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海下科技研究所海下音傳實驗室
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地音反算研究

地音反算研究

    由於海床地音參數對於海洋音傳研究有著高度的影響力,若無法掌握海床表層沉積物特性,則無法正確預估聲波之傳播過程與能量分佈。本實驗室自2008年與美方學者合作進行Quantifying, Predicting, and Exploring Uncertainty (QPE)國際合作研究時即開始投入進行地音反算之研究,包含發展地音反算理論與技術、探討海床地形對於地音反算之影響、以及發展海床掃頻聲納系統。在海洋音傳與地音反算兩大研究方向並行之過程中,除了地音反算成果可作為海洋音傳研究之基石以外,海洋音傳研究亦成為地音反算分析過程中強而有力的幫補,使地音反算研究中聲波傳播計算具有更高的正確性與掌握度。

1.地音反算理論與分析技術發展     

  國際合作對象:Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI)

    --Dr. Ying-Tsong Lin

 

本實驗室在地音反算研究上首先投入研究如何以掃頻聲納之量測訊號準確地反算表層沉積物之參數值,包含透水率、孔隙率、粒徑大小,以及對聲波傳播相當重要的聲速、密度、以及吸收係數等,研究成果於2013年刊登於IEEE Journal of Oceanic Engineering網站上(2015年紙本出刊)。本研究主要以掃頻聲納系統探測北棉花峽谷附近海域,並利用掃頻聲納量測得之海床正向反射回波資料進行地音反算,由於反算過程需運用正確的地音聲學模型,因此本實驗室基於Biot地音聲學模型(多孔彈性體理論),結合其延伸模型Effective Density Fluid Model (EDFM)與遞迴分析法,建置了地音反算模式。在此地音反算模式中,以量測得之正向反射係數與吸收係數為輸入,依序計算其孔隙率和透水率,透過地音模型與遞迴分析法的重複計算,在透水率收斂之條件下獲得地音參數值。

基於上述反算方法,本研究可獲得掃頻聲納探測路徑上之反算聲速與密度如 5所示。由於此地音參數之線分佈狀況不足以應用在聲學分析上,因此本研究更進一步使用Objective Mapping方式將此線分佈投影至二維平面上,獲得了反算聲速、密度與吸收係數之二維分佈,以及其標準差,如 6所示,此結果可直接運用於聲學數值分析與資料解讀中,對海洋音傳研究有實質具體的助益。

 

(a)(b)

 5、掃頻聲納探測路徑上之反算(a)聲速與(b)密度

 

本研究中無論是反算模式之建立或資料之分析與驗證都獲得審查者之高度肯定,也為後續地音反算研究奠定了良好的基礎。

 

 6、使用Objective Mapping所獲得之反算聲速(a)及其標準差(b)

 

2.掃頻聲納於海底沙丘環境之運用問題研究

本實驗室研究內容主要討論南海陸坡上特殊之沙丘地形對於掃頻聲納探測所造成之誤差,包含垂直反射係數之誤差,以及反算所得之底床聲速與密度之誤差。由於掃頻聲納近年來被大量運用於海床探測,包含海床層次結構解析以及海床物理參數反算,但大尺度地形起伏對於掃頻聲納運用之影響卻尚未被清楚定義與發表。本研究利用自行發展之掃頻聲納,於南海陸坡沙丘環境與平坦地形中量測回波訊號以做比較。由實驗資料中可發現沙丘環境的地形型態會使得正向傳遞的聲波碰及沙丘邊界後產生散射與聚焦,使得同樣的底床材質卻因界面的不規則造成了回波能量的不穩定,因此造成了正向反射係數的不穩定。最後將不穩定的正向反射係數代入多孔彈性體理論的反算流程,最後得到沙丘環境中底床物理與地音參數錯估的結果( 10所示)

本期刊論文為第一篇以實驗資料呈現沙丘地形對於掃頻聲納回波影響之論文,此研究發表點出底床樣貌(bedform)對於正向反射係數量測的衝擊性,在工程上正是一般市售底床剖面儀運用會遭遇的問題,促使海床反算研究團體開始思考沙丘海域及其他具有大尺度起伏地形海域之海床研究問題,以在理論、模式、及量測上發展更完整之海床聲學反算方法,因此此研究成果為本實驗室之重要貢獻。

 

 10、以簡化多孔彈性體理論反算流程所估算的地音參數,清楚看出地貌的影響(左與右的比較)。