開發有關洪水與橋梁橋墩有關特用或耐侯型電子組件與模組次系統

(a) 橋墩裂縫的四點雷射光參考點投射器研製

由於台灣近年遭受風災、水災、地震不斷，使得橋墩建築物、結構物逐漸產 生裂縫而劣化，並進而對人民生命財產造成威脅。因此，為了協助工程養護單位 維護管理，達到橋墩結構物生命週期之系統營運，故針對橋墩裂縫檢測與追蹤實

有其必要性。目前最常使用的方法為接觸性裂縫尺近距離量測方式，但該方法亟 需仰賴人力與人為判斷，且有些裂縫位置不易辨別，因此在施作上有其困難性。

近年已有越來越多專家學者利用影像辨識獲得圖像上的裂縫資訊，但影像辨識所 得到的裂縫資訊皆需再透過參考比尺轉換關係才能取得實際裂縫參數。所以，儀 科中心協助颱洪中心、國網中心及其他單位共同製作開發四點已知形狀之雷射光 點投射器，如圖 9 所示。利用投射到遠距離牆面的裂縫旁來提供裂縫影像之參考 長度，其具有簡易又實用性，再配合影像辨識技術即可辨識獲得遠距離裂縫之相 關參數。四點雷射投射器光點發散角度估計如圖 10 所示，四個光點(Point 1 ~ Point 4)，相對應四個邊長分別為 L1、L2、L3 與 L4。投射距離變化時之投射距離與四 點雷射投射光點相對位置與四個光點投射各個量測距離的偏差角度分別以 1 m、

5 m、10 m、15 m、20 m 考量，得到投影偏差常估算，結果如表 4 所示。此版本 之四點雷射投射器已經提供遠距離裂縫研究團隊使用來提供裂縫影像之參考長 度，並進行演算法初步驗證，未來將繼續改進四點雷射投射器光機調整結構，四 點雷射之偏角希望能調到 50 米遠小於 0.1 度為目標。

圖 9、四點雷射光點投射器

圖 10、四點雷射投射器光點相對位置與光點

表 4、投影偏差常估算值(表內單位為角度)

L(cm)實際值 θ=0.2 估算值 θ=0.15 估算值 1 m 3.475 3.49 3.37

5 m 5.05 5.47 4.85 10 m 6.325 7.94 6.70 15 m 8.3 10.40 8.55 20 m 11 12.96 10.47 (b) 雷達波水文儀器之天線研製

水文觀測儀器兩大基礎儀器為雷達波水位量測裝置與雷達波水流流速量測 裝置，此兩種儀器使用率高，其中雷達波水位量測裝置是一切雷達波觀測防災儀 器之基礎，所以發展本土化水文觀測儀器技術就先以雷達波水位量測裝置為第一 步試金石。其中雷達波水位量測裝置中天線為一不可或缺重要元件，為了在有限 空間限制下達到較高增益，天線設計便成為相當重要之一環。102 年先從天線組 件研製開始；典型號角天線可分成矩形與圓柱形結構，其中矩形結構又可分成 H 面扇形結構、E 面扇形結構與角錐結構。水位量測天線設計是以角錐號角天線為 主，其模型示意圖如圖 11 所示。

圖 11、錐號角天線模型

角錐號角天線為孔徑天線之一種，具有以下之特性：

 本體材料為鋁合金，強度高且耐蝕性好，具有承受高功率之容忍度；

 導波管模態激發或轉換(transformer)部份(矩形導波管其主模態為TE10，圓形導波 管其主模態為TE11) ；

 號角的孔徑輻射口部份；

本計畫提出的角錐號角天線採用 3.5mm SMA 接頭當饋入埠，透過 WR187 (a×b=47.55mm×22.15mm)矩型導波管，a 與 b 代表 WR187 矩形導波管的寬與高，

最後由角錐孔徑輻射口輻射出去。號角天線由同軸線饋入轉接到 waveguide 藉由 軟體模擬至最佳狀況，才進行實品製作，饋入結構與尺寸詳細說明如圖 12(a)所

(5)、(6)如下： 5GHz~6.6GHz 頻段縱軸電壓駐波比之值 vs.橫軸頻率圖，圖中實線為 HFSS 軟體 理論分析模擬值；虛線為網路分析儀實際量測之值，結果顯示出兩者電壓駐波比

