TWM466267U - 分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統 - Google Patents

Description

分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統

本創作是有關於一種分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統，特別是有關於一種能夠以微波雷達測量海岸線位置、空間波浪場及流場之系統。

近年來，氣候變遷影響全球海洋表面溫度上升，海水位也有逐漸上升的趨勢，極端事件發生的頻率也有逐漸增加的趨勢，對海岸造成越來嚴重的災害威脅，其中以極端事件對海岸的衝擊較大。極端事件指不同於氣候平均態的變化，這些突發性天氣事件對所經過海域的海洋水動力、海洋水文、化學及生物等過程將產生脈衝式擾動，從而改變陸-海、海-氣、海水-沉積物等介面之間的物質和能量交換，對於海岸的自然環境同時產生物理性質、生物化學與生態性質的衝擊，極端事件的發生頻率或強度有關的任何變化都可能立即對自然環境和社會產生重大影響。其中物理性質的衝擊產生如海岸侵蝕和海岸溢淹可能對沿居民安全產生嚴重且立即性的威脅，為了提升海岸安全及保護，對於海岸災害的了解便顯得重要。

習知為了能夠了解海岸地形變化的情況，主要測量的方式係利用水準儀測量高程及GPS定位進行現場測量，但由於需要大量人力 與時間，因此無法有效進行大範圍的調查。

更有習知航空測量方式係於飛機上裝載雷達、光達、多光譜儀和攝影機等觀測儀器，用來測量海岸線位置及繪製海岸地形，可觀測大範圍面積，惟出航時需配合天氣狀況，且無法長時間取得定點即時資訊。

此外，衛星遙測為近年來主要的地形測量方式之一。觀測儀器包括合成孔徑雷達、光達、多光譜儀等多項儀器，比起航空測量更容易取得大範圍資料，且不受天氣影響、不侷限日夜，惟不同衛星週期約24~44天，同樣無法於長時間取得定點即時資訊。

有鑑於上述習知技藝之問題，本創作之目的就是在提供一種分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統，以即時且長時間地掌握空間海洋波流場及海岸線的變化。

緣是，為達上述目的，本創作提出一種分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統，用以對海洋及陸地交界之觀測區域進行觀測，此雷達觀測系統至少包含雷達單元、訊號處理單元、傳輸單元及顯示單元。

其中，雷達單元係發射微波訊號至觀測區域，以及接收觀測區域所反射之回波訊號。此雷達單元可例如為X頻段微波雷達或S頻段微波雷達。前述之X頻段微波雷達之頻率範圍介於8GHz~12GHz，而S頻段微波雷達之頻率範圍介於2GHz~4GHz。

續言之，訊號處理單元電性連接雷達單元，用以將回波訊號轉換 成雷達回波運算影像，並且對雷達回波運算影像進行影像處理以取得等值線(Contour line)，此等值線即為海洋及陸地交界之海岸線之位置，而雷達回波運算影像係對時間分散程度之運算。其中，訊號處理單元係將回波訊號轉換成雷達回波影像，進而對雷達回波影像進行座標轉換及時間分散程度之運算以取得雷達回波運算影像。因此，藉由雷達單元對陸地、海洋之反射及散射特性差異以測量海岸線之位置。

前述之雷達回波影像之座標系為極座標系(Polar coordinates system)，而雷達回波運算影像之座標系為笛卡兒座標系(Cartesian coordinates system)。

續言之，傳輸單元電性連接訊號處理單元及雷達單元，以分別傳輸等值線、雷達回波運算影像及回波訊號至伺服端，並且藉由顯示單元電性連接伺服端以顯示等值線、雷達回波運算影像及回波訊號。

此外，訊號處理單元更可對雷達回波影像進行運算處理以取得觀測區域之空間波浪場及流場。其中，空間波浪場及流場可藉由三維傅立葉轉換及波浪理論進行運算而取得。

此外，訊號處理單元更將觀測區域於某一時間區間內之水位變化值代入等值線對時間之關係後作時間之平均，以取得潮間帶垂直高度變化。因此，藉由雷達單元設置於海岸線之觀測區域可定點且長時間掌握海岸線之位置變化及潮間帶垂直高度變化。

承上所述，本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達 觀測系統，其可具有一或多個下述優點：

(1)此分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統可藉由雷達單元對陸地、海洋之反射及散射特性差異以測量海岸線之位置。

