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    建立日期 :
    04/11/2006
    主題記事 :
    側掃聲納(Side Scan Sonar)在水下遙測技術上之應用
    主題內文 :
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    摘要
      側掃聲納利用聲波在水下遙測技術上,同樣具備廣景覽要及重覆涵蓋等特性。在國外其應用在海域工程上極為普遍,甚至工程規劃調查規範中必需施測項目之一。工研院能資所以側掃聲納應用在海域砂石資源探勘、障礙物搜尋及海下考古工作中所獲得成果也極為豐碩。本文為「拋磚引玉」介紹水下遙測技術-側掃聲納儀之原理、資料處理及應用,希望藉其特長解決海域調查及施工上之困難。

    一、前言
      一般所熟知之遙測技術是以電磁波輻射或反射來獲得地表物質的特徵。但是電磁波在水下易被水中介質所吸收而衰減,無法穿透水層,而聲波克服了此項問題。所以,利用聲波在水下遙測技術上,同樣具備廣景覽要 (synoptic view) 及重覆涵蓋 (repeative converage)等特性。
      以聲波原理所發展的聲納技術,在第二次世界大戰時因國防上需要而發展極為迅速,由較早的寬幅波束(wide beam)發展為窄波束(narrow beam)測量,大大的提高了其解析度。由早期之單一波束(singal beam)進展至多波束(muti-beam)測量,亦提高了海上作業效率與能力。由於大範圍海域底床資料需要與應用,也由過去單點線狀的測量發展至兩側掃描面狀的測繪,所搜集成之影像圖如陸上遙測影像一樣的可經濟有效的獲得面狀海床表面物質的特徵(圖一)。

    二、基本原理及設備
      側掃聲納儀(side scan sonar)為一高科技之主動型聲納及電子裝置之設備,包括(1)發射器,聲源向下發射至水柱中; (2)接收器,感測反射回來之聲波能量;(3) 時鐘,量測發射及接收訊號之時間差。利用多個轉換器( transducer,可轉換電波及聲波)在拖魚左舷及右舷兩側成線狀排列向兩側發射形成扇形波束藉由海底之粗糙度 (roughness)所反射及散射回來(backscattering)不同的音波能量( 圖二 ),同樣的經由水中之感測器接收其非連續性反射訊號,再經檢波、濾波、放大以類比式或數值式磁帶依時間序列記錄海床地貌資料( 圖三)。整個側掃聲納儀裝置如圖四所示。
      反射訊號記錄在紙上的位置,視該訊號由於發射器發射到目標物後反回接收器之時間而定。因此它與拖魚至目標物之斜距(slant range ),以及拖魚離海床之高度(tow hight )有關。而反射訊號的強弱則隨著物質之密度與其所在位置不同而有所差異。反射訊號愈強,則記錄色調愈深。得不到反射的地方,如窪地或突出物的背後,則呈現強較淺或白色色調。因此由記錄的測音圖(sonograph )影像上明暗色調上的對比,可以用來區分不同的海床底質與地形之起伏。
      對與拖魚有相同距離的目標物,其反射訊號之強度與物體本身之反射能力成正比。而對具有相同反射能力的物質,則因物體距離的遠近不同,而有不同反射回來的聲波強度。一般側掃聲納儀同時具備有時變增益(time varying gain,TVG ) 之裝置,用以補償因斜距不同訊號的衰減,而提供隨時間而變的信號增益。其增益由記錄紙中央向外掃瞄開始,增益最小,然後逐漸增大,至兩側增至最大。

    三、操作與系統特性
      不同的側掃聲納儀具有不同的操作聲納頻率、拖曳高度、聲波脈衝速率、波長、掃瞄斜距等參數。但是主要的控制參數還是頻率的高低,由頻率的高低可決定影像解析的好壞。所以,依探測目的的不同首先需考慮使用頻率之大小。
      不同側掃聲納儀具有單頻或屬於可選擇性之多頻道的系統。操作頻率的選擇需依據聲波的物理特性(特別是聲波的衰減因素)、拖曳高度( 深層拖曳( deep-tow )或表層拖曳(surface-tow )、海床下聲波反射作用( 聲波的穿透 )以及影像之解析等因子來考慮。
      在深海中表層拖曳因受高頻聲波易被海水所吸收之限制,所以使用頻率一般小於30 kHz。如在開放性大洋中表層拖曳者 GLORIA II 使用 6kHz 、SeaMARC II 使用30 kHz,而深層拖曳者如 Scripps Deep-Tow 以及 AMS-120 則使用 110-150 kHz。淺海型表層拖曳常見的短斜距側掃聲納為 EG&G 260 及 KLEIN 590 型使用 100KH 及 500kHz。  
      在操作時,為了提高記錄影像品質避免雜訊干擾,通常加制深重錘(depressor weight)來保持拖魚在水中呈穩定狀態,一般所謂表層拖曳如GLORIA II 係拖曳在海水表面下50 100公尺,而深層拖曳則如SeaMARC 1A拖曳在距海床上100 -200公尺處。
      一般表層拖曳系統較深層拖曳者含有較低頻的聲波,但其可以有較快的拖曳速度(7-8knots(13-15 km/h)) 與較寬的掃瞄寬度( GLORIA,40-60 km)。而深層拖曳者拖曳速度較慢(1 3 knots (1.85-5.55 km/h) ) ,掃瞄寬度僅為 1 km 。

