仿鱼鳔目标物逆散射强度量测与分析

一、緒論
在漁業活動發展迅速的現今，聲納技術為漁業 發展之重要關鍵，因此利用聲納(sonar)進行魚群探測 以是漁業發展技術之發展要項。在聲納系統中，一 聲波入射目標物後，往往會因目標物之形狀大小與 介質係數之變異改變散射聲場的強度。因此，各魚 種之間應會有不同的幾何形狀(geometry)以及介質 參數(material composition)，造成聲波入射魚體時逆 散射聲場強度的改變。本研究之研究目的為探討主 動聲納系統(active sonar system)中，目標物之散射強 度經由目標物與聲波之相互影響，所造成之散射聲 場(scattered field)性質。由於散射聲場與目標物的幾 何形狀、材質息息相關並具有相當程度的影響；並 在相關研究中指出，魚體的幾何形狀與器官的分布 會直接影響魚體之散射型態[1]，而魚體肌肉介質之 聲速與密度將直接影響魚體散射之反射係數與目標 物強度[2]，因此，確定目標物之材質與幾何形狀應 為進行目標物散射場研究與量測實驗之首知條件。
其散射強度可由[2]式表示。
Ibs ~ I p R2
[2]
聲波進入遠場距離時， IP 與 Ibs 分別表示為[3]、[4] 式，[2]式可改寫至[5]式。
第十屆水下技術研討會暨國科會成果發表會
2008年4月25日．高雄市．國立中山大學
IP = Pp2 ρc
[3]
Ibs = Pbs2 ρc
[4]
Pbs2 ~ Pp2 S 2
經聲波入射後之散射能力，目標物強度定義如式[8]。
TS = 10log Aϕbs = 10log σbs
Aref
Aref
(dB // Aref )
[8]
式中 Aref 為參考面積 1m2 ，將式[7]、式[8]，可將目 標物強度重新定議為式[9]。
TS
= 10log( PbsS Pp Rref
)2
(dB // Rref )
射目標物聲波之角度。
2.1.1 目標物強度（Target Strength）
水下目標物之散射能量可以用逆散射截面
（Backscattering Cross Section）來表示，如式[7]所
示。
σ bs
= ϕbs A =
Ibs R2 Ip
=
Pbs2 Pp2
R2
[7]
其中， ϕbs 為 θ = π 時之散射函數。在聲學之應用上 則常以目標物強度（Target Strength）來表示目標物
N
=
D2 4λ
⎡ ⎢⎢1 − ⎣
⎛ ⎜⎝
λ D
⎞2 ⎟⎠
⎤ ⎥ ⎥ ⎦
[1]
聲波進入遠場距離後其聲壓會隨距離穩定遞減。
2.1 目標物散射與目標物強度
2.1.1 散射函數（Scattering Function）
依據上述環境示意圖，在此定義目標物之散射
函數， IP 為聲源一米處所接收之強度，該區域所接 收之壓力為 pp ， Ibs 為散射訊號於接收端之強度該 區域聲壓以 Pbs 表示， R 為目標物據換能器間之距 離，在假設該環境為絕熱及無傳遞損失之情況下，
[9]
式中 Rref 為參考面積 1m 。由聲納方程式（Sonar equation）討論目標物強度，則目標物強度 TS 由[10] 式表示。
TS = SPLbs − SL + 2TL
[10]
其中 SPLbs 為距離 Rref 之散射波聲壓強度， SL 為距 離聲源 Rref 處之聲壓強度。TL 為入射和反射聲波之 傳輸損失。 研究中訊號之截取常以電壓表示，其電
本 研 究 將 結 合 逆 向 工 程 技 術 (Reversed Engineering)，產生已知且穩定之魚體模型改變模型 魚體之魚鰾(swimbladder)大小幾何分佈，並使用可調 密度之矽膠材質，進行散射聲場與介質目標物反射 係數之量測，再將模型魚體目標物之散射聲場與反 射係數進行比對與分析。研究中主要延續前人所設 計之水下目標物聲波量測程序及系統之建置，該研 究中以窄頻訊號為發射聲源，並以具有簡單幾何形 狀且具材質等向性之銅球作為目標物進行散射量測 實驗程序之系統建置，在研究中確定了於中山大學 海下海物所之大型聲學水槽(4m×3.5m×2m)進行目標 物散射實驗之可行性，而其銅球目標物之散射聲場 實驗，則成為往後實驗校正的方法與依據。
第十屆水下技術研討會暨國科會成果發表會
2008年4月25日．高雄市．國立中山大學
仿魚鰾目標物逆散射強度量測與分析
周欣賢1 蕭名亨2 劉金源3
摘要
在漁業的活動上，魚群探測長期仰賴水下聲納系統之應用，其中利用聲學方法進行目標物 之辨視則伴演重要的角色。有別於傳統海洋生物之取樣方法，利用水下聲納技術進行水下生物 之探測可以降低以拖網所造成對取樣生物體之驚嚇或傷害進而降低對生態造成影響。Nash （1987）針對魚體各部位之目標物強度進行量測，該研究結果顯示，控制魚體上浮或下潛機制 之魚鰾（Bladder）乃是影響魚體目標物強度之重要因子，緣此，本研究將以 Tsuchida Seisakusho 之仿魚鰾目標物模型進行魚鰾目標物強度之模擬。本研究使用保利龍空心仿魚鰾，再搭配逆向 工程技術（Reversed Engineering）進行目標物性質之改變。本實驗於中山大學海下科技暨應用 海洋物理研究所之大型聲學無響實驗水槽 (4m×3.5m×2m)進行。在水聽器選用與訊號收發方 面，發射器與接收器均為單指向性之魚探機聲納探頭，其發射頻率為 200 kHz，於訊號接收部 份，在研究中使用取樣頻率為 800 kHz 之 DAQ System，可有效縮短訊號擷取時間並簡化作業 程序，降低人為操作之誤差。本研究之目標物架設參考 Timothy K. Stanton（J. Acoust. Soc. Am., Vol. 116, No. 1, July 2004），並使用伺服馬達控制目標物之角度進行逆散射目標物強度之量測。 初步研究指出，目標物強度及逆散射聲場之變化，會隨正向入射目標物之斷面幾何變化而產生 重要影響。
1國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所研究生 2國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所研究生 3國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所教授兼海洋科學學院院長