(2)此分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統藉由雷達單元設置於海岸線之觀測區域可定點且長時間掌握海岸線之位置變化及潮間帶垂直高度變化。

(3)此分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統更可藉由觀測區域之雷達回波影像以取得觀測區域之空間波浪場及流場。

100‧‧‧雷達單元

200‧‧‧訊號處理單元

300‧‧‧傳輸單元

400‧‧‧伺服端

500‧‧‧顯示單元

S10~S130‧‧‧步驟

10‧‧‧雜訊

20‧‧‧等值線

30‧‧‧等值線

第1圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之系統方塊圖。

第2圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統取得雷達回波運算影像之流程圖。

第3圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統測量海岸線及潮間帶地形之流程圖。

第4A圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之雷達回波運算影像。

第4B圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之第4A圖紅框範圍之雷達回波運算影像。

第4C圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達 觀測系統之高反差影像。

第4D圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之濾波影像。

第4E圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之邊緣化影像。

第5A圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之空間波浪場之示意圖。

第5B圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之流場之示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第1圖、第2圖及第4A圖，第1圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之系統方塊圖。第2圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統取得雷達回波運算影像之流程圖。第4A圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之雷達回波運算影像。此雷達觀測系統至少包含雷達單元100、訊號處理單元200、傳輸單元300及顯示單元500。

其中，雷達單元100係用以發射微波訊號至海洋及陸地交界之觀測區域，以及接收觀測區域所反射之回波訊號。此雷達單元可例如為X頻段微波雷達或S頻段微波雷達，其中，X頻段微波雷達之 頻率範圍可例如介於8GHz~12GHz，而S頻段微波雷達之頻率範圍可例如介於2GHz~4GHz。

在使用雷達單元100觀測前，必須先決定雷達單元100之盲區(S10)、雷達強度校正(S20)及雷達天線轉速校正(S30)。由於雷達觀測時會受到雷達儀器本身的限制，在接近雷達處會有觀測不到的區域，稱之為「盲區(blind area)」，其中盲區為雷達單元100至觀測目標之水平距離，而主要影響盲區的兩個因素為脈波長度(Pulselength)及波束寬度(Beamwidth)。

脈波長度為雷達單元100打出電磁波所需之時間，且必須滿足2y/c=P₁，其中y為電磁波從雷達單元100行進至觀測目標之距離、c為光速、P₁為雷達單元100打出電磁波所需之時間。因此，藉由雷達單元100距海平面之垂直高度及電磁波從雷達單元100行進至觀測目標之距離即可利用三角函數關係式得到脈波長度所決定之盲區。

續言之，波束寬度則為雷達單元100所發出之電磁波所涵蓋的角度，同樣利用三角函數關係式即可得到波束寬度所決定之盲區。得到由脈波長度及波束寬度所決定之盲區後，以距離較長者為決定盲區之距離。

在決定雷達單元100之盲區後，接著進行雷達強度之校正(S20)。雷達強度之校正係為獲得絕對雷達回波強度，以避免距離雷達單元100較遠之物體因回波強度的衰減程度高而不顯著。其中，回波強度係利用率定校正(Calibration Approach)方法，藉由雷達 單元100的電磁波傳播至以之截面積大小之目標物，以記錄目標物反射之回波強度。

接著，雷達單元100在觀測的運作過程中，理想狀態之雷達天線係以等速度作旋轉，如此一來，雷達單元100所發射之電磁波便能在空間上均勻的分佈。但是，實際上雷達天線之旋轉速度會受到外在環境(如陣風)的影響。因此，依據雷達電磁波射線所分佈的角度作調整與線性內差後，便可將電磁波射線校正於正確的空間分佈(S30)，以排除因環境因素所導致雷達天線旋轉速度不同而產生的誤差。

訊號處理單元200電性連接雷達單元100，以取得雷達單元100所接收之回波訊號後(S40)，訊號處理單元200將回波訊號進行座標轉換(S50)以取得座標轉換影像後，進行標準偏差計算(S60)以取得如第4A圖之雷達回波運算影像。

由於雷達回波影像係以極座標(Polar coordinates)之方式呈現，因此必須將極座標轉換成笛卡兒座標(Cartesian coordinates)。如此一來才能夠與地籍資料套疊而得到經緯度之大地座標。透過大地座標之方式呈現便可清楚知道雷達探測範圍內實際位置之回波強度。

