Công nghệ thủy âm sử dụng trong Hệ thống quan trắc quốc tế của CTBTO

Friday, 16/11/2012, 14:53

     Âm thanh lan truyền rất hiệu quả trong nước vì vậy có thể nghe và phát hiện ở khoảng cách rất xa. Có một lớp trong nước nơi âm thanh lan truyên chậm hơn nhưng rất hiệu quả. Lớp nước này ở độ sâu khoảng 1000 m trong lòng đại dương. Quan trắc thủy âm sử dụng hiện tượng độc đáo này.

     Công nghệ thủy âm  đầu tiên được phát triển vào đầu thế kỷ 20 với mục đích tăng sự an toàn cho du lịch biển. Sóng âm phát ra và phản xạ lại được đo để xác định các đối tượng như tảng băng trôi và bãi cát ngầm trong nước, công nghệ này cũng được sử dụng để định hướng và phát hiện tàu ngầm.

     Ngoài ứng dụng quân sự, công nghệ này được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực dân sự và khoa học. Công nghệ thủy âm được áp dụng để  nghiên cứu các quần thể cá voi và mô hình di cư của chúng, nghiên cứu biến đổi khí hậu và các hệ thống cảnh báo sóng thần. Công nghệ này cũng tiếp tục được sử dụng để làm tăng an toàn vận chuyển.

Mục đích

     Quan trắc thủy âm là một trong bốn công nghệ được sử dụng bởi hệ thống quan trắc quốc tế (IMS) để chức thực việc tuân thủ Hiệp ước cấm thử hạt nhân toàn diện (CTBT) của các quốc gia. Mạng lưới quan trắc thủy âm được sử dụng để phát hiện vụ nổ hạt nhân dưới nước, trên mặt đại dương hoặc trên bờ biển tạo ra sóng âm dưới nước.

     Công nghệ thủy âm sử dụng để đo những thay đổi áp lực trong nước gây ra bởi sóng âm thanh dưới nước. Dữ liệu thu được từ trạm quan trắc thủy âm cho ta thông tin về vị trí của một vụ nổ dưới nước, gần bề mặt đại dương hoặc gần bờ biển.

     Do âm thanh lan truyền trong môi trường nước rất tốt, ngay cả tín hiệu tương đối nhỏ cũng dễ dàng phát hiện được ở những khoảng cách rất xa, vì thế, 11 trạm là đủ để ghi nhận các tín hiệu lan truyền trong các đại dương, với trọng tâm là Nam bán cầu nơi phần lớn là đại dương.

 Trạm Hydroacoustic  HA05ở Pháp.

     Dựa trên việc phân tích tín hiệu thu nhận được, người ta có thể phân biệt các tín hiệu đó được tạo ra bởi các vụ nổ hạt nhân hay là từ các hoạt động của con người hoặc các sự kiện tự nhiên. Các hoạt động của con người như thăm dò dầu mỏ, hay các sự kiện tự nhiên như núi lửa phun trào, động đất dưới nước.

Xây dựng và vận hành

     Mạng quan trắc thủy âm gồm có 11 trạm phân bố trên các đại dương, tập trung chủ yếu tại khu vực Nam bán cầu. Hai kỹ thuật đo khác nhau được xử dụng. Sáu trạm thủy âm sử dụng cảm biến dưới nước gọi là trạm loại hydrophone. Các trạm này là khá phức tạp và tốn kém. Năm trạm thủy âm loại T-phase nằm trên trên hòn đảo nhỏ, dốc được trang bị đầu đo địa chấn . Trạm T-pha ít hiệu quả hơn, nhưng đơn giản và ít tốn kém.

Trạm loại Hydrophone là trạm quan trắc sử dụng cảm biến dưới nước. Trạm tiếp nhận và ghi lại các tín hiệu âm thanh dưới nước có nguồn gốc từ các tàu ngầm, núi lửa, động đất và các vụ nổ dưới nước. Các dữ liệu, gửi qua cáp đến trạm trên bờ để phân tích, được sử dụng để phân biệt giữa các vụ nổ dưới nước và các hiện tượng khác. Do sự phức tạp của các cảm biến dưới nước và đường cáp truyền tín hiệu dài nên các trạm này xây dựng rất tốn kém.

