海洋科技季刊
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『水下通訊技術專輯』
目  錄 封面
「水下通訊技術與資訊處理」專輯序言
適應性束波器應用於水下通訊之研究
適應性方位估測應用於水中通訊之設計
水下通訊直序展頻調變系統之研製
水下通訊系統等化器之設計
模糊RLS/LMS RAKE接收機在水下通訊之應用
多工調變聲傳數據機系統
氣象局強地動資料檢索系統
訪問高雄港務局游局長芳來談亞太海運轉運中心-高雄港之經營策略及未來發展
VIMS海底水槽及其應用在泥砂研究上的成果
高雄縣林園魚礁區礁體之搜尋定位與現況調查
水中聲學發展簡史與主要海下探測儀器系統介紹
海洋及水下科技季刊八十八年度第九卷第一期封面

「水下通訊技術與資訊處理」專輯序言
(第九卷第一期-序言)
摘要

 水下通訊之需求, 主要緣自海底探勘工作的需要;例如海底電纜的佈設、海域鑽油平台的裝置、海底礦藏的開採,沉船或墜落的機體探勘等。 另外,基於軍事國防需要之潛艦通訊,亦是重要的研究領域 。

 由於海底探勘的環境相當險惡,為因應收集資料之故,例如利用水下無人載具(unmanned underwater vehicle,UUV)將影像資料傳回海上的母船作分析,即牽涉到水下通訊的處理問題。而水下通訊系統的設計有其困難性,諸如多重路徑、相位變動及頻率散佈等因素。 水下數位通訊系統在發射部份,基本架構包括數位資料產生器、編碼器、調變器、信號放大器等,經由聲波發射器(projector)來發出聲波訊號;接收機部分則以對相逆的處理結構來擷取資料,以達到數據傳輸的目的。

 本刊有感於水下通訊技術與資料處理之理論與應用的重要性,本期特以此為主題,邀請數位學者發表多篇相關之論文,編輯成專刊以嚮讀者。

 本專輯首篇由洪賢昇等的"適應性束波器應用於水下通訊之研究",其研究主軸以德州儀器公司所產生之32位元,浮點運算數位訊號處理器晶片TM320C40為核心處理器,在真實的水下環境中實現即時的適應性Frost束波演算。其次,張順雄與張麗娜教授等以"適應性方位估測應用於水中通訊之設計"為題,將方位估測演算法以硬體方式作實現,將可適性膨脹演算法載入C4D模組中,並發射窄頻弦波訊號及BPSK訊號,將能正確估測訊號源方位,達到追蹤訊號源之目的。第三篇是呂福生教授等的"水下通訊直序展頻調變系統之研製",主要探討水下通訊系統之數位調變技術,研究以π/4DQPSK(變差式四象相移鍵)直序展頻技術,應用於水下聲波無線通訊之模擬分析與實現方法。第四篇為曾敬翔教授等以"水下通訊系統等化器之設計"為文,提出一種盲蔽等化演算法,當其應用在一個模擬的水下快速衰減通道時,在收歛速率及追蹤能力上都能展現較佳性能。最後由趙俊傑教授等以"模糊RLS/LMS RAKE接收機在水下通訊之應用"研討在線性最小化均方誤差(LMMSE )的準則下,如何融合RLS與LMS兩濾波器的輸出資料,並於數位訊號處理器TMS320C30上做一實現,以驗證此架構即時處理的可行性。另外,張順雄教授等以”多工調變聲傳數據機系統”乙文,介紹實際應用於淺水海域之通訊系統。 呂紹偉教授與辛在勤副局長等以"氣象局強地動資料檢索系統"為題,簡介該資料檢索系統,使用者可利用本系統瞭解國內各類結構物在某一時段內承受之強震。此系統係由中央氣象局與海洋大學電機系合作開發,並已經上線運作。

