi từ cụm phát của thiết bị đo sâu. Khoảng cách từ điểm D này đến phần tử thu nhận tín hiệu A và B là khác nhau (tương ứng là r và Δr).
Nếu r>d, giá trị Δr có thể được tính từ tam giác vuông ABC
- Phương trình 1: d.sin(γ) = Δr
Với d là khoảng cách giữa 2 phần tử thu tín hiệu, γ là góc tới liên quan đến khả năng thu nhận tín hiệu của cụm thu.
Ở thiết bị đo sâu bằng kỹ thuật giao thoa, các giá trị được tìm kiếm dựa trên mô hình giao thoa thu được bằng cách kết hợp các tín hiệu từ 2 phần tử thu tín hiệu. Ban đầu, bộ phát sẽ truyền 1 xung sóng âm trải rộng toàn bộ góc phát, sau khi sóng âm này được phản xạ từ bề mặt đáy, các tín hiệu phản hồi sẽ được các cặp phần tử thu ghi nhận lại. Khoảng cách giữa các phần tử thu nhận này d là cố định và thường bằng vài lần bước sóng (tần số). Tín hiệu điện phát ra từ các phần tử thu này sẽ được khuếch đại và tính tổng. Biên độ được in ra trên giấy nhiệt được xem là 1 chức năng đo khoảng cách.
Bộ phát truyền xung sóng âm trải rộng toàn bộ góc phát (xung phát màu xám nhạt).
Kết quả của dữ liệu thu được.
Trong đó, mỗi đường dọc trong hình ảnh đại diện cho 1 xung truyền đi. Chiều cao của ảnh tương đương với phạm vi đo đã xác định trước. Các đường liền kề nhau tạo thành ảnh giao thoa. Các vân giao thoa này tương đương với thí nghiệm Young, và các vân giao thoa này được sử dụng để xác định giá trị Δr ở phương trình (1)
Số lượng các vân và vị trí của chúng trong ảnh giao thoa phụ thuộc vào giá trị d, đặc tính của các phần từ thu nhận tín hiệu, góc nghiêng của thiết bị, độ sâu, và phạm vi đo được chọn.
Mỗi giá trị cực đại (màu sáng) liên quan đến sự khác nhau của giá trị Δr, nó sẽ là bội số của chiều dài bước sóng γ, và phương trình (1) sẽ được biến đổi thành phương trình (2).
- Phương trình (2) : d.sin(γnp) = npλ
Với γnp là góc tới được gán cho mức tối đa cho phép, np là số nguyên được gán đến cực đái, và λ là độ dài bước sóng ở các phần tử thu nhận.
Mỗi cực đại, đối với 1 xung phát, được gán cho khoảng cách r, tương đương với thời gian lan truyền 2 chiều của sóng âm trong môi trường nước. Bằng cách này, các cặp tọa độ cực (rnp, γnp) được ghi nhận. Điểm bắt đầu của hệ tọa độ này được đặt tại điểm tham chiếu ở cụm thu nhận tín hiệu (điểm A ở hình 1). Trục của nó thẳng hàng với MRA, nếu xác định được góc nghiêng của thiết bị, vị trí của các nguồn phản hồi tín hiệu ở bề mặt đáy sẽ được xác định:
X = r.sinϴ = r.sin(ψ+γ)
H = r.cosϴ = r.cos(ψ+γ)
Với H là độ sâu dưới bộ thu nhận tín hiệu, X là khoảng cách ngang từ bộ thu tín hiệu, ψ là góc nghiêng của bộ thu so với chiều đứng, ϴ là góc tới của tín hiệu, và r là khoảng cách từ tín hiệu phản hồi đến phần tử A của bộ thu nhận tín hiệu.
Ưu và nhược điểm của thiết bị đo sâu bằng kỹ thuật giao thoa
– Ưu điểm của thiết bị đo sâu bằng kỹ thuật giao thoa
Ưu điểm của thiết bị đo sâu dùng kỹ thuật giao thoa là sự đơn giản trong thiết kế. Chỉ sử dụng 2 phần tử thu nhận tín hiệu, có thể tạo ra các ước tính cơ bản có chất lượng tốt. Kỹ thuật này được áp dụng trước đây để khảo sát các vùng biển rộng, sâu như các vực thẳm đại dương.
Đầu thu phát tín hiệu (mỗi bên 1 cái) thường được kéo dưới mặt nước, sẽ giảm thiểu các phản xạ từ bề mặt.
– Nhược điểm của thiết bị đo sâu bằng kỹ thuật giao thoa
Khuyết điểm chính của thiết bị đo sâu dùng kỹ thuật giao thoa này là rất dễ bị nhiễu tín hiệu từ các hướng không phải từ bề mặt đáy. Các thiết bị sử dụng kỹ thuật này theo nguyên lí chỉ có thể xác định được 1 góc tới trong 1 lần. Các nguồn tín hiệu phản hồi khác xuất hiện các sai lệch trong việc xác định phương hướng.
Một khuyết điểm khác nữa là kỹ thuật này đòi hỏi xử lý thủ công và các công đoạn hậu xử lý tốn thời gian với các ảnh giao thoa để xác định được các giá trị cực đại và gán số và khoảng cách cho mỗi giá trị thu được. Một giới hạn nhỏ nữa là góc giữa các vận sẽ biến thiên vì phương trình (2) không tuyến tính.
Mặc dù kéo thiết bị sonar xuống dưới mặt nước biển sẽ gia tăng độ chính xác khi xác định độ sâu, nhưng phương án này đòi hỏi phải xác định chính xác vị trí của thiết bị sonar khi kéo sau tàu khảo sát cả tọa độ và cao độ.
Một khuyết điểm nhỏ nữa là phải xác định giá trị np bằng vân số 0. Để xác định đúng vị trí, độ sâu tương đối và dữ liệu về góc nghiêng cần phải có. Độ sâu được ước lượng ban đầu có thể được xác định bằng thiết bị đo sâu đơn tia , và giá trị góc nghiêng hiện tại có thể được tính bằng tổng của góc nghiêng lắp đặt và giá trị nghiêng của thiết bị bù sóng (MRU)
Mong rằng bài viết trên đã cung cấp những thông tin hữu ích về công nghệ đo sâu bằng kỹ thuật giao thoa. Ngoài ra, nếu còn bất kỳ thắc mắc nào liên quan đến các công nghệ, thiết bị khảo sát thủy đạc hiện đại, tiên tiến nhất hiện nay, hãy liên hệ ngay đến HOTLINE 0903 825 125 để được tư vấn nhanh chóng nhất!
>>> Xem thêm: So sánh thiết bị đo sâu đa tia truyền thống và thiết bị đo sâu dùng kỹ thuật giao thoa sóng
