沿岸淺海環境受複雜的海岸邊界條件約束與不同時間尺度外力影響,形成複雜的流場變化。由於其海洋動力過程包含了不同的空間和時間尺度的現象,因此觀測方法需要能夠提供高解析度的空間分辨率,以監測海洋環境的變化。海洋聲層析學是藉由精確量測聲波走時來反推聲場所穿過的海洋狀態,例如溫度場、流速場。聲層析測流是基於聲波在一測線上來回走時差與流場沿著聲線方向上的積分成正比,藉由量測多組層析儀器所形成的聲線聯網上的來回走時差以估算流場分佈。受限於錨碇系統的數量(有限的聲線數),傳統海洋聲層析技術較無法精確地重構完整的海洋狀態。為了提高在監測水域的聲線數與密度,本所黃千芬老師發展一套結合移動載具(船或自主式水下載具)拖曳層析儀與錨碇式層析儀測站之海洋聲層析測流方法,其中關鍵的訊號處理技術與資料分析方法包括:
- 匹配濾波訊號處理:由於拖曳式與錨碇式測站間的相對運動,所發射的相位調變聲波訊號需經多重都卜勒匹配濾波器處理以補償因頻移造成的訊號失真,才得以從接收訊號中明確地解出聲波走時波形。
- 最佳化來回走時差估測:基於來回波形之相關函數的峰值所對應的延遲時間以估算走時差;因水聲通道多重路徑的影響,相關函數有多個峰值存在,因此,研發一以馬可夫模型來追蹤合適的峰值,以獲得穩健的走時差估測方法。關於拖曳測站的運動速度對走時差的影響,預先於延遲時間進行修正。
研究團隊以自行研發的層析儀(四組錨碇式和一組拖曳式層析儀,參見圖1),在高雄西子灣海域實現移動載具海洋聲層析流場測繪的技術。實驗場址的流場型態以半日潮流為主,其主軸平行於地形等深線。資料分析結果顯示,運用聲學流場測繪技術所估算的流速隨時間的變化與船載式都卜勒流速儀的量測一致(圖2),並且所重建的二維流場也展示在流向改變時,流場分佈有明顯的空間變異(圖3)。
延伸閱讀:
C.-F. Huang, Y.-W. Li, and N. Taniguchi. Mapping of ocean currents in shallow water using moving ship acoustic tomography. J. Acoust. Soc. Am., 145(2):858–868, 2019.
Available at: https://asa.scitation.org/doi/10.1121/1.5090496
圖1 2015淺海環境移動載具聲層析實驗示意圖。實驗場址位於西子灣外海,水深20至30公尺水域。
圖2 實驗期間海流觀測結果,上圖為南北向流速分量,下圖為東西向分量。藍色為聲層析估測的正壓流速,黑色為船載式ADCP經空間平均後的流速。
圖3 二維流場分佈。各張流場分佈(snapshot)所對應之時間參照圖2。