標準偏差計算(standard deviation)(S60)係計算座標轉換影像之回波強度對時間之標準偏差以取得如第4A圖所示之雷達回波運算影像，其中縱軸、橫軸為經緯度，而色條(color bar)為標準偏差值。其標準偏差公式為：

其中，x_i為單位像元之回波強度值、為單位像元之平均回波強度值、N為資料筆數。

其中，雷達回波運算影像係對時間分散程度之運算，本創作實施例係以標準偏差之運算為例，亦可以方差(variance)或變異係數(coefficient of variation)等方式運算，惟本創作不限於此。

第4A圖之雷達回波運算影像係以桃園新屋臨海工作站前之海灘為例。由第4A圖可發現，陸地部分之標準偏差值都非常小，而海面之標準偏差值則相對大的許多。因此，藉由陸地及海洋之回波特性不同(如鏡面反射、多重反射、雷利散射、米氏散射及布拉格散射等)，便可透過此雷達回波運算影像區別陸地及海洋之位置。

請參閱第5A圖及第5B圖，第5A圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之空間波浪場之示意圖。第5B圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之流場之示意圖。

訊號處理單元200更可將雷達回波影像例如藉由三維傅立葉轉換作為分析基礎並配合波浪理論(Wave Theory)作為運算法則之分析軟體，對雷達回波影像進行運算處理而取得觀測區域之如第5A 圖之空間波浪場及第5B圖之流場(S55)。其中，縱軸、橫軸為經緯度，第5A圖及第5B圖中之箭頭分別為空間波浪場及流場之流向。

請參閱第1圖及第3圖至第4E圖，第3圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統測量海岸線及潮間帶地形之流程圖。第4A圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之雷達回波運算影像。第4B圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之第4A圖紅框範圍之雷達回波運算影像。第4C圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之高反差影像。第4D圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之濾波影像。第4E圖係為本創作之分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統之邊緣化影像。

以第4A圖之紅框範圍為例，訊號處理單元200擷取第4A圖之紅框範圍之觀測區域之雷達回波運算影像而得到如第4B圖之雷達回波運算影像(S70)。其中，第4B圖之雷達回波運算影像之縱軸、橫軸為經緯度，色條為標準偏差值。

訊號處理單元200進而對第4B圖之雷達回波運算影像進行高反差處理以取得如第4C圖之高反差影像(S80)。其中，高反差處理係將第4B圖之雷達回波運算影像作像元強度的機率統計分佈，以取得機率統計分佈中之鞍點(saddle point)作為區分陸地與海洋的門檻值作高反差處理。

第4C圖之高反差影像之色條為高反差強度，此高反差強度為0與1，而縱軸、橫軸為經緯度。

接著，訊號處理單元200對第4C圖之高反差影像進行雜訊過濾以取得如第4D圖之濾波影像(S90)。其中，雜訊過濾係可例如以中值濾波(median filtering)過濾雜訊10，其係將二維影像取觀察窗(3乘3的子影像)，將觀察窗中的9個數值作排列，並於觀察窗中間的像元以9個數值的中位數取代。

第4C圖之高反差影像可例如將雜訊10過濾以得到第4D圖之濾波影像。其中，第4D圖之濾波影像之色條為高反差強度，此高反差強度為0與1，而縱軸、橫軸為經緯度。

接著，訊號處理單元200對第4D圖之濾波影像可例如以Canny法、Laplacian法、Soble法等邊緣偵測運算子之方法進行邊緣化處理以取得如第4E圖之邊緣化影像(S100)，第4E圖之邊緣化影像之色條為邊緣化強度，此邊緣化強度為0與1，而縱軸、橫軸為經緯度。其中，第4E圖之邊緣化影像包含複數條等值線(Contour line)20、30。

接著，訊號處理單元200擷取第4E圖之邊緣化影像中最靠近陸地之等值線30(S110)，其中此最靠近陸地之等值線30即為海洋及陸地交界之海岸線之位置。因此，可藉由雷達單元100對陸地、海洋之反射及散射特性差異以測量海岸線之位置。