第十屆水下技術研討會暨國科會成果發表會
2008年4月25日．高雄市．國立中山大學
projector and receiver both are transducer of fish finder with directivity and frequency response at 200k Hz. The signal receptor used Data Acquisition System of NI 6129 with sample rate at 800kHz. The target set up of this research is referring to Timothy K. Stanton (2004), and we use servo motor to control the incidence angle of the target. Preliminary research is pointed out, the target string will change by the incidence geometry of the target, and the target diameter is the factor of the target strength.
二、理論與研究背景
本研究之主要目的為量測目標物之逆散射聲場 及目標物強度。其環境示意圖如 圖 1 所示。由於換 能器之聲場可分為近場及遠場，近場內聲壓變化複 雜因此不適合進行目標物強度之量測，其近場距離 公式為[1]；其中 D 為換能器之直徑，λ 為入射聲波 之波長，N 為近場距離。
圖 1 環境示意圖
能與聲能間之目標物聲能轉換之表式如[11]所示，其
中 Sensitity 為換能器敏感度， Vinput 為訊號輸入電壓 值。
PLeabharlann =1 Sensitity Vinput
[11]
三、研究方法
在目標物聲場散射量測之領域中，長期以來針 對目標物之介質與幾何形狀進行散射聲場型態之研 究；但以魚體之散射聲場而言，往往無法確定該目 標物介質之參數，例如：介質聲速、介質密度、介 質幾何分佈…因此本研究之研究方法將已確定上列 該未知參數為首要目標。此外目標物及水聽器之架 設與接收效能測試，亦為目標物強度散設聲場量測 之關鍵，用以確保目標物於水聽器之可接收範圍 內，並藉由水槽環境因素發出適合的訊號長度，以 降低誤判、多重反射及雜訊干擾之現象。
[5]
散射聲場中環境中各相關參數亦會影響散射聲
場，其中包括目標物大小，聲波入射位置，入射角
度，聲源特性，因此將散射之強度以式[6]表示。
( ) ( ) Ibs
=
Ip S2
ϕ
θ ,φ,θ p,φp, f
A θ p,φp
[6]
其中， A 為散射物之投影面積， f 為聲原發射頻率。
( ) θ ,φ,θ p,φp 分別為球面座標中，入射目標物以及反
The Backscattering Measurement and Analysis of Imitate Air Swimbladder.
Xin Xian-Zhou Ming Heng-Xiao Jin Yuan-Liu
ABSTRACT
Acoustic methods have long been used to rapidly and synoptically survey marine organisms of ecological and economic importance. Direct sampling furnishes biological data such as abundance, biomass, direct measurements of organism size and species identification, but encounters problems such as net avoidance, small sampling volumes, and catch destruction of delicate specimens. Understanding the scattering mechanisms of fish is challenge due to the fact that fish anatomy is complex and the acoustic scattering characteristics are correspondingly complex. For example, Nash et al. (1987) qualitatively illustrated the influence of the various anatomical components of fish on scattering by performing length-wise acoustic scans of whole fish, dissected swimbladders. The swimbladder is the main control factor of fish's floating and diving. This research will carry on the measure the target with acoustic characteristic of imitative air swimbladder of Tsuchida Seisakusho. We use the imitative air swimbladder and collocate the Reversed Engineering to measure the Backscattering intensity of the swimbldder which is different medium. We set up experiment in an acoustic water tank of dimension (4m×3.5m×2m) located in National Sun Yat-sen University. The