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t=20 sec t=10 sec
圖 4.3 不同時間之含水量剖面及模擬之反射訊號
4.5 洪峰之反射
地下水之探測是為了預測邊坡穩定，一旦邊坡崩塌後，溪水與其之混合就轉為監測重 點，而許多其他的天然災害如洪水、土石流等，河道中水位與地表之變化也都是重點。我 們若能準確的估計這些現象之形成與傳輸，將可在下游提前做好防範的準備（例如洪水來
臨前先關閉閘門或是讓居民疏散等等），以減少損失。在本研究中所使用的雷達技術，亦可
以達到這個目的。我們可將天線置於河道兩側，當得知上游有土石流或洪水發生時，便可 以開始監測，其示意圖如圖 4.4 所示。
圖 4.5 利用微波偵測土石流或洪水前鋒之示意圖
假設洪水前鋒距離河道中某監測點 75 公尺時，我們同樣發射 1GHz 到 4GHz 的電磁波，記錄 下其反射訊號，如圖 4.5 所示。由於天線架設於河岸之上，所以入射波會有一入射角，假 設為 15 度。因土石流之前峰並非垂直於電磁波，同時訊號寬為 3GHz 之脈衝，因此反射訊 號每隔一段時間便會出現一個小小的峰值（peak），但於 525nsec 時出現的峰值則遠大於其 它的峰值，這便是代表洪水前鋒位置的反射訊號。若以光速將時間 525nsec 換算成距離則 為 78.75 公尺，再乘上入射角 15 度的餘弦值，得到其沿著河道的距離為 76 公尺，相當接 近實際的 75 公尺。由於天線與洪水或土石流前鋒之間的介質是空氣，而電磁波在空氣中的 速度並不受到入射波頻率的影響，所以，我們可以準確的計算出前鋒目前的位置。在不同 時間發射的電磁波，得到不同的前鋒位置，我們便可估計出土石流或洪水前鋒的速度。
因單點測量需時極短，因此雷達可以 360 度旋轉來做全域之測量，因地面反射訊號與水面 或土石流表面之反射訊號不同（水面反射為一 very narrow band peak），因此可區分出此 兩種表面。所以可用反射訊號來做該地區高程之探測，地下水位與河道水位的變化均可獲 得。因此此種儀器可對局部地區進行整體、同步區域性之地表、地下水位與河川之監測。
0 0.2 0.4 0.6
400 450 500 550
Time(nsec)
Si gna l
圖 4.6 洪水前鋒之反射訊號 4.6 電磁波探測器製作
電磁波探測器之規格已設計並委託廠商製作完成，設計規格為 瓦數：1-2W
波頻：發射 4GHz, Pulse 波
聚焦：1 公尺~200 公尺，聚焦點不大於 50 公分 x50 公分 損失：小於-10dB@4GHz
3dB 頻寬：大於 90MHz
機座：360o水平旋轉，上下 90 o垂直，每秒 6 o
圖 4.7、電磁波探測器測試特徵曲線
圖 4.8 全套設備上方為天線，天線之形狀採一般通用的 Yagi-Uda Antenna，下方為訊 號產生、放大與接收之機器
4.7 結論
我們之研究顯示 lGHz 左右之波在入射能量不大時（0.01W）都可穿透約 50 公分以上之土層。
若將能量提高到 1W，則對砂層之穿透能力可達 10 公尺，而微波對表面植生在 30 公分以下 時亦具有穿透之能力，但對岩層則效果不佳。初步的室內試驗已證實用微波測得地下水位 技術上可行。在現地測量地下水位時，我們將用地下水模擬來提供反射訊號之比對，將電 磁波打入土壤後，即可由反射訊號得到其相對應的含水量分佈。同時，此技術將可應用於 對洪水或土石流前鋒速度的估計。但未來所面臨的技術問題為雷達的聚焦功能現地調整所 帶來之測點誤差如何克服。
第五章 結論
經過三年的計畫，各項工作都已完成，監測系統方面，我們建立完成了一個結合各設 備的監測系統，雖然並未完成結合各設備的預報系統，但是已經跨出了一大步，本計劃提 出後，水保局也接著在台灣各地建立監測站，目前已建立了13各監測站的設備，這種成效，
部分也是由於有國科會本群研究群的刺激作用。
地聲探測器的應用部分，本計劃也已將之延伸到系統地聲的探測理論工作，雖然理論 應用與實際應用還有一段差別，但也是國內首先朝此方向研究的領先理論。
國內第一個電磁波探測器，也在計畫經費支援下，總算理論工作與實際設計的設備都 完成了，將來即可朝向設備的多方向應用來做研究。
為了能讓監測預報的研究進一步領先國際，希望有更多的研究人員加入本群，進行更 深入的、更實際的應用工作。