聲納 (SONAR) 探測系統為許多海洋活動發展不可或缺的技術，此乃由於電磁波在水中衰減的速率非常的高，無法做為偵測的訊號來源，故以聲波探測水面下的物體成為運用最廣泛的手段。本研究藉由建構聲納方程式了解水聲系統的特性與水中聲學應用必須考量的問題，透過對台灣周邊海域水深頗面與聲速頗面資料進行聲傳環境的建立進行偵測模擬，比較結果與評估聲納受制於混響隱蔽級或噪音隱蔽級，來提供目標物是否能被偵測的重要參考。研究中利用 Matlab 程式語言及 BELLHOP 聲線模擬建構一套評估目標物在海域中被探測之回訊大小計算與被偵測之可能性，對聲納方程式中各參數計有聲源級SL(Source Level)、目標強度 TS (Target Strength) 、傳輸損失 TL (Transmission Loss) 、海洋環境噪音 NL (Noise Level) 、混響級 RL (Reverberation Level) 的運用，針對主、被動聲納系統進行相關分析。根據船艦所在的海洋聲學環境，探討在不同的船艦之座標位置、聲納深度、聲納拍發俯角、頻率固定之連續波模式、聲速梯度及水下目標物的方位等因素下，利用聲納偵測水下目標物（潛艦）所能容許之最大音傳損耗及有效偵測距離。並根據船艦所在的海洋聲學環境與水下目標物所輻射的聲強，進行主被動式聲納偵測水下目標物之研究，建構能模擬在近岸、淺海及深海的聲納探測情形評估分析系統。在聲納系統模擬過程中，於近岸部分考慮西子灣海洋實驗場實際物理情況，觀察西子灣海域對模擬目標物探測的情形，提高其操作性能及準確性。本研究包含水中聲學理論應用、數值模擬、結果分析等，建構聲納方程式之理論模組，並藉由比較深、淺海洋環境與西子灣海洋實驗場環境偵測目標物可行性評估，提供概觀性的瞭解，亦提供後續研究的參考。

Sonar (SONAR) system is essential for the development of many marine activities in technology, because the rate of attenuation of electromagnetic waves in the water is very high and can not be used as the detection signal source, so the sound waves become the most widely used method. This study develops a sonar system program and a visual display based upon ray tracing using Matlab. The analysis shall emphasize on active sonar system as well as passive sonar system, including: 1. For active sonar system: estimate the maximum detection range based upon the environmental as well as sonar properties, including sonar position, sonar depth, sonar depression angle, continuous wave mode, FM mode, sound speed gradient, target speed, target azimuth angle, target magnitude. 2. For passive sonar system: conduct the target detection based upon the target signature and radiation level. The visual displays include PPI (plan position indicator) display, B-scan graph (Narrowband acoustic energy distribution in the beam angle vs time space), A-scan (amplitude-range graph; the acoustic energy along a single beam for a portion of the listening cycle.), narrow band displays, and frequency vs time graphs, evaluation and analysis of the situation simulation conducted in the near-shore, shallow water and deep-sea sonar, through added Sizih Bay's physical parameters of the environmental conditions, to simulate the target detection in the Sizih Bay Marine Test Field, and improve its operating performance and accuracy.

