TWM549869U - 即時漂砂及水位觀測設備 - Google Patents

Description

即時漂砂及水位觀測設備

本創作係提供一種即時漂砂及水位觀測設備，尤指一種透過浮標以量測水域之即時漂砂濃度及水位高度變化者。

按，漂砂濃度之量測，可予觀察水域地質受波浪、水流等作用在底床附近運移情形，亦可用於觀察海床液化之程度及現象，以利觀測海床地質之穩定程度，並可利於海洋之工程規劃及施工參考。

惟此，習知對於漂砂濃度之量測，通常皆係於現場透過人工方式定點佈設濁度計或水質儀，然而，濁度計或水質儀僅能測量佈設深度之漂砂濃度，並無法測量水域整體剖面之漂砂濃度；再者，受限於需人工現場進行儀器之操作，故其並無法進行即時或長時間之測量，導致其適用性受到極大之限制，且對於操作人員而言，亦存有安全上之疑慮。

有鑑於此，本創作人特地針對漂砂濃度進行即時且長時間之量測加以研究及改良，期以一較佳設計改善上述問題，並在經過長期研發及不斷測試後，始有本創作之問世。

爰是，本創作之目的係為解決前述問題，為達致以上目的，吾等創作人提供一種即時漂砂及水位觀測設備，其包含：一浮標，其設有至少一觀測裝置及一處理單元；所述觀測裝置具有至少一聲波產生裝置及一聲波接收裝置；該處理單元界定有複數漂砂濃度值，且所述漂砂濃度值係相依於聲波收發之強度關係；所述聲波產生裝置係朝該浮標底部之水域發出聲波，而所述聲波接收裝置係收受經水域反射之聲波；該處理單元係藉由所收受聲波之強度值，以推算相對應之所述漂砂濃度值。

據上所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，所述漂砂濃度值係相依於聲波收發之強度值及頻率值、所述聲波產生裝置之特徵尺度參數、所述聲波產生裝置與一測量標的之距離值、水的吸收系數、水之溫度，以及沉積物衰減係數；且該處理單元係界定有所述特徵尺度參數、距離值、吸收系數、溫度及沉積物衰減係數，藉以依據所發出聲波及所收受聲波之強度值及頻率值，以推算相對應之所述漂砂濃度值。

據上所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，該處理單元係藉由所述強度值、特徵尺度參數、距離值、吸收系數及溫度以求得一水體背散射修正值（water-corrected backscatter, WCB），並將該水體背散射修正值與漂砂濃度值之相依性進行相關性回歸，藉以求得對應之漂砂濃度值。

據上所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，該處理單元係藉由所述強度值、特徵尺度參數、距離值、吸收系數及溫度以求得一水體背散射修正值（water-corrected backscatter, WCB），並藉由該水體背散射修正值及沉積物衰減係數以求得一沉積物背散射修正值（sediment-corrected backscatter, SWCB）之斜率，並將該沉積物背散射修正值與漂砂濃度值之相依性進行相關性回歸，藉以求得對應之漂砂濃度值。

據上所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，該其中，該沉積物衰減係數係藉由所述水體背散射修正值及該距離值進行最小平方法線性回歸之斜率而求得者。

據上所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，所述觀測裝置為都卜勒流剖儀（Acoustic Doppler Current Profilers, ADCP），且所述聲波產生裝置為相對應之音鼓。

據上所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，該浮標底部更設有至少一支架，該支架相對該浮標一端組設有所述觀測裝置，且所述觀測裝置係與該浮標底部具有一間距。

據上所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，該處理單元更耦接一慣性感測裝置，該慣性感測裝置係量測該浮標之運動狀態，且該處理單元係依據該所發出聲波及所收受聲波之時間差，以及該運動狀態以求得一水位值。

據上所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，該浮標底部更設有一濁度量測裝置，該濁度量測裝置係耦接於該處理單元，且該濁度量測裝置之位置係低於所述觀測裝置。

