海洋科技季刊
首頁 > 海洋及水下科技季刊 > 九十七年度第十八卷第 四期
『水下監測、定位與通訊專輯』
目  錄 封面
「水下監測、定位與通訊」專輯序言
天然氣水合物現地監測技術的發展
水下通訊技術的發展回顧與現況
時反法于海下定位與通訊之研究現況
水下感測器網路之研究-主被動時域反轉法與載具運動應用於水下通訊之研究
水下通訊訊號之量測校準及其目標物成像之應用
海床應答器之定位
MEMS-Based微慣性導航系統於水下載具應用之評估
水下遙測系統電力與監測電路的研製
屏東縣海口漁礁區礁體工程行為分析
建置頻率鍵移技術於水下遙測系統之研發
海洋及水下科技季刊九十七年度第十八卷第四期封面

「水下監測、定位與通訊」 專輯序言
(第十八卷第四期-序言)
摘要

  本期以「水下監測、定位與通訊」為專輯,並邀請十篇具代表性文章。由台灣大學-劉家瑄教授等人提出的「天然氣水化合現地監測技術與發展」文中,以美國墨西哥灣天然氣水合物研究聯合會在密西西比三角洲外的Mississippi Canyon Block 118興建了一組天然氣水合物的現地監測系統,跟過去研究方法相比有相當大的突破。海洋大學-洪賢昇教授提出的「水下通信技術的發展回顧與現況」文中,針對過去二十年來國內外學者專家有關水下通訊技術研究的主要發展作一回顧。另外,成功大學-涂季平教授提出的「時反法于海下定位與通訊之研究現況」文中,簡介時反法的由來、理論以及相關性能之研究,為更適合實際應用於水下通訊與定位用途而發展出來的適應性時反鏡與被動式相位共軛。台灣大學-陳琪芳教授等人及團隊提出的「水下感測器網路之研究–主被動時域反轉與載具運動應用於水下通訊之研究」文章,談及整合型研究於年度完成之各數值模式及通訊模擬,將對後續實際通訊實驗有顯著的助益。

 成功大學-李坤洲教授等人所提出的「水下通訊之訊號量測校準及其於目標物成像之應用」文中,經過校準後的水下聲波通訊訊號,可用作更進階的水下通訊與定位之用途。中山大學-陳信宏教授等人所提出的「海床應答器之定位」文中,利用最佳化方法估測出的水層平均聲速也與實海域鹽溫深儀所量測推導的結果進行比較,以進一步驗證利用最佳化方法估測海床應答器位置的可信度。接下來由成功大學-沈聖智先生等人所提出的「MEMS-Based微慣性導航系統於水下載具應用之評估」,由強健濾波器抑制系統雜訊來改善MIMU內部或輸出端雜訊干擾的問題,同時也可濾除載具因水中紊流所造成的干擾,提升導航的穩定性與工作能力。

 成功大學-李建興教授等人所提出的「水下遙測系統電力與監測電路的研製」文中,利用感測元件估測電池的殘電量及監控系統水密箱內部溫濕度之狀況。而中山大學-田文敏教授等人所提出的「屏東縣海口於礁區礁體工程行為分析」,應用整合型水下探測系統,進行屏東縣海口魚礁區軍艦礁與其它類型礁體之描繪、辨識、定位與監測。最後,成功大學-涂季平教授與高雄海洋科技大學張順雄教授等人所提出的「建置頻率鍵移技術於水下遙測系統之研發」乙文,以實際高雄港港區進行水下遙測系統性能測試,證實此系統可透過水下無線通訊達到資訊傳遞正確性與即時性,並以本遙測系統為基礎,延續發展為應用頻率鍵移調變技術方法,達到水下通訊之目的。


作者:涂季平/國立成功大學系統及船舶機電工程學系 教授

   俞克維/國立高雄海洋科技大學輪機工程系 副教授

   洪賢昇/國立臺灣海洋大學電機工程學系 教授   

   張順雄/國立高雄海洋科技大學微電子工程系 教授


天然氣水合物現地監測技術的發展
(第十八卷第四期-水下監測、定位與通訊)
摘要

 天然氣水合物是一種極具能源開發潛能的籠形氣水包合物,現今的研究大致有地質、地球化學、地球物理及生態環境等四個面向,然而過往傳統的研究常受限於間斷式的研究方法,對於天然氣水合物生成的環境及動態變化難有更進一步的掌握。美國墨西哥灣天然氣水合物研究聯合會在密西西比三角洲外的Mississippi Canyon Block 118興建了一組天然氣水合物的現地監測系統,跟過去研究方法相比有相當大的突破。

 

關鍵詞:天然氣水合物、現地監測系統、Mississippi Canyon Block 118。


作者:許鶴瀚/國立臺灣大學海洋研究所

   邱瑞焜/國立臺灣大學海洋研究所

   劉家瑄/國立臺灣大學海洋研究所   


水下通訊技術的發展回顧與現況
(第十八卷第四期-水下監測、定位與通訊)
摘要

  水下通訊是海下技術重要的研發項目之一,其應用包括海底影像傳輸、潛水員通話、海中生態監測等。本文擬針對過去二十年來國內外學者專家有關水下通訊技術研究的主要發展作一回顧,並就最近十年的發展現況作一說明。


