由於海水是導電體，電磁波（含光、雷達）在海水中會很快的被吸收或消散，因此只能穿透很有限的距離，而聲波是一種振動的機械波，在海水中的吸收率遠小於電磁波，尤其是低頻聲波，可以傳輸很遠的距離，因此聲波成為在水中傳輸能量的有效方式，也成為水下探測儀器聲納設計的主要載波。惟聲波在海洋中傳播的性質（如路徑、走時），會受到海洋環境因子（包括海水溫度、鹽度、海流等）的影響；換句話說，穿過水體的聲波就隱含所經路徑上這些環境因子的訊息，如此的交互關係形成了利用聲波來瞭解海洋性質的基本構想。

在1970年代晚期，美國科學家Walter Munk及Carl Wunch基於上述的構想，開啟了利用低頻（數百赫茲）聲波測量大尺度海洋性質的研究，稱之為水聲層析學（Acoustic Tomography）。

這是一種大範圍遙感探測海洋內部性質的方法，也自然的因平均化消除了小尺度（如內波、噪音）的干擾。1980年代以後，很多大規模實驗於是展開，探討大洋渦流、內波、熱含量等問題，其中1990年代初期更以水聲層析的方法進行全球暖化所造成海水溫度增溫可行性的大規模實驗。現今海洋聲層析學（Ocean Acoustic Tomography；OAT）已是一個成熟的領域。

有關利用水聲層析在淺海或近 岸地區的研究相對較晚，在1990年代初期才開始發展。由於海洋環境的特性，在大洋中聲波在深海聲道遠距離傳播有一定的模式，而在淺海或近岸環境中因受到海面及海床性質、波浪、流（潮流、地形流）、溫度等多變因素的影響，水聲傳播模式十分複雜，訊號處理精確度要求更高，也造成水聲層析應用的困難。惟在經過近30餘年的發展，已獲致相當的成果，並逐漸形成一個領域，稱之為近岸聲層析（Coastal Acoustic Tomography；CAT）。

我國在水聲層析方面的發展主要緣起於本研究群組。本研究團隊自2009年起展開一系列的水聲層析實驗。2009年藉由與日本廣島大學的合作，在臺東外海進行黑潮聲層析測流的實驗。接者，同年在基隆八尺門水道藉由一對的水聲層析儀進行二維水平 流場與溫度分佈的估算。2011年5月，在高雄西子灣外海進行水下網絡、水下通訊及水聲層析實驗，藉由量測的時間走時，推算沿著聲線的平均聲速與流速。2015年6月，本團隊利用自行研發的水聲層析儀進行海洋流速場空間分佈的觀測，不僅利用固定於海床的層析儀間的聲線來遙測流速，並結合漁船拖曳層析儀的方式，以提高在監測水域的聲線密度，實現淺海環境移動船聲層析的方法。2017年起，在基隆望海巷海灣，更結合了自主式水 下載具（AUV）配載層析儀的方式，使得水聲層析朝向以自主航行載具測繪海洋流場的方向邁進。目前在科技部沙克爾頓計畫支持下持續進行當中。

本專輯所 刊登的文章前半部份都基於上述本研究團隊的研發成果，以深入淺出的文字將近岸聲層析的原理與應用介紹給海洋及水下學界的讀者。另一部份，亦刊登三篇與海洋及水下技術應用相關的文章，包括：水下文化資產保存、新研究船儀器誤差檢驗、防淺避礁聲納設計等。本專輯在出版過程當中，承蒙各位作者/作者群的用心撰稿並配合主編們的要求，希望能夠達到提升本刊物的水準的目標，在此表示感謝。惟因出版時程緊迫，難免有疏漏之處，若有不足，尚請讀者見諒包涵。

　

　

　

　

專輯主編：黃千芬／國立臺灣大學海洋研究所教授

　　　　   郭振華／國立臺灣大學工程科學及海洋工程系教授

　　　　   劉金源／淡江大學電機工程學系講座教授、海洋及水下科技研究中心主任

　

    在國際上水聲層析於深海環境的應用自1970年晚期開始發展，而於近岸地區的應用直到1990年代晚期才開始，惟在經過近二十餘年的發展後，已獲致相當的成果，並逐漸形成一個領域，稱之為近岸聲層析。我國在近岸聲層析方面的發展主要緣起於本研究群組。自2009年起本團隊展開一系列的水聲層析實驗，包括：2009年在臺東外海進行黑潮聲層析測流的實驗；同年在基隆八尺門進行二維水平流場與溫度分佈的估算；2011年在高雄西子灣外海進行水下網絡、水下通訊及水聲層析實驗，接著，2015年利用自行研發的水聲層析儀，並結合研究船、漁船拖曳層析儀的方式，以提高在監測水域的聲線密度，實現淺海移動船聲層析的方法。2017年起，在基隆望海巷海灣，更整合了自主式水下載具配載層析儀的方式，使得水聲層析朝向以自主航行載具測繪海洋流場的方向邁進，目前在科技部沙克爾頓計畫經費支持下持續進行當中。