 本專輯的編纂,適逢「海下技術協會」舉辦1999年年會,希望藉由『水下通訊技術與資訊處理專輯』的出版,帶給有興趣讀者一些斬獲。 

作者:張順雄/台灣海洋大學電機工程學系 教授

   呂福生/台灣海洋大學電機工程學系 教授

適應性束波器應用於水下通訊之研究
(第九卷第一期-水下通訊技術與資訊處理專輯)
摘要

 由於真實的水下環境中存在相當複雜的通道響應,常使得水下通訊更加故適當的訊號處理與還原實屬必需。於陣列訊號處理的應用上,波束構成器因其具有抑制干擾信號,與還原期望信號的能力,所以在雷達、聲納、通訊等領域中均被廣泛地研究。本文以德州儀器公司所生產之32位元浮點運算數位訊號處理器晶片TMS320C40為核心處理器,於真實的水下環境中實現即時的適應性Frost束波演算。經由電腦模擬與實際水槽實驗,我們驗證Frost即時束波程式的正確性及評估實際應用於水下環境的可行性。


作者洪賢昇/國立台灣海洋大學電機工程學系副教授

   張啟文/國立台灣海洋大學電機工程學系碩士


應性方位估測應用於水中通訊之設
(第九卷第一期-水下通訊技術與資訊處理專輯)
摘要

 高解析度方位估測的研究一直是雷達、聲納和地震學的主要探討方向。高解析度方位估測的方法,利用訊號子空間的技術,如MUSIC演算法,但其需要龐大的計算量,為了減低計算量及做到即時追蹤的功能,可應用快速強解析度之可適性雜訊子空間運算法來達成,如可適性膨脹演算法,其收斂性及具有高度並行運算架構,其追蹤效果很好。本文主要將方位估測演算法以硬體方式實現,以瑋凌(Wavelink)公司所製作之C4D模組,內含德州儀器(TI)公司生產的TMS320C44數位訊號處理晶片,將可適性膨脹演算法載入C4D模組中,並發射窄頻弦波訊號及BPSK訊號,藉由水槽實驗來驗證理論及硬體架構之正確性及可行性,實驗結果可知水下麥克風接收弦波效果相當地好,故能正確估測訊號源方位,達到追蹤訊號源之目的。

作者:張順雄/國立臺灣海洋大學電機工程學系教授

   張麗娜/國立臺灣海洋大學商船學系副教授

   溫家炎/國立臺灣海洋大學電機工程學系碩士

   呂鋑宏/國立臺灣海洋大學電機工程學系碩士班研究生


水下通訊直訊展頻調變系統之研製
(第九卷第一期-水下通訊技術與資訊處理專輯)
摘要

 無線水下數位通訊系統在發射部分,基本架構包括數位資料產生器、編碼器、調變器、信號放大器等,再經由聲波發射器(projector)發出聲波訊號;接收機部分則以對應相逆的處理結構以取得資料,達成數據傳輸目的。本文主要探討水下通訊系統之數位調變技術,研究π/4DQPSK(變差式四象相移鍵)直序展頻技術應用於水下聲波無線通訊之模擬分析與實現方法。除了應用電腦模擬分析π/4DQPSK直序展頻通訊在水下通道下之傳輸性能外,並以數位訊號處理模組實現即時水下資料傳輸。


作者:呂福生/國立台灣海洋大學電機工程學系教授

   陳世賢/國立台灣海洋大學電機工程學系碩士班研究生

   陳富貴/台聯公司工程師


水下通訊系統等化器之設計
(第九卷第一期-水下通訊技術與資訊處理專輯)
摘要

 由於多重路徑衰減以及杜普勒效應,一個水下通訊通道可能呈現快速變化之特性。適應性等化器是普遍用來追蹤並等化水下通道的一種技術。在傳統的作法上,適應性等化器是經由重複接收從傳輸端送來的訓練訊號來追蹤通道的變化。然而,在訓練訊號造成過多額外負擔的一些情況下,這種技術就較不受歡迎。對於這種類型的應用,不求助於訊練訊號就能追縱通道變化的盲蔽等化器則較符合需求。在本論文中,我們提出一種盲蔽等化演算法。當應用在一個模擬的水下快速衰減通道時,所提出的盲蔽等化器比起LMS類型的盲蔽等化器在收歛速率及追蹤能力上都展現出較佳的性能。


