前言

自2008年7月起,國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心開啟了4年期的海洋科技發展計畫, 其中建置高頻雷達測流系統用來長期觀測台灣近岸周邊海域表層海流觀測為重點工作項目之一。 此海洋環境觀測平台的建置,不僅可推動並提升我國海洋科學研究的能量, 並且可提供海洋事務與災害防救單位研擬政策與緊急應變措施所需的環境背景資料, 期望發揮系統在海難搜救、海上溢油擴散、人道救援及決策訂定等公共利益、社會效益等海洋議題上有所助益。 因此,本中心戮力於推薦建置、維運及推廣高頻雷達測流系統產出。

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測流原理

高頻雷達測流原理

雷達(RADAR) 為英文Radio Detection and Ranging (無線電偵測和定距)的字首組成字, 其作用原理為將電磁能量以定向方式發射至空間之中,藉由接收空間內存在物體(稱『目標』) 所反射之電磁波,可以計算出該物體與雷達站之間的方位、距離及速度。 雷達系統回波分析之應用面甚廣,包含海面海流、波浪、風速、船艦、飛機、 閃電…等皆有可能從回波訊號中被萃取出來如圖1所示。

圖1 雷達回波所代表之實質物理意涵示意圖。

而台灣海洋中心所建置的高頻雷達測流系統(以下稱本系統)以海洋表層海象觀測為目標, 藉由所觀測到之波浪相速度與深水波理論相速度的差異,計算出表面海流的流速及流向, 因此系統由回波訊號進行演算過程中,將船艦、電離層等訊號視為噪訊、干擾而加以濾除。

高頻(High Frequency ,簡稱HF)雷達波的頻率範圍為3MHz 至30MHz, 對應波長為100 公尺至10 公尺,與海面上波浪的波長相近, 且垂直偏極化的高頻電波信號可在海洋表面傳播至視距外, 因此被利用來當成測量海洋波浪及流速之工具。 雷達波碰到海洋表面凸出物(例如波浪)時,會朝各方向散射。 但當海面上波浪之波長為電磁波波長一半的整數倍時,因疊加效應, 將會朝入射波的反方向產生能量較大的反射波,此現象稱為布拉格散射(Bragg scattering), 其共振條件公式可表示如 其中λw為海面波浪的波長,λ 為雷達波波長,n為整數,因已知所發射雷達波之波長, 故可得所觀測波浪之波長。測量波速的方法為利用都卜勒效應, 當訊源(雷達站)與目標物(波浪)之間在連線方向(或稱為徑向方向)上有相對速度時, 則反射回來的雷達波將有頻率位移的現象,亦即 其中fD為都卜勒頻偏,V 為波浪於徑向方向上的速度。

圖2 雷達波與海面波關係。

而觀測到的波浪速度除了波浪本身的深水波理論波速之外,還受到表面海流的影響 其中g 為重力加速度,U 為表面海流的徑向流速,根號部分是波長為λw之波浪的相速度,正、負符號分別代表行進方向為靠近或遠離雷達站之方向。當n=1 時,由(1 )、(2) 、(3)式可得出 其中僅有U 為未知數。圖3 為本系統實際量測之反射波互譜,包括了兩個明顯的第一階能量峰值以及其他次階的峰值。經由此二峰值對應的都卜勒頻移量,即可由(4)式計算出表面海流之徑向流速。若有兩座設置於不同地點之雷達站對相間海域進行量測時,可得到兩個不同徑向方向的流速,據以合成實際的表面流速及流向。

圖3 雷達反射波譜例。

CODAR SeaSonde系統以獨特的天線設計來判別反射波方向,也就是利用三支相互垂直的接收天線組成,一支與地面垂直,另兩支與地面水平,如圖4 所示。這三支天線可產生如圖5 所示的三組場型(pattern) ,垂直天線形成一圓形場型,水平天線則各產生一組一正一負場型。藉由反射波彼此三組場型所接收到的振幅以及相位,即可得知反射波的方向。

圖4 集成式接收天線示意圖。
圖5 天線場形示意圖。

雷達判斷目標物距離之方式,是利用電磁波發射與接收之來回時間差, 乘上光速再除以2 而得。本系統採用連續變頻方法取得與目標物之間的距離, 發射機在一個發射週期內(通常為1 秒),由起始頻率開始,連續發射並調高頻率, 直到所設定的頻寬為止。此時接收機接收到的,亦為連續變頻但具有時間差的電磁波如圖3, 將發射與接收之信號兩者相減,即可得到與目標物之間的距離, 本系統以這種方式在空間上建立距離間隔(Range Cell),頻寬越寬, 則距離間隔越小,空間解析度則越高,其關係為

其中RC為每環狀區域距測站之距離,單位為公里,BW為頻寬,單位為kHz。 至此,以得出目標物之速度、方位及距離,達成以雷達觀測表面海流之目的。

然而,單一高頻雷達測流系統測站所觀測到相對該測站之徑向流速後,海域表層海流之流速、流向至少需要兩個測流系統同時覆蓋相同測區來達成,徑向測站位置關聯及流速合成如下圖6示意。

圖6 測站流速合成示意圖。