　

　

　

　

作者：黃千芬／國立臺灣大學海洋研究所教授、ASA Fellow

　   水聲層析主要是藉由水下數據機實現其在水中拍發與接收的運作，再藉由水下訊號處理的技術分析其走時的變化來估算海流的流速。本文主要在於介紹水下數據機及其水下通訊的原理及技術，包括：訊源編碼及解碼、資料加密及解密、交錯置及解交錯置、通道編碼及解碼、數位調變及解調變、通訊資料同步、通道估測及等化，以及數位-類比及類比-數位轉換等。在水聲層析方面，主要是利用2011年5月間在高雄西子灣海洋實驗場所進行的水下網絡、水下通訊、以及水聲層析實驗（Underwater Networking, Communication, and Acoustic Tomography）所獲得之局部資料，進行水下數據機在水聲層析之應用研究。該實驗以9組水下數據機分佈於範圍約30 km2為架構，探討聲波於淺海環境中，因受流場變化的影響所造成來回傳遞走時差的變化來推算沿著聲線的平均聲速與流速，並利用氣象浮標實測資料做比對，驗證了估算與實測結果相符的趨勢。

　

　

作者：郭乃綜／台灣科高工程有限公司聲學研發工程師

　　　林新詠／國家中山科學研究院資訊通信研究所工程師

　　　劉金源／淡江大學電機工程學系講座教授

　　　黃千芬／國立臺灣大學海洋研究所教授

　 本研究利用雙向聲波傳播的方法以估算港區河道流速和聲速，藉由精確量測一對聲學測站間雙向聲波走時，來反算聲線穿過水體的流速場與溫度場，可獲得傳統單點觀測所難以量測到的大範圍海洋環境資料。本研究之實驗場址為基隆和平島八尺門水道，實驗時間為大潮。兩組聲層析儀置於河道兩側，相距約五百公尺，每隔三分鐘發射一組載波頻率為一萬赫茲、經相位調變後的信號，並藉由連續十次量測所得聲波走時變異以進行誤差分析。聲學觀測時間約四小時，實驗期間並有水平聲學都普勒流速剖面儀與溫鹽深儀同步進行現場單點流速及溫度量測，以驗證本方法推算出來之流速與溫度。研究結果顯示，由於空間採樣的不同，以致利用聲層析所估算沿聲傳路徑之流速與溫度平均值與現場單點量測值有些微差異，但隨時間之總體變化趨勢是一致的。（本文部分內容根據文獻[1]撰寫）

　

　

作者：陳彥翔／國家中山科學研究院資訊通信研究所工程師

　　　黃千芬／國立臺灣大學海洋研究所教授、ASA Fellow

　　　劉金源／淡江大學電機工程學系講座教授

　

　 本研究於淺海環境使用四個錨碇和一個拖曳式聲層析測站，以實現移動船聲層析流場測繪的技術。流場測繪的原理基於聲波在測線上來回走時差與聲線方向上投影的流速正比，因此可以收集在不同測線上來回走時差來估算流場。若使用拖曳式測站的資料，則必須補償因測站相對運動所造成的都卜勒效應，此效應將會影響來回走時差與接收訊號之到達波形。利用所發射的M序列訊號對都卜勒頻移變化的敏感性，都卜勒頻移可以從時間延遲-都卜勒模糊函數估計。由於水聲通道多重路徑的效應，傳統以配對雙向波形峰值到時估算走時差的方法，因不同路徑之聲線相互干擾，易產生誤差。本研究則是基於追蹤雙向波形之交互相關函數的適當峰值，用適當峰值所對應的時間延遲作為平均走時差的估計。本研究使用2015年9月在西子灣海洋實驗場收集的資料，以估算該海域的二維流場。受惠於拖曳式測站，聲線數量提升，流場測繪的範圍增加。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，並可重建該場域的二維流場。（本文部分內容根據文獻[1]撰寫）

  

　

　

　

作者：李允文／台灣高通半導體有限公司工程師

　　　陳冠宇／國立臺灣大學海洋研究所博士生

　　　黃千芬／國立臺灣大學海洋研究所教授、ASA Fellow

　

　