據上所述之即時漂砂及水位觀測設備，更包含一陸上資訊站，該陸上資訊站設有一通訊單元，而該處理單元耦接一通信裝置，該通訊單元係訊號連結於該通信裝置，該處理單元係透過該通信裝置及該通訊單元，藉以將所述漂砂濃度值即時回傳至該陸上資訊站。

是由上述說明及設置，顯見本創作主要具有下列數項優點及功效，茲逐一詳述如下：

1.本創作藉由將觀測裝置裝設於浮標底部，藉可透過該所收受聲波之強度值，藉可直接推算出相對應之漂砂濃度值，而藉由所發出聲波及所收受聲波之時間差及浮標之運動狀態以求得水位值；藉此，透過將浮標設置於所欲量測之水域，即可全時且即時量測所置放水域之漂砂濃度值及水位值，並能將所量測之資訊立即回傳至陸上資訊站，以利相關人員可即時獲得量測資訊；且對於漂砂濃度及水位之量測過程，皆無須透過人工進行實地測量，藉可降低所耗之人力及時間成本。

本創作係一種即時漂砂及水位觀測設備，其實施手段、特點及其功效，茲舉數種較佳可行實施例並配合圖式於下文進行詳細說明，俾供 鈞上深入瞭解並認同本創作。

首先，請參閱第1圖及第2圖所示，本創作係一種即時漂砂及水位觀測設備，其包含：

一浮標1，其設有至少一觀測裝置2及一處理單元3；所述觀測裝置2具有至少一聲波產生裝置21及一聲波接收裝置22；該處理單元3界定有複數漂砂濃度值，且所述漂砂濃度值係相依於聲波收發之強度關係；所述聲波產生裝置21係朝該浮標1底部之水域發出聲波，而所述聲波接收裝置22係收受經水域反射之聲波；該處理單元3係藉由所收受聲波之強度值，以推算相對應之所述漂砂濃度值（Suspend Sediment Concentration, SSC）。

在一實施例中，所述觀測裝置2為都卜勒流剖儀（Acoustic Doppler Current Profilers, ADCP），且所述聲波產生裝置21為相對應之音鼓，惟其僅係舉例說明，並不以此作為限定；而就都卜勒流剖儀而言，其原係藉由聲波之都卜勒效應而測量海流之流速及流向，其設置型式通常係採底碇式或船碇式；而於本創作之一實施例中，係設置於該浮標1底部，具體舉例而言，係如第1圖及第3圖所示，浮標1底部更設有至少一支架11，該支架11相對該浮標1一端組設有所述觀測裝置2，且所述觀測裝置2係與該浮標1底部具有一間距；在本實施例中，係將浮標1係吊放置於一深度約20公尺之水域，而該間距係約令所述觀測裝置2距水面1.5公尺處為佳，惟其僅係舉例說明，並不以此作為限定。

本創作係採用聲學背散射法（Acoustic backscatter method），以藉由聲波產生裝置21發出一高頻聲波，其頻率約為1 MHz至5 MHz，以朝水域之床底發射，若水域中懸浮之物質為均勻尺寸之顆粒，而藉由反射回傳之聲波強度取決於漂砂之顆粒之大小及濃度，故藉由聲波反射之訊號強度（Echo intensity）之強度值EI可用以計算漂砂濃度值SSC。

就漂砂濃度值之計算而言，在一具體之實施例中，漂砂濃度值SSC係可藉由與強度值EI進行相關性回歸而求得，並計算其斜率截距，如下數學式1所示：

【數學式1】

其中，其斜率為0.0019，截距為0.9936。

在另一實施例中，所述漂砂濃度值SSC係相依於聲波收發之強度值EI及頻率值f、所述聲波產生裝置21之特徵尺度參數sf（Instrument And Beam Specific Scale Factor）、所述聲波產生裝置21與一測量標的之距離值R、水的吸收系數 、水之溫度T，以及沉積物衰減係數 ；且該處理單元3係界定有所述特徵尺度參數sf、距離值R、吸收系數 、溫度T及沉積物衰減係數 ，藉以依據所發出聲波及所收受聲波之強度值EI及頻率值f，以推算相對應之所述漂砂濃度值SSC。