作者:洪賢昇/立台灣海洋大學電機系  教授   


時反法于海下定位與通訊之研究現況
(第十八卷第四期-水下監測、定位與通訊)
摘要

  聲波廣泛應用於物體內部的檢測和成像。但即使是超音波檢測和成像,其較光波大的波長造成解析度較低。為了提高解析度和成像品質,須準確分析傳遞介質的空間特性,使聲束能聚焦於欲檢測或成像之處,這是不易達成的。時間反轉法的最大特點,就是不須預先得知傳遞介質與感測器陣列的相關資訊,即可使聲波聚焦於原聲源處。因此本方法也被引用至同樣以聲波聚焦為目的的水下通訊與定位用途中,並從中延伸出許多理論來增進其性能與適用範圍。

 本文章首先簡介了時反法的由來、理論以及相關性能之研究,接著是為了更適合實際應用於水下通訊與定位用途而發展出來的適應性時反鏡與被動式相位共軛,最後介紹近年有關時反法應用於水下環境的相關研究重點。

關鍵字: 時間反轉、被動式相位共軛、聲束聚焦、水下定位、水下通訊


作者:涂季平/成功大學系統計船舶機電學系 教授

   謝羽豪/成功大學系統計船舶機電學系 博士研究生

   李新立/工研院南分院微系統中心 研究員


水下感測器網路之研究-主被動時域反轉法與載具運動應用於水下通訊之研究
(第十八卷第四期-水下監測、定位與通訊)
摘要

 本研究目的為從事海下聲學通道特性之理論及實驗研究,利用主被動時域反轉法降低訊號之符間干擾,以提高資料傳遞速率及降低字元錯誤機率,建立水下系統間之多向通訊能力,同時探討水文、噪音、迴響對通訊之影響,並研究水下通訊網路之通訊協定之建立。在此研究中完成了被動時域反轉法理論模式建立,包含主被動式時域反轉法、背景噪音以及迴響之理論模式,並整合數值模擬模式,進行通道各參數之模擬及特性研究,包含了海洋環境及聲學變動模擬研究、迴響數值模式建立、噪音空間方向性研究及噪音預估數值模式建立、提出及實現適用於崁入式數位訊號處理器、與基頻訊號進行可適性等化,上述各模式及研究成果彙整,可進行整合性點對點通訊模擬,得到在動態海洋環境內之通訊成效。除了上述各數值模式研究及建立之外,亦進行感測元件開發,利用光纖感測系統為目標,研發適合應用於本感測器網路之感測元件,目前亦已完成光學薄膜設計與初步測試。本整合型研究於本年度完成之各數值模式及通訊模擬將對後續實際通訊實驗有顯著的助益。


作者:邱永盛/台灣大學工程科學及海洋工程學系 博士後研究員

   陳琪芳/台灣大學工程科學及海洋工程學系 教授

   水下感測器網路團隊   


水下通訊之訊號量測校準及其於目標物成像之應用
(第十八卷第四期-水下監測、定位與通訊)
摘要

 本論文主要研究水下通訊之訊號量測校準及其於目標物成像的應用。本研究主要是由陸地電磁波天線的量測校準觀念出發,並將之延伸推廣到水下聲波,希望建立一套水下聲波通訊之訊號的量測校準系統。為了驗證所建立的量測校準系統,我們將實驗校準過的訊號應用於水中目標物成像,結果發現成效良好。由於要預測目標物的形狀影像需要準確的訊號相位角資訊,因此,吾人可以推斷,經過校準後的水下聲波通訊訊號,其相位應是準確的,而這些精準的水下聲波通訊訊號之相位角資訊,將可用作更進階的水下通訊與定位之用途。

 

關鍵字:水下通訊、量測校準、目標物成像


作者:李坤洲/國立成功大學系統及船舶機電工程系 副教授

   歐俊谷/國立成功大學系統及船舶機電工程系 碩士


海床答應器之定位
(第十八卷第四期-水下監測、定位與通訊)
摘要

  海床應答器的位置偵測,可以配合長基線與超短基線聲學定位系統的使用,來輔助一般水下目標物的定位,近年來此一技術更進一步提升應用於精確的海底板塊位移偵測。而台灣位處於菲律賓板塊以及歐亞板塊的交界處,地震發生頻繁,利用海床應答器來進行板塊位移監測也可以有效掌握地震發生之機制。不過板塊每年位移量不過數公分,要應用海床應答器定位來偵測板塊位移量,必須先瞭解影響海床應答器定位精度的關鍵因素。所以本文先介紹海床應答器的定位方法,利用所收集的斜距與GPS資料,可以透過最佳化方法估測出應答器的位置,甚至可以估測出水層平均聲速。本文也說明實海域海床應答器佈放之情況,並利用船隻在不同的觀測點收集斜距與GPS資料,以進行海床應答器定位的分析,更進一步探討資料收集的測線規劃與資料量大小對海床應答器位置估測精度的影響。此外,利用最佳化方法估測出的水層平均聲速也與實海域鹽溫深儀所量測推導的結果進行比較,以進一步驗證利用最佳化方法估測海床應答器位置的可信度。