第一章 緒論 1
1.1 研究主題與研究動機 1
1.2 台灣近岸西子灣海域相關實驗之回顧 2
1.2.1 環境調查分析 2
1.2.2 高雄第一港區水下噪音特性研究 3
1.2.3 水聲傳播實驗 5
1.2.4 混響性質之研究 6
1.3 研究方法 9
1.4 論文範疇 10
第二章 基本觀念與理論模式 11
2.1 水聲系統與聲納方程式 11
2.1.1 主動聲納方程式 13
2.1.2 被動聲納方程式 14
2.2 噪音隱蔽級與混響隱蔽級 15
2.3 聲線軌跡暨包絡線之數學模式 17
2.3.1 基礎聲線理論 17
2.3.2 有限元素聲線傳播數值模式 19
2.4 混響之基本概念 21
2.4.1 體積混響 22
2.4.2 表面混響 24
2.5 結語 27
第三章 建構聲納模擬系統 28
3.1 模擬系統設計與流程 28
3.2 水聲系統參數資料建構 29
3.2.1 聲源級 SL 之參考值 29
3.2.2 設置傳輸損失 TL 之海洋環境 30
3.2.3 潛艦目標強度 TS 之聲學特性 31
3.2.4 環境噪音 NL 之計算 34
3.3 運用 BELLHOP 模擬混響聲場與計算傳輸損失 36
3.3.1 混響聲場模擬 38
3.3.2 傳輸損失計算 40
3.4 聲納模擬系統圖形使用者介面 41
3.4.1 模擬聲納方程式圖形使用者介面 (GUI) 41
3.4.2 目標物偵測顯示元件 44
3.4.3 動態目標物情境模擬與顯示 46
第四章 台灣周遭海域探測評估分析 47
4.1 台灣西南外海淺海環境模擬偵測 47
4.1.1 西南外海淺海環境聲傳特性計算 48
4.1.2 西南淺海受制隱蔽級與探測距離分析 50
4.1.3 西南外海淺海假定目標物探測情形 51
4.1.4 西南淺海目標物回訊與聲場混響值比較 53
4.2 台灣台東外海深海環境模擬偵測 55
4.2.1 台東外海深海環境聲傳特性計算 56
4.2.2 東部深海受制隱蔽級與探測距離分析 57
4.2.3 台東外海深海假定目標物探測情形 59
4.2.4 台東外海目標物回訊與聲場混響值比較 60
4.3 西子灣海域偵測效能評估分析與動態模擬 61
4.3.1 西子灣海域各拍發角目標物探測評估 62
4.3.2 西子灣海域動態模擬結果 68
第五章 結論與建議 71
5.1 結論 71
5.2 建議 72
附錄A 台灣西南外海淺海環境隨角度變化之聲傳情形 75
附錄B 台灣台東外海深海環境隨角度變化之聲傳情形 78
附錄C 聲納效能模擬之評估與分析－以台灣周遭海域為例 81

[1] 許登壹、劉金源，"西子灣海洋實驗場環境調查分析之研究"，國立中山大學海下技術所碩士論文，民 96。
[2] 趙尊憲、劉金源，"高雄港第一港口水下噪音特性之研究"，國立中山大學海下技術研究所碩士論文，民 96。
[3] 蕭明亨、劉金源，"西子灣極淺海域水聲傳播實驗"，國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所碩士論文，民 98。
[4] 林祐德、劉金源，"西子灣海洋實驗場混響性質之研究"，國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所碩士論文，民 100。
[5] 劉金源，《水中聲學~- 水聲系統之基本操作原理》，國立編譯館，民 90。
[6] 劉金源，《海洋聲學導論~- 海洋聲波傳播與粗糙面散射之基本原理》，中山大學出版社，民 91。
[7] 劉金源、黃千芬，"通用型聲納訊號處理模擬與繪圖顯示軟體"，中山科學研究院結案報告，民 101。
[8] G. M. Wenz, "Acoustic ambient noise in the ocean: Spectra and sources", J. Acoust. Soc. Am.,34~(12): 1936-1956. 1962.
[9] R. J. Urick, "Principles of underwater sound 3rd edition, McGraw-Hill, Washington DC. 1983.
[10] M. B. Porter and Y.-C. Liu. "Theoretical and computational acoustics", volume 2, pages 947-956, Finite-element ray tracing. In D. Lee and M. H. Schultz,editors. 1994.
[11] T. C. Yang, J. Schindall, C.-F. Huang and J.-Y Liu, "Underwater-intruder detection in harbor environments using Doppler-sensitive waveforms", (submitted to IEEE J. Oceanic Eng.) 2010.
[12] M. B. Porter, "The BELLHOP Manual and User’s Guide:PRELIMINARY DRAFT", Heat, Light, and Sound Research, Inc. La Jolla, CA, USA. 2011.
[13] J. Heine and L. Gray. "Narrowband source model for merchant ships," U.S. Navy Journal of Underwater Acoustics, 28(1). 1978.
[14] F. B. Jensen, W. A. Kuperman, M. B. Porter, and H. Schmidt. "Computational Ocean Acoustics." Springer-Verlag, New York, 2 edition. 2000.
[15] A. Kaneko, G. Yuan, N. Gohda, and I. Nakano, "Optimum design of the ocean acoustic tomography system for the sea of Japan," Journal of Oceanography, vol. 50, pp. 281-293,10.1007/BF02239518. 1994.
[16] K. Kawanisi, M. Razaz, A. Kaneko, and S. Watanabe, "Long-term measurement of stream flow and salinity in a tidal river by the use of the fluvial acoustic tomography system," Journal of Hydrology, vol. 380, no. 1-2, pp. 74 - 81. 2010.
[17] J. Y. Liu, and J. L. Krolik, "The spatial correlation of rough seabed scattering of surface-generated ambient noise," J. Acoust. Soc. Am., 96(5), pp. 2876-2886. 1994.