具體而言，處理單元3係將強度值EI轉換為量測背向散射值（measured backscatter, MB），如下數學式2所示：

【數學式2】

而後藉由下數學式3求得一水體背散射修正值（water-corrected backscatter, WCB）：

【數學式3】

其中，吸收系數 可由下數學式4求得：

【數學式4】

而 可由下數學式5求得：

【數學式5】

藉此，可藉由水體背散射修正值WCB與採樣之漂砂濃度值SSC進行相關性回歸，並計算其斜率及截距，如下數學式6所示：

【數學式6】

其中，斜率為0.0022，截距為0.9277。

在另一實施例中，亦可由該水體背散射修正值及沉積物衰減係數 以求得一沉積物背散射修正值（sediment-corrected backscatter, SWCB），如下數學式7所示：

【數學式7】

其中，沉積物衰減係數 可由下數學式8求得：

【數學式8】

其中， 為水體背散射修正值及距離值透過最小平方法線性回歸所求得之斜率。

而依據沉積物背散射修正值SWCB與採樣之漂砂濃度值SSC進行相關性回歸，並計算其斜率截距，如下數學式9所示：

【數學式9】

其中，斜率 為0.0017，而截距為1.0235。

在另一具體之實施例中，係藉由於浮標1底部更設置有一濁度量測裝置4，該濁度量測裝置4係耦接於該處理單元3，且該濁度量測裝置4之位置係低於所述觀測裝置2；具體而言，該濁度量測裝置4係可安裝於約水面下3.5公尺處，而濁度量測裝置4在一實施例中可為自記式濁度計，藉以量測實際濁度資料，以利於進行數據之比對。

另就水位之量測而言，爰浮標1會隨著潮汐變化而上升或下降，透過量測浮標1與水域床底之距離變化，即可求得水位及其變化，是以，該處理單元3更耦接一慣性感測裝置31，該慣性感測裝置31係量測該浮標1之運動狀態，且該處理單元3係依據該所發出聲波及所收受聲波之時間差，以及透過該運動狀態之修正，以求得一水位值；而本創作將所測得之水位值，經與底碇式之壓力計及附近之潮位站資料比對後，相關性約為0.91以上；且本創作量測並求得之水位值經與SeaBird水位計之比對結果如第4圖所示，顯見本創作確實可透過都卜勒流剖儀予以量測水位，並如第5圖所示，本創作透過都卜勒流剖儀對水域床底之追蹤（ADCP Bottom Track, ADCP BT）與SeaBird水位計實際量測之水位進行相關性回歸，其線性方程式如下數學式10所示：

【數學式10】

其中，其相關性達0.98836，方均根差為0.19473，平均差為0.1512，足證本創作確實可予精確量測水位值。

在一較佳之實施例中，為能令處理單元3將計算後之漂砂濃度值及水位值即時傳輸至遠端，故更包含一陸上資訊站5，該陸上資訊站5設有一通訊單元51，而該處理單元3耦接一通信裝置32，該通訊單元51係訊號連結於該通信裝置32，該處理單元3係透過該通信裝置32及該通訊單元51，藉以將所述漂砂濃度值即時回傳至該陸上資訊站5，令相關單位可藉由該陸上資訊站5取得即時之漂砂濃度值及水位值。

綜觀上述，本創作所揭露之技術手段不僅為前所未見，且確可達致預期之目的與功效，故兼具新穎性與進步性，誠屬專利法所稱之新型無誤，以其整體結構而言，確已符合專利法之法定要件，爰依法提出新型專利申請。

惟以上所述者，僅為本創作之較佳實施例，當不能以此作為限定本創作之實施範圍，即大凡依本創作申請專利範圍及說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬於本創作專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧浮標