由於海岸線之位置會受潮位的影響而隨著時間變化，因此訊號處理單元200更可依據等值線對時間之關係以取得海岸線於某一時 間區間內之海岸線之位置變化值(S120)。

接著，訊號處理單元200將觀測區域於此一時間區間內之水位變化值代入位置變化值後，便可得到不同時間之海岸線位置及垂直高度資料(S130)。進而可於欲求得之時間區間內作時間之平均以取得潮間帶垂直高度變化，此潮間帶垂直高度變化係為不同離岸距離潮間帶地形之垂直高度的變化情況。因此，藉由微波雷達設置於海岸線之觀測區域可定點且長時間掌握海岸線之位置變化及潮間帶垂直高度變化。

此外，透過此雷達觀測系統持續的運作，並且藉由至少兩個不同時間點的海岸線及海岸地形觀測資料進行比較，即可分析海岸地形之變遷。

續言之，此雷達觀測系統更可藉由傳輸單元300電性連接訊號處理單元200及雷達單元100，以分別傳輸等值線、雷達回波運算影像及回波訊號至伺服端400，並且藉由顯示單元500電性連接伺服端400以顯示等值線、雷達回波運算影像及回波訊號。

前述之傳輸單元300傳輸空間海洋波流場及海岸線位置等資訊及雷達回波訊號至伺服端400之方式可例如選自由藍芽(Bluetooth)、群蜂技術(Zigbee)、無線射頻(Radio Frequency，RF)、無線網路通信的工業標準(Wireless fidelity，Wi-Fi)、全球互通微波存取(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)、整合封包無線電服務(General Packet Radio Service，GPRS)及第三代行動通訊技術(3rd-generation，3G)所組成之 族群。

前述之顯示單元500可例如為液晶顯示器、場發射顯示器、電漿顯示器、電致發光顯示器或真空螢光顯示器。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本創作之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

100‧‧‧雷達單元

200‧‧‧訊號處理單元

300‧‧‧傳輸單元

400‧‧‧伺服端

500‧‧‧顯示單元

Claims (10)

1. 一種分析空間海洋波流場及海岸地形變遷之雷達觀測系統，用以對海洋及陸地交界之一觀測區域進行觀測，該雷達觀測系統包含：一雷達單元，係發射一微波訊號至該觀測區域，以及接收該觀測區域所反射之一回波訊號；一訊號處理單元，電性連接該雷達單元，用以將該回波訊號轉換成一雷達回波運算影像，並且對該雷達回波運算影像進行一影像處理以取得一等值線，其中該等值線即為海洋及陸地交界之海岸線之位置，而該雷達回波運算影像係對一時間分散程度之運算；一傳輸單元，電性連接該訊號處理單元及該雷達單元，以分別傳輸該海岸線、該回波訊號及該雷達回波運算影像至一伺服端；以及一顯示單元，電性連接該伺服端以顯示該海岸線、該回波訊號及該雷達回波運算影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雷達觀測系統，其中該訊號處理單元更將該觀測區域於一時間區間內之一水位變化值代入該等值線對時間之關係後作時間之平均，以取得一潮間帶垂直高度變化。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雷達觀測系統，其中該訊號處理單元係將該回波訊號轉換成一雷達回波影像，進而對該雷達回波影像進行一座標轉換及該時間分散程度之運算以取得該雷達回波運算影像。
4. 如申請專利範圍第3項所述之雷達觀測系統，其中該訊號處理單元更對該雷達回波影像進行一運算處理以取得該觀測區域之一空間波浪場及一流場，其中該傳輸單元係傳輸該空間波浪場及該流 場至該伺服端，並且藉由該顯示單元顯示該空間波浪場及該流場。
5. 如申請專利範圍第4項所述之雷達觀測系統，其中該運算處理係藉由三維傅立葉轉換及波浪理論進行運算而取得該空間波浪場及該流場。
6. 如申請專利範圍第3項所述之雷達觀測系統，其中該雷達回波影像之座標系為極座標系。
7. 如申請專利範圍第6項所述之雷達觀測系統，其中該雷達回波運算影像之座標系為笛卡兒座標系。
8. 如申請專利範圍第1項所述之雷達觀測系統，其中該雷達單元為一X頻段微波雷達或一S頻段微波雷達。
9. 如申請專利範圍第8項所述之雷達觀測系統，其中該X頻段微波雷達之頻率範圍介於8GHz~12GHz。
10. 如申請專利範圍第8項所述之雷達觀測系統，其中該S頻段微波雷達之頻率範圍介於2GHz~4GHz。