之值於操作頻段 5.4GHz ~6.2GHz (頻寬約為 14%)內皆小於 1.2 以下，具有極佳地 阻抗匹配的電性，符合設計需求。圖 14 與圖 15 分別為角錐號角天線於中心頻率 為 5.8GHz 在輻射場型不同切面下，E 面(Y-Z 平面)與 H 面(X-Z 平面)輻射場型縱 軸正規化場型(Normalized Pattern) vs.橫軸從-180 度至 180 度角度圖，圖中實線為 HFSS 軟體理論分析模擬值；虛線為天線實際微波暗室遠場場型量測之值，對於 頻段內任何 E 面與 H 面之場型皆成對稱，實際的 E 面與 H 面半功率波束寬度皆 約為 26 度且實際量測輻射場型增益大於 16dB。圖 16 為角錐號角天線模擬之三 維輻射場型圖。圖 17 為角錐號角天線之實際成品照片，天線實際尺寸長寬高分 別為 145 mm × 105 mm × 255 mm。

圖 13、角錐號角天線電壓駐波比圖

圖 14、角錐號角天線 E 面輻射場型 (Y-Z 平面)

圖 15、角錐號角天線 H 面輻射場型 (X-Z 平面)

圖 16、角錐號角天線三維輻射場型圖

圖 17、角錐號角天線實體

102 年度完成雷達波水位量測裝置操作於 C 頻帶角錐號角天線的設計分析與 模擬。最後，實際製作出此天線實體，藉由模擬分析與量測結果數據比較，其理 論值與實際量測之值非常吻合。未來後續將以雷達波水文量測裝置之射頻電路處 理與解算模組設計與驗證為主題，落實防災儀器檢測技術之本土化。

(c) 光電式雨滴量測裝置之研究

台灣地理位置處於熱帶氣旋活躍區域，因此每到夏秋兩季，往往會遭遇颱風 肆虐之苦，而且颱風所帶來的豪大雨雨量，更是釀成災害的主要元兇。本計畫是 開發災害預警儀器技術計畫之一，主要目的是希望能開發出利用影像處理技術偵 測雨滴質量，並簡化偵測儀器系統之複雜性。

圖 18 顯示背景部分放置一藍光背光源板，當雨滴經過量測區域，內部呈現 透明狀，反而清楚地顯示了雨滴的外部輪廓，有利於邊緣偵測。對於雨滴邊緣的 偵測，我們假設一任意圓錐曲線模型，並隨機選出六個點，相互連結得到三交點，

再利用帕斯卡定理特性，此三交點必共線，作為尋找出雨滴輪廓。一旦設定此邊 緣曲線為橢圓方程式，則可以使用兩組圓錐曲線的組合，獲得第三組圓錐曲線，

如圖 19 之橢圓，可表示為雨滴邊緣。

圖 18、光電雨滴量測裝置示意圖

圖 19、由

S 和

S 所構成之

S 橢圓

接著，由六點取出四點分成兩組形成兩雙曲線，可獲得兩組圓錐曲線，經過 計算後得到目前橢圓的





都可得到任一







算的橢圓邊緣近似，可用來求得最接近之橢圓，完成雨滴邊緣的尋找。在評估雨 滴降落速度部份，利用曝光時間後出現殘影效果，可作為偵測雨滴的降落程度，

並推算出雨滴速度向量，同時預估雨滴在下一張影像中的位置，如圖 20。

圖 20、曝光時間 1 ms 下雨滴在垂直方向輪廓(紅色圓圈)

在分離雨滴上下半部分，尚未考慮風對雨滴造成的影響，因此套入雨滴辨識 程式，可分別獲得上下部分橢圓，將相同雨滴的上下部分做有系統的匹配，相同 顏色表示同一雨滴的匹配結果。如圖 21 所示，最後將前後影像中同一雨滴匹配，

可完成了不同影像中相同雨滴資訊的連結，如圖 22 所示，依據該位置便可推測 出雨滴速度。

圖 21、雨滴預測前後位置

圖 22、雨滴匹配和真實影像比較

目前初步能夠利用簡易實驗架構，進行雨滴偵測和相關參數評估，但仍僅限 於實驗室之模擬，且仍未應用於實際戶外之測量。再者，此一雨滴偵測演算法之 處理，計算速度上也仍有待改善，因此未來將持續透過不同演算法之開發，藉此 增加雨滴偵測速度和偵測範圍，以利雨滴偵測之正確性。