作者:曾敬翔/國立台灣海洋大學電機工程學研究所副教授

   林誠斌/國立台灣海洋大學電機工程學研究所碩士


糊RLS/LMS RAKE接收機在水下通訊之應
(第九卷第一期-水下通訊技術與資訊處理專輯)
摘要

 在水下通訊研究中,我們提出模糊RLS/LMS RAKE接收機的架構,其中波道估測係使用模糊RLS/LMS濾波器。在架構上平行採用RLS與LMS兩種濾波器;於順向上使用RLS濾波器作即時訊號處理,而於逆向上則使用LMS濾波器來調整隸屬函數的參數。模糊RLS/LMS濾波器之輸出為在線性最小化均方誤差(LMMSE)的準則下融合RLS與LMS兩濾波器之輸出而得。此外,為使於環境變化時能適當地微調,及減低接收機複雜的訓練階段,我們以決策導向(decision directed)的方式進行後階段的系統調整。最後,進一步於數位訊號處理器TMS320C30上做一實現,驗證此架構即時處理的可行性。


作者:黃頂育/國立台灣海洋大學航運技術研究所研究生

   趙俊傑/國立台灣海洋大學航運技術研究所所長 


多工調變聲傳數據機系統
(第九卷第一期-水下通訊技術與資訊處理專輯)
摘要

 MATS多工調變聲傳數據機系統(Multimodulation Acoustic Telemetry System)是法國ORCA儀器公司開發,適於多種用途的聲傳數據機系統。因為它採用三種不同的調變方式,所以足夠在各種實際狀況中不同的應用。此外,MATS除了可根據區域聲場狀況來選擇最佳傳輸鮑率以外,更採用最流行的DSP技術,用以獲得可靠的資料傳輸。最後更進一步利用VITERBI演算法,克服惡劣環境下,嚴重之多路徑或雜訊所造成之傳輸干擾,使得訊號在淺海水域的資料傳輸,增加系統的可靠度。


作者 :張順雄/國立台灣海洋大學電機工程學系教授兼系主任

       王復台、戴志均、呂宏基、張世其、楊曜丞

氣象局強地動檢索系統
(第九卷第一期-水下通訊技術與資訊處理專輯)
摘要

 由中央氣象局與海洋大學電機系合作開發的強地動資料檢索系統已經上線運作。使用者可利用本系統瞭解國內各類結構物在某一時段內承受之強震。本文將對此系統之發展動機、系統特色等作一簡介,以促進國內工程及學術界對此一研究資源的瞭解。


作者:呂紹偉/國立台灣海洋大學電機系副教授

   辛在勤/交通部中央氣象局副局長

   郭鎧紋/交通部中央氣象局地震中心主任

   鄭聰貴/馬偕醫院電腦中心  

訪問高雄港務局游局長芳來談亞太海運轉運中心-高雄港之經濟策略及未來發展
(第九卷第一期-專訪)
摘要

 在讀者殷切期盼下,透過高雄港務局歐陽祕書的聯繫,本人於開春之際,將專訪列車駛向南台灣的高雄港,請該局局長游芳來先生就高雄港之經營策略及未來發展,作系列有條理的報導。游先生不但擅長航運企業管理知識,更熟悉各項業務的談判技巧,曾任交通部航政司司長。游局長在海運與港務方面具有豐富的經驗及專業知識,提升高雄港的作業效率及落實航港體制的改革,頗多貢獻。並於公暇之餘,潛修文學、企管、哲學及禪學等知識,對緣及因果有其獨特之見解。茲就本次專訪內容摘錄於下,與本刊讀者共享。