     Các cảm biến của trạm thủy âm dưới nước chuyển đổi sự thay đổi của áp lực nước gây ra bởi sóng âm thanh thành tín hiệu điện. Các trạm thủy âm loại này được bố trí trí tại Đại Tây Dương, Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương.

     Thực tế thiết bị đo của trạm loại này bao gồm hai bộ cảm biến được đặt trên các cạnh đối diện của một hòn đảo. Nếu chỉ sử dụng một bộ cảm biến thì sẽ không thu nhận được tín hiệu đến từ hướng đối diện của hòn đảo.

     Việc lắp đặt các trạm Hydrophone rất khó khăn vì phải thi công lắp đặt trên mặt biển và rất tốn kém. Việc lắp đặt và duy tu bảo dưỡng loại trạm này rất phức tạp và khó khăn. Trạm Hydrophone được triển khai ở độ sâu khoảng 750 mét. Chiều dài của cáp đặt giữa hydrophone và bờ có thể vượt quá 100 km.

Mô hình trạm hydrophone

Trạm loại T-phase là trạm địa chấn để theo dõi sóng thủy âm. Một trạm T-phase thường nằm trên hòn đảo có vách đá dốc và ghi nhận tín hiệu địa chấn đã được chuyển đổi từ sóng âm dưới nước hoặc sóng thủy âm khi chạm đất. Các trạm này theo dõi thủy âm kém hiệu quả hơn nhưng ít tốn kém hơn các trạm Hydrophone. 

     Các trạm loại T-phase  được đặt trên các đảo có sườn dốc ngoài đại dương. Sử dụng các cảm biến địa chấn phát hiện năng lượng âm trong nước, được chuyển đổi thành sóng địa chấn  khi chạm đất.

     Quá trình xây dựng một trạm thủy âm bao gồm các bước tương tự như việc thành lập hệ thống giám sát quốc tế (IMS) đó là các bước: khảo sát thực địa, lắp đặt, chứng nhận và hoạt động.

Bước một: Khảo sát vị trí được chọn để tiến hành đánh giá sự phù hợp của vị trí đó và xác định những điều kiện cụ thể có thể ảnh hưởng đến thiết kế của trạm.

Bước hai: Một nhà thầu duy nhất được chọn để sản xuất, thiết kế và lắp đặt trạm. Lựa chọn này thường được thực hiện thông qua một quá trình đấu thầu quốc tế. Ủy ban của Hiệp ước cấm thử hạt nhân toàn diện (CTBTO) cung cấp hướng dẫn cho công trình xây dựng trạm và đánh giá tất cả các khía cạnh của quá trình để đảm bảo rằng nó đáp ứng tất cả tiêu chuẩn để nó có thể được chứng nhận như là một trạm hợp lệ trong mạng IMS.

Bước ba: Trạm IMS phải được chứng nhận để đảm bảo rằng tất cả các cơ sở hạ tầng, trang thiết bị và thiết lập của nó đáp ứng các thông số kỹ thuật của CTBTO và tất cả các dữ liệu được truyền đến IDC được đặt ở Viên thông qua các cơ sở hạ tầng truyền thông toàn cầu một cách kịp thời. 

Thứ tư: Sự vận hành và bảo dưỡng được thiết lập giữa CTBTO và những người điều hành trạm. Giám sát chất lượng được thực hiện để duy trì các tiêu chuẩn cao của chất lượng dữ liệu và hiệu suất các trạm.

     Cả hai loại trạm có các hệ thống thu thập dữ liệu và thiết bị truyền thông. Các trạm thủy âm ghi nhận và  truyền dữ liệu liên tục thông qua mạng vệ tinh về Trung tâm dữ liệu quốc tế (IDC).

    Tín hiệu từ các trạm thủy âm được tích hợp với các tín hiệu từ các trạm quan trắc địa chấn và hạ âm trong quá trình phân tích tự động tại IDC. Kết quả phân tích tự động được lưu giữ và sẽ được chuyên gia và nhân viên của CTBTO rà soát, đánh giá và xác nhận để đưa đến kết quả cuối cùng tin cậy và chính xác.

Trung tâm dữ liệu quốc gia cho Hiệp ước Cấm thử hạt nhân toàn diện,

 

Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân

Lượt xem: 2233

Các tin khác