 

作者:陳信宏/中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所 助理教授

   杜廣文/中山大學海下技術研究所 碩士

↑回目錄

 

MEMS-Based微慣性導航系統於水下載具應用之評估
(第十八卷第四期-水下監測、定位與通訊)
摘要

 本研究採用CMOS/MEMS微型3軸加速計與陀螺儀,建構MIMU(Micro Inertial Measurement Unit) 並應用於水下載具的導航系統(Inertial Navigation System, INS)。本文首先評估水下載具適用的微型加速度計與陀螺儀,由於微慣性感測元件容易受環境變化之影響且本身雜訊並非為高斯分佈,單純以二次積分的方式及Kalman Filter來取得其移動的位置,會造成導航系統快速發散,產生極大的定位誤差。故本研究利用MIMU 的Z軸所測得的加速度變化訊號以提供X及Y軸加速度計與Z軸陀螺儀的振動雜訊消除對策,再藉由四元數法(Quaternion)的轉換進行導航演算。最後再由強健濾波器(Robust Filter)抑制系統雜訊來改善MIMU內部或輸出端雜訊干擾的問題,同時也可濾除載具因水中紊流所造成的干擾,提升導航的穩定性與工作能力。

 

關鍵字: 水下載具、MEMS、慣性導航、MIMU


作者:沈聖智/國立成功大學/系統與船舶機電工程學系

   林永裕/工業技術研究院/南分院/微系統科技中心

   陳家榮/國立成功大學/系統與船舶機電工程學系

水下遙測系統電力與監測電路的研製
(第十八卷第四期-水下監測、定位與通訊)
摘要

 本文比較鉛酸電池與高分子鋰電池之放電特性,用以作為水下遙測系統電力選取之參考,再研製電力轉換電路將電池輸出電壓轉為12V、19V與24V以提供水下數據聲傳器、水下遙測單版電腦與垂直陣列麥克風訊號放大器等設備之所需。另外,亦利用感測元件估測電池的殘電量及監控本系統水密箱內部溫濕度之狀況。

關鍵詞:水下遙測系統、降壓型轉換器、鉛酸電池、高分子鋰電池

 

作者:李建與/國立成功大學  系統及船舶機電工程所

   陳瑋凱/國立成功大學  系統及船舶機電工程所

   莊志偉/國立雲林科技大學 電機工程學系

   華志強/國立雲林科技大學 電機工程學系

屏東縣海口魚礁區礁體工程行為分析
(第十八卷第四期-水下監測、定位與通訊)
摘要

 本研究之要旨在於應用整合型水下探測系統,進行屏東縣海口魚礁區軍艦礁與其它類型礁體之描繪、辨識、定位與監測。由不同時間序列所收集之海床地貌聲納影像與磁力異常狀況,進行礁體佈放位置之比對研究,並探討自然界中不同外力型態(如颱風、地震、波浪…等)對海床面人工設置結構物的影響。研究顯示,屏東縣海口魚礁區除軍艦礁以外之各類人工魚礁礁體(鋼鐵礁、電桿礁與水泥礁等)在海床上的位態,不受颱風與地震等外力作用的影響;而軍艦礁則受到颱風波流的影響產生明顯位移,位移距離可達250公尺。

 

作者:田文敏/國立中山大學海洋環境及工程學系 副教授

   陳泰岳/國立中山大學海洋環境及工程學系 研究生

   上官百龍/國立中山大學海洋環境及工程學系 研究生

建置頻率鍵移技術於水下遙測系統之研發
(第十八卷第四期-水下監測、定位與通訊)
摘要

 本文主要目的為應用水下無線通訊建立一套水下遙測系統,提供水下資訊之量測平台,並利用此平台與工作母船建立相互溝通之軟硬體。軟體介面以LabVIEW程式撰寫,其可分為水下資料擷取介面與水面監控分析介面。硬體架構包含水下聲波數據機(UWM2000)、水密箱、水下陣列麥克風、電力系統。水下遙測系統為利用浮於水面之水下數據機(surface modem)設定水下載體之參數與水下背景噪音擷取時間,此時佈放於水中之水下數據機(bottom modem)接收指令執行擷取與儲存之步驟並即時將資料上傳。本研究以實際高雄港港區進行水下遙測系統性能測試,證實此系統可透過水下無線通訊達到資訊傳遞正確性與即時性,並以本遙測系統為基礎,延續發展為應用頻率鍵移調變技術方法,達到水下通訊之目的。

 

關鍵詞 : 水下遙測系統、頻率鍵移調變、水下通訊


作者:涂季平/國立成功大學系統與船舶機電工程學系教授

   周志豪/國立成功大學系統與船舶機電工程學系博士生

   陳建宏/國立成功大學系統與船舶機電工程學系碩士生

   張順雄/國立高雄海洋科技大學微電子工程學系教授

 

若欲索取詳細資料請參閱出版物訂購單或來電洽購,季刊每本售價新台幣200元
   連絡電話:02-87716708 黃郁媚小姐