作者: 張順雄/國立台灣海洋大學電機系教授兼系主任

   「海下技術」季刊副總編輯  

VTMS海底水槽及其應用在泥沙研究上的成果
(第九卷第一期-論著)
摘要

 為了解海底積泥的臨介剪應力及懸浮率對時間及地域的可能變化,以VIMS 海底水槽在現場直接量測該兩項因素乃最正確實際的方法。1995年在巴爾地摩港 選擇了四個測站以了解該兩項因素對地域的變化,又在約克河內Claybank測站選擇了四個季節以了解該兩項因素對時間的變化。巴港的積泥顯示在內港的積泥懸浮率較外港的懸浮率大十倍左右,但差異隨超值剪應力的增加而減少。臨介剪應 力的大小似乎和是否有浮泥層有關:有浮泥時,臨介剪應力約為0.05Pa。無浮泥層時,臨介剪應力約為0.1Pa。約克河的積泥顯示積泥的臨介剪應力和懸浮率隨 季節的變化也相當顯著,相差更大於十倍以上。


作者:馬平亞/國立成功大學水利及海洋工程系訪問教授

   美國Virginia Institute of Marine Science, Dept. of Physical Sciences 教授 

高雄縣林園魚礁區礁體之搜尋定位與現況調查
(第九卷第一期-技術研究)
摘要

 水下目標物搜尋與定位作業是一項結合理論與現場實做的工作,含蓋之專業領域基本上可包括:海洋大地工程學、海洋地質學、物理海洋學、水下聲學、水下聲學儀器操作、定位與導航、影像資料判讀與處理等。此外,尚需配合豐富之海上作業經驗,方有可能圓滿達成任務。

  高雄縣林園外海地區之人工魚礁分布狀況可分為二區,其中林園第一魚礁區礁體分布範圍含蓋以22o27'N, 120o21'E為中心座標,最大半徑為400m之區域。區內礁體之以呈排列緊密之群狀分布為主,部分呈散點狀之線性分布。林園第二魚礁區礁體之分布範圍較大,基本上包含以22o27'N, 120o21.5'E為起點座標,呈東北-西南走向之帶狀區域,其總長度約為900m,而寬度約為100m。區內礁體之分布狀況,以單一礁體或三至五個礁體群聚呈散點狀線性分布為主。

 由探測成果顯示:探測區域海床地貌拼圖,對於水下目標物之整體定位精確度,有極大的助益。


作者:田文敏/國立中山大學海洋環境暨工程學系副教授

水中聲學發展簡史與主要海下探測儀器系統介紹
(第九卷第一期-報導)
摘要

 沒有科學史的科學哲學是空洞的;沒有科學哲學的科學史是盲目的」

—黃光國引述自Lakatos於1998.11.4「中山通識教育講座」演說「建立『學術實踐的主體性』」

  一般人對於聲音在水中應用的印象直接聯想到的是海下潛艇的導航 (guidance),由於導航是潛艇最基本的需求,因此可以說是水中聲音最普遍的用途之一,而依此目的所設計的儀器謂之航行聲納  (navigation sonar)。然而,還有很多一般人較不熟悉,為特殊目的所設計的各式各樣水中聲學儀器。因此,要想了解水中聲學之應用最方便的方法也許是從儀器認識開始。

 本文之主要目的在於介紹以聲學原理設計,應用在海洋環境中之主要儀器設備及這些儀器的應用。從簡短的水中聲學發展史開始,接著介紹現今先進主要聲學探測儀器之設計原理與目的,最後介紹目前國內與水中聲學研發有關的學術與研究機構。


作者:劉金源/國立中山大學海下技術研究所副教授

   黃千芬/國立中山大學海下技術研究所研究助理

   粘慶熙/國立中山大學海下技術研究所大學部助理

 

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