　 由於近年來海洋無人載具的控制和導航技術的發展成熟與普及，越多的無人載具被用來收集海洋環境資料。因多數儀器採樣方式多屬單點量測，囿於載具設備數量，無法於有限時間內大規模且密集取樣以重現整體的海洋結構。本研究利用聲層析技術，提供測站間沿線之資訊，並藉由移動載具將探測範圍從近岸延伸至遠域，以獲得綜觀的海流分佈。本研究係於2017年6月27日至基隆望海巷海灣進行聲層析測流實驗，以三個聲層析儀分別安裝在自主式水下載具、漁船及錨碇浮標，透過聲層析儀於測站間進行雙向聲波信號傳輸。由於載具的運動，不僅需考量所造成的都普勒頻移對接收的聲波到達波形產生扭曲影響，且來回走時差亦需修正，爰將修正後的來回走時差用於分散式感測方法估測流場。分析結果顯示，估測船附近的海流與都普勒海流儀的現場海流測量結果一致，且在三個聲層析儀所構建的三角形區域存在一個反氣旋環流。為降低分散式感測方法所估測流場的不確定性，假設40分鐘實驗期間流場不變，合成所有來回走時差資料以廣義最小平方法重建流場，以解析該環流結構的空間分佈。（本文部分內容根據文獻[1]撰寫）

　

　

　

作者：陳冠宇／國立臺灣大學海洋研究所博士生

　　　黃千芬／國立臺灣大學海洋研究所教授、ASA Fellow

　　　黃盛煒／國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系專案助理研究員

　　　劉金源／淡江大學電機工程學系講座教授

　　　郭振華／國立臺灣大學工程科學及海洋工程學教授

　

　 人類為求更好的生活，不斷的推出海岸開發工程，近年來臺灣能源政策希望增加綠能發電占比，產生許多海上建設風力發電廠的離岸風力發電（Offshore wind power）案，這些水域開發利用計畫，可能擾動到人類祖先因自然、人為等各種原因沉沒在水下的文化資產。依據我國《水下文化資產保存法》及《水域開發利用前水下文化資產調查及處理辦法》，水域開發前必須先做開發水域的水下文化資產調查，確定開發區域沒有疑似水下文化資產目標物後，始可進行相關的開發工程。政府與開發商看似對立，如果政府可讓水域開發單位了解水下文化資產的重要性，進而尊重文化資產的價值，樂意在投資開發案的同時也做好保護水下文化資產的工作，降低水下文化資產遭到破壞的可能，達到雙贏生態。

本本文擬從《水下文化資產保存法》、文化資產保存及水下文化資產的意義與價值面向做剖析，並建議開發單位要鼓勵同仁了解水下文化資產、調查法規、行政程序及方法、發現水下文化資產要確實通報；水下文化資產管理單位要辦理水下文化資產相關的教育推廣活動及針對水域開發人員之培訓課程，並善用調查資料，期望人類經濟活動與保護水下文化資產能共榮共存。（註：本文部分內容曾發表於第22屆水下技術研討會，2020年7月3日，高雄臺灣）。

　

作者：董盈穎／文化部文化資產局　研究助理

　

　 從船舶擱淺及觸礁的海損事件，探討發生船舶擱淺與觸礁的原因，為能解決此問題需要在船舶底部前端安裝防淺避礁聲納，用來降低水下觸礁的機率，還可在外海航行時避開水中漂流障礙物或水雷，使得船舶的航安受到非常大的保障。因此，本文從測深儀與探魚機的原理，來探討防淺避礁聲納的設計，期望能夠在國內自製簡易又便宜的防淺避礁聲納，提供船舶之使用。

關鍵詞：富餘水深、擱淺、觸礁、防淺避礁聲納、測深儀、探魚機、數位時間相關累積、自動增益控制、靈敏度時間控制、船舶觸礁預警系統、船舶排水報警系統

　

　

作者：林澄貴／國立台灣大學海洋研究所物理海洋學碩士，

前國家中山科學研究院副研究員

　

　 隨著2020年7月新海研1號的交船，臺灣新一代的研究船隊也完成航向藍海最後一塊拼圖，新海研1、2、3 號及勵進等四艘研究船配備了六套不同等級的Kongsberg多音束測深系統，從淺水至深海已建構了完整的海底地形測繪能力，根據其各自的系統特性，各聲納系統也有不同的應用範圍與測深表現。此外，國際海道測量組織與內政部分別在2020年公布了第6版水深測量標準及國內的水深測量作業規範，新研究船的海試與調查成果經總傳遞誤差檢驗，也都能符合最新的規範標準。除了海底地形測繪，這些多音束測深系統在水下目標物、海床底質及水層影像的調查及研究都有很好的應用。由於不同的研究船與其配備的聲納系統各有其特性，如何依探測目標選用適當的研究船及聲納系統，輔以完善的事前規劃、調查操作、資料處理及品質檢核工作，便是後續發展多音束測深能力之重要關鍵。

關鍵詞：新海研1、2、3號、勵進研究船、多音束測深、疊合測試、測深規範

　

作者：洪瑋廷／國立臺灣大學理學院貴重儀器中心

　　　陳姿婷／國立臺灣大學海洋研究所、國立臺灣大學海洋中心

　　　許鶴瀚／國立臺灣大學海洋研究所、國立臺灣大學海洋中心

　　　謝宗霖／國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心

　　　劉家瑄／國立臺灣大學海洋中心