    四、資料處理
      資料處理的目的,主要在提高海底影像的品質。尤其是在電腦科技術日新月異下,影像處理技術的應用更提高了影像之解析度與準確性。
      無論是藉由數據式拖魚或是由類比式轉換成之數據訊號儲存之聲納資料,其有三項優點;一、保持原始資料及延長資料使用壽命,透過管理系統降低列印成本;二、提高目標物偵測能力、加強並校正目標物影像;三、整合及分析其空間影像資料等。而大量之數據式聲納資料可由光碟機、DAT ( 4 mm )和磁帶機 ( 8 mm) 等設備儲存。典型聲納影像資料處理流程如圖五所示。
      在聲納資料數化上,類比式訊號需藉由資料擷取硬體來數化資料。同時組合其它如定位、拖魚高度及時間等資料再進行格式化。雖然在震測數化資料上有一標準 SEG-Y格式,但目前為止側掃聲納並無一公認使用之數化資料格式。所以處理系統上必需配合有相容之數化格式來處理聲納資料。格式化後形成一數據化影像資料。
      這些影像利用電腦重新處理展示,包括由接收訊號之振幅轉換成顏色強度;將每一回響(ping)之線狀資料集合成一面狀圖案而與其熱感式記錄紙相同之原始資料。除了原始資料展示外基本的校正後處理資料包括斜距校正、時變增益與去除水柱等。
      在使用不同操作條件(如波束寬、頻率、脈衝長度及斜距)下,各影像之解析度亦不相同。經由電腦處理後可增進此種多解析( Muti-resolution)影像資料之展示。當聲納影像已數化且被轉換成解析度由螢幕上每條線(或每英吋)像元(pixel)數表示之電腦影像時,這些影像可被重新取樣來產生多解析之影像,可幫助對目標物搜尋與判釋。
      一般人的肉眼在一時間可判別約32度灰階,而數據式資料可展示成64至 256種顏色,所以影像分析可提高其對影像之判釋程度。
      數據系統中,最大資料解析度為每響的最大像元數,其與資料擷取頻率有關。在通訊Nyquist's 資料擷取理論中獲得最大解析所需之擷取頻率至少必需回程訊號頻率的兩倍。所以操作時聲納使用之頻帶限(Bandlimiting)較聲納之使用頻率來的重要。
      除了考慮聲納數據資料解析度外,同時需考慮目標物聲納可偵測能力(Detectability)。前者是指相鄰兩個目標物可量測之最小距離,其決定於聲納本身;而後者是由聲納中可視別之能力,其決定於其所記錄之資料品質、判釋者之經驗以及影像處理系統之能力等。所以,可由數據資料的影像處理技術的提升而增加。而自動目標物偵測系統即是先提高可偵測能力再以目標物幾合特性等辨視之應用在軍事或商業上之系統。
      其它之影像處理包括濾波(Filtering)、統計組構模式化(Statistical texture modelling)或雜訊去除等工具。
      聲納影像資料的擷取、儲存以及展示分析資料處理上的開發在近幾年非常蓬勃。而專業及應用性之軟體如管線追蹤、目標物搜尋以及底質分類等在未來仍有許多可發展之空間。然而,無論資料處理如何進步,要獲得良好的影像資料最重要的還是原始資料的搜集。

    五、應用在海洋環境調查
      側掃聲納儀可經濟、迅速、有效的獲得大範圍調查區內海床表面之地貌、構造等特性之變化。所以可應用在海床構造調查、目標物的找尋、石油工業之應用、浚渫之監控、海底礦場之調查、環境之應用及漁業等。
    (一)海床構造調查
      海床上物質經不斷沉積、侵蝕、重力崩移、地殼運動擠壓變形、移位等作用而有不同的形貌。有些地區是平坦含有生物軟泥,有些是由岩石質底質所組成地區側掃聲納儀可清楚的界定這些不同底質特性。在理想的拖曳狀況下測音圖可顯示出海床上地形的變化如凹陷、向斜、背斜、凸起及由底部構造所引起的沉積物沉積形態上的變化等(圖六)。藉測音圖影像來判定海床地質構造及潛在地質危險區。
    (二)目標物的找尋
      由於側掃聲納儀可有效的得到大範圍海床影像,所以用來尋找海床上特殊目標物(圖七)是非常方便的。如沉船或是失事飛機殘骸等物在海床上的真正位置,甚至利用高解析度測音圖可以由其破裂的痕跡來判定可能失事的原因。