11‧‧‧支架

2‧‧‧觀測裝置

21‧‧‧聲波產生裝置

22‧‧‧聲波接收裝置

3‧‧‧處理單元

31‧‧‧慣性感測裝置

32‧‧‧通信裝置

4‧‧‧濁度量測裝置

5‧‧‧陸上資訊站

51‧‧‧通訊單元

第1圖係本創作之結構示意圖。 第2圖係本創作之架構示意圖。 第3圖係本創作應用於一水域之使用狀態示意圖。 第4圖係本創作量測求得之水位值與SeaBird水位計之量測圖。 第5圖係本創作所量測求得之水位值與SeaBird水位計之量測圖。

1‧‧‧浮標

11‧‧‧支架

2‧‧‧觀測裝置

21‧‧‧聲波產生裝置

4‧‧‧濁度量測裝置

Claims (10)

1. 一種即時漂砂及水位觀測設備，其包含：一浮標，其設有至少一觀測裝置及一處理單元；所述觀測裝置具有至少一聲波產生裝置及一聲波接收裝置；該處理單元界定有複數漂砂濃度值，且所述漂砂濃度值係相依於聲波收發之強度關係；所述聲波產生裝置係朝該浮標底部之水域發出聲波，而所述聲波接收裝置係收受經水域反射之聲波；該處理單元係藉由所收受聲波之強度值，以推算相對應之所述漂砂濃度值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，所述漂砂濃度值係相依於聲波收發之強度值及頻率值、所述聲波產生裝置之一特徵尺度參數、所述聲波產生裝置與一測量標的之距離值、水的吸收系數、水之溫度，以及沉積物衰減係數；且該處理單元係界定有所述特徵尺度參數、距離值、吸收系數、溫度及沉積物衰減係數，藉以依據所發出聲波及所收受聲波之強度值及頻率值，以推算相對應之所述漂砂濃度值。
3. 如申請專利範圍第2項所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，該處理單元係藉由所述強度值、特徵尺度參數、距離值、吸收系數及溫度以求得一水體背散射修正值(water-corrected backscatter,WCB)，並將該水體背散射修正值與漂砂濃度值之相依性進行相關性回歸，藉以求得對應之漂砂濃度值。
4. 如申請專利範圍第2項所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，該處理單元係藉由所述強度值、特徵尺度參數、距離值、吸收系數及溫度以求得一水體背散射修正值(water-corrected backscatter,WCB)，並藉由該水體背散射修正值及沉積物衰減係數以求得一沉積物背散射修正值(sediment-corrected backscatter,SWCB)之斜率，並將該沉積物背散射修正值與漂砂濃度值之相依性進行相關性回歸，藉以求得對應之漂砂濃度值。
5. 如申請專利範圍第4項所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，該其中，該沉積物衰減係數係藉由所述水體背散射修正值及該距離值進行最小平方法線性回歸之斜率而求得者。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，所述觀測裝置為都卜勒流剖儀(Acoustic Doppler Current Profilers,ADCP)，且所述聲波產生裝置為相對應之音鼓。
7. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，該浮標底部更設有至少一支架，該支架相對該浮標一端組設有所述觀測裝置，且所述觀測裝置係與該浮標底部具有一間距。
8. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，該處理單元更耦接一慣性感測裝置，該慣性感測裝置係量測該浮標之運動狀態，且該處理單元係依據該所發出聲波及所收受聲波之時間差，以及該運動狀態以求得一水位值。
9. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之即時漂砂及水位觀測設備，其中，該浮標底部更設有一濁度量測裝置，該濁度量測裝置係耦接於該處理單元，且該濁度量測裝置之位置係低於所述觀測裝置。
10. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之即時漂砂及水位觀測設備，更包含一陸上資訊站，該陸上資訊站設有一通訊單元，而該處理單元耦接一通信裝置，該通訊單元係訊號連結於該通信裝置，該處理單元係透過該通信裝置及該通訊單元，藉以將所述漂砂濃度值即時回傳至該陸上資訊站。