海床掃描之利器 - 側掃聲納系統 Side Scan Sonar System

1. 海床掃描之利器-側掃聲納系統 Side Scan Sonar System 側掃聲納系統主要是提供海底地貌影像。其作業原理是將音鼓放置於流線型載具兩側，此載具俗稱拖魚(Tow Fish)向海底釋放聲波，經海底反射回之訊號由側掃聲納儀處理後，類似光學攝影般記錄成測音圖。主要應用於海床地貌、海底電纜、管線舖設及監測海底障礙物如礁石、人工魚礁、沉船等之調查研究。 本系統可調整側掃範圍，最寬可至600公尺；另可依解析度需要調整 100 KHz 或 500 KHz 頻率。 側掃聲納最大的特色在於扇形聲波 利用線狀的音鼓陣列同時發射聲波，每個音鼓皆可視為一個點波源以球面擴散的方式向周圍傳遞 線狀的 音鼓陣列 當各點波源所發射的聲波訊號其相位(phase)相同就產生建設波，而相位相反則相互牴觸形成破壞波，這樣的作用在直線排列的各個音鼓就會產生盤狀的波形。 Klein 3000 Tow Fish 扇形聲波 海床聲波感應條帶 第一個回波點 國立中山大學 海洋科學院 提供 第一個回波後 接著兩個回波 海水面 側掃聲納拖魚 陰影區 海底火山 海床（海底） 沉船 標定錨鏈 上圖為沉沒的漁船，影像中黑灰部分為船體(黑線區域)，隨之在其上方白色影像為陰影帶。其在船體上可見紅色箭頭標示，為船艙蓋。 上圖船隻拋錨勾到其他的障礙物，無法起錨而截斷遺留於海床上，可利用側掃聲納掃描並予以標定位置。上圖左側為起錨時在海床上拖拉所造成的底痕(約為70公尺長)，右側連續線條狀則為錨鏈(約為80公尺長)。 沉船 沉沒的潛艇 礁石、砂、泥底質判定 Herbert D. Maxwell沉船, 沉沒於 Chesapeake Bay, 1910年5月16日, 本圖取自 http://celebrating200years.noaa.gov/transformations/hydrography/side2.html 沉沒的潛艇 USS O-9, the bow is to the left and the conning tower casts a long white acoustic “shadow“,本圖取自 www.nurc.uconn.edu/About/Events/event0010/ 方形的人工魚礁 海床上管線檢查 上圖左下角紅色多邊型區域為礁石，白色箭頭表示相對強回散射訊號區域，隱喻該底質顆粒以砂為主；黑色箭頭表示相對弱回散射訊號區，以泥為主。 黑色箭頭為人工魚礁分布的位置；紅色箭頭表示人工魚礁突起海床所形成的陰影帶。 國科會50 科學之旅：開啟神秘海洋之鑰 — 研 究 船 及 探 測 儀 器 展 2009年08月01、02日 高雄駁三倉庫（駁二藝文特區）

2. 前 言 海洋實驗場之聲波檢校體探測 由於海洋占地球表面積超過百分之七十，且隨著人類文明的進步與經濟、工業及民生需求的增加，這數十年來陸上資源的開發也到了幾近飽和與枯竭的地步，向海洋發展已成為目前的趨勢；然而水下資源的探勘與調查如同探索太空一般，需仰賴高科技的儀器與設備來輔助方能達成，聲納系統即是其中一項廣為水下探勘領域所使用的裝備，是故相關水下探勘設備的運用與探測技術的精進將是未來海洋疆土拓展歷程中的重要關鍵。 進行實海域探測前，若能先對已知目標物進行探測訓練，將有助於實海作業時能更快進入狀況，因而建立了西子灣海洋實驗場來進行實海作業前的測試準備工作；於其內佈放有聲波檢校體來作為人工目標物，以研究如何規劃探測路線，並整合各探測儀器特性，藉此來達到較高探測效率與辨識率。 聲波檢校體(貨櫃改裝) 搜尋與辨識策略 海洋實驗場 由於搜尋的目標沒有明確的資訊，搜尋作業如同大海撈針，所以必須建立一套搜尋與辨識策略；此策略流程分為三個階段，分別為：「初勘」、 「複查」、 「精查」，以有系統的進行搜尋探測作業，期能增加搜尋效率與辨識能力。 初勘：其主要目的在於大範圍探測，並使用各種儀器探測海床 上、下之可能目標物，以不錯過任何可能目標物為原則。 複查：針對各項儀器之特性，分別進行高解析度聲納影像之探測，取得該目標之細部特徵，並精準定位該目標。 精查：經由複查所獲得之細部特徵與精準定位後，可以由潛水人員或是ROV進行影像拍攝，做最後確認工作。 檢校體探測測線 SB探測影像 儀器介紹 側掃聲納 Klein 3000 SSS測得檢校體影像 側掃聲納系統是在拖曳載體兩側安裝能換器來向兩側發射橫側向寬、沿側向窄的高頻聲波，並接收回傳之聲波訊號，分析後用高解析影像呈現探測結果；主要用於探測海底地形掃描海床目標物搜尋。 地層剖面儀 SB-216 地層剖面儀是具有高功率聲波發射器與接收器的儀器，可提供高解析度地層剖面資料，觀察海床下地層剖面的細微變化；其主要功能在於海底地層組織結構描繪，另一方面可以藉由垂直剖面了解目標物高度與掩埋狀況 。 掩埋物探測作業 過港隧道之SB影像 高雄港內的過港隧道完全掩埋在海床下，所以利用隧道當作掩埋目標物，進行掩埋物探測訓練；由於過港隧道使用大量鋼材建造，所以於搜尋時使用磁力儀量測磁場變化，作為輔助驗證之用。 隧道之磁力反應 過港隧道 聲納系統於水下探測上的應用 －以西子灣海洋試驗場探測為例 結 論 • 目前探測成果可以驗證聲納技術應用於水下探測具有實用及可靠性，藉由在實驗場內所累積的探測經驗，可提高目標物探測機率。 • 實海域探測作業受限於天氣，需要有平穩的海況才能收集到品質良好的聲納影像資料，來供後續進行詳細得分析與判釋。 • 建立工作日誌，詳細的紀錄探測進行時的整個作業過程將有助於日後資料 分析與儀器設備的參數調校。 國科會50 科學之旅：開啟神秘海洋之鑰 — 研 究 船 及 探 測 儀 器 展 2009年08月01、02日 高雄駁三倉庫（駁二藝文特區）