      其實最早側掃聲納儀的發展就是用設計來尋找海床上目標物。特別是考古學家對沉船及船上寶物的興趣所引發。因此而逐漸的發展高頻、窄波、短斜距對特定地區有效的來調查。


    (三)石油工業之應用
      側掃聲納儀最早應用在石油工業的是在 1970 到 1980 年間。在海上鑽油平台或是結構物、海底輸油管線的鋪設的場址選擇上扮演非常重要的角色。側向掃瞄聲納影像可用以判定潛在海底地質危險區,選擇地質穩定地區避免海上鑽油平台因沙波移動而傾斜、沉陷或造成海底輸油管線斷裂等嚴重事件,造成不可彌補之巨大損失。

    (四)浚渫之監控
      在浚渫工程上側掃聲納儀亦經常被使用來瞭解沉積物堆積地區、岩石存在出露地區,用於規畫航道疏浚或砂石抽取時所需之航跡位置。不僅在事前資料穫取正確、迅速外同時亦可用於浚渫時工程品質之監控。尤其配合探測區之正確等深圖更能發揮其效用。

    (五)海底礦場及資源調查
      板塊擴張學說對阿拉斯加以及北海油田的發現有極大的影響,以側向掃瞄聲納儀對大範圍區域的調查可迅速獲得精確有用的資料。美國1984及1985年對經濟海域的掃瞄計畫(EEZ SCAN )在目地就是在瞭解其領海內可能之海底資源之蘊藏,以長斜距之GLORIA II 對海底型貌與構造之繪測。

    (六)環境上之應用
      側掃聲納儀同時是用來檢視在鹹水及淡水環境中污染影響的很好工具。如海洋放流、合法及非法海拋場址區或監視拋放過程經常使用側掃聲納儀來調查。其利用聲波受拋放物質在水柱中密度的差異,反射回來顯示在測音圖影像上。由記錄之異常可知污染物之來源、沉積及受影響分佈範圍等。

      在1970年代由於考慮發電廠排放之溫排水隨水團移動對環境產生之熱污染,亦利用側掃聲納儀以水團中不同溫度引起之密度上的差異造成測音圖上的異常,準確的區分出熱污染影響範圍。
    (七)漁業上之應用
      在漁業上最大的用處則在偵測漁場位置及魚群之密度。雖然有些魚的種類體積太小無法偵測到,但至目前側向掃瞄聲納儀技術能力可偵測至魚長約25公分以上之魚種。

      另外,側掃聲納儀亦常被利用在人工魚礁的調查上。人造魚礁常因時間久經水流侵蝕而風化或消失,所以其可用於監控魚礁區之狀況且同時記錄魚群密度之變化。

    六、結語
      側掃聲納儀在海洋環境調查及應用極廣。在國外海域工程應用上之使用也極為普遍,甚至工程規畫調查規範中必需施測項目之一。而國內從有側掃聲納儀也至少有十年之歷史,目前有此設備者除了學術單位、海軍外,工研院能資所利用 EG&G 260-TH側掃聲納儀執行海域砂石資源探勘所獲得成果也極為豐碩,除了以海底底形判釋海砂潛能蘊藏區外並評估開採可能之潛在危險區(如海底管線、沉船及魚礁)提供未來開採作業之參考。在海下考古工作中,協助海下技術協會為國立歷史博物館進行澎湖古沉船探測。本文為「拋磚引玉」介紹水下遙測技術-側掃聲納儀之原理及應用希望藉其特長解決海域調查及施工上之困難。

    七、參考文獻
    1. Johnson, H.P.and M. Helferty, 1990, The Geological Interpretion of Side-Scan Sonar, Reviews of Geophysics, 28,4/Nov.p357-380.
    2. John, P.F.and H.A.Carr, 1990, Sound Underwater Images, Tech Graphics ,Woburn,pp189.
    3. 羅聖宗、陳民本,1991, 側向聲納掃瞄儀使用手冊-, 國科會海研一號貴重儀器使用中心,技術手冊第017號 pp14。
    4. 羅聖宗,1991,簡介美國1984 EEZ-SCAN計畫,礦業技術,30卷第一期。
    5. 羅聖宗、陳民本,1992,水下聲納技術,側向掃描聲納儀原理與應用,科儀新知,第十四卷第一期。
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      兩岸港口及海岸開發研討會論文集,p1397-p1409。