第13卷第5期
中華民國108年10月出刊

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探測管線 第一時間成像救災的最佳利器超寬頻透地雷達設備國際動態與我國法規調適
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探測管線 第一時間成像救災的最佳利器超寬頻透地雷達設備國際動態與我國法規調適

一、前言

透地雷達 (Ground-penetrating radar, GPR)是一種運用超寬頻 (Ultra-Wideband, UWB) 脈衝波訊號之射頻設備,在貼近或緊靠目標待測物下,透地雷達可將超寬頻脈衝波訊號垂直射入待測物,因待測物內部介質不均勻或含有鐵磁性之物質,將導致入射波以各種不同的參數而反射(如圖1中所示),透地雷達則會依據其反射波計算出各種待測物之資訊,並以圖像顯示於電腦螢幕以供專業人員判讀。

透地雷達作用原理
圖1透地雷達作用原理
資料來源:智統科技工程股份有限公司

由於透地雷達具備非破壞性檢測之特性,以相當精簡的人力與時間,就能獲知待測物內部之結構破損或瑕疵,因而在世界上廣泛流通使用,於西元1975年開始透地雷達逐漸應用在商業用途上,開始發展成為非破壞檢測方式中相當有力之工具,透地雷達經常作為軍事偵察及淺層礦脈探勘方面(諸如地下掩體、礦床等)之用途,如圖2(a)中所示,為透地雷達設備在伊拉克進行掃雷與戰後調查;如圖2(b)中所示,透地雷達設備在南非進行岩層結構調查。

伊拉克掃雷與戰後調查

(a)伊拉克掃雷與戰後調查

南非進行岩層結構調查

(b)南非進行岩層結構調查

圖2透地雷達設備普及於國際上之各種應用
資料來源:智統科技工程股份有限公司

二、我國目前透地雷達的法規適用

自2002年2月美國通信聯邦委員會 (Federal Communications Commission, FCC) 其 Part 15 修訂委員會 (Revision of Part 15 of the Commission's Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems) 因應政府的利益、公眾安全、商業市場的龐大性,在 FIRST REPORT AND ORDER 的技術文件中[1],首次針對超寬頻系統制定了統一的技術規範,至此超寬頻系統有了可依循的準則,各式各樣應用於超寬頻技術的新興產品不斷推出,而我國也在民國105年的低功率射頻電機技術規範中制定了超寬頻系統相關的技術法規[2]

超寬頻系統主要使用極短脈衝進行傳輸,其脈衝期約為奈秒(nano second)量級或甚至更低,透過傅立葉轉換後其頻寬可達千兆赫(gigahertz)量級的超寬頻段,FCC Part 15修訂委員會所制定超寬頻系統的操作頻帶可由低頻3.1 GHz拓展至高頻10.6 GHz(室內通信系統、室外手持通信系統與醫學成像系統),而透地雷達的操作頻段更允許只需低於10.6 GHz即可,實務上透地雷達則大多操作於1 GHz 以下以及1 ~ 2 GHz的超寬頻段進行檢測,根據ETSI EG 202 730 [3] 技術規範,其透地雷達設備操作頻段和詳細性能參數如表1中所示。

如此巨量的超寬頻操作頻段,覆蓋了各種射頻設備的操作頻段,如美國國家電信與信息管理局(NationalTelecommunications and Information Administration,NTIA)所製作的美國電信頻譜分布圖3中[4] 所示;目前我國低功率射頻技術規範中的超寬頻設備法規,其主要法源依據雖然參考FCC Part 15修訂委員會所制定超寬頻相關技術規範,但允許使用的頻帶(LP0002 4.12節)只開放了4.224 GHz∼4.752 GHz、6.336 GHz∼7.920GHz、7.932 GHz∼8.976 GHz三段操作頻帶,未來我國勢必得面臨市場的需求和跟上國際的腳步而逐步開放超寬頻系統的操作頻段,除此之外,如先前所述,超寬頻系統的操作頻帶覆蓋了許多現行的窄頻射頻系統,如何制定適當的管理規則和技術規範是我國電信監理機關的一大挑戰。

表1透地雷達設備性能參數和操作頻段關係表[3]
透地雷達設備性能參數和操作頻段關係表

上述提及操作頻段過少的問題,將導致現有許多超寬頻設備無法在國內使用,我國目前的低功率射頻電機技術規範4.12節中,只開放了3種超寬頻應用設備(醫療顯像系統、室內超寬頻系統、手持超寬頻系統),這3種應用設備仍遠不及涵蓋超寬頻設備的各類應用,根據美國FCC 47 CFR Subpart F - Ultra-Wideband 所制定的法規所示,我國的低功率射頻技術規範尚缺數種超寬頻應用,其中包含最重要且急需的透地雷達和穿透牆壁的成像系統。近年來我國使用透地雷達設備探測管線、搜救生命、考古以及地層研究等已經越來越廣泛,尤其是在國內發生重大災難時的使用,如圖4(a)中所示,在2014年高雄發生氣爆事故後,檢方與專業人員重新回到氣爆現場,使用透地雷達設備探測該區域的管線狀態[5] ;如圖4(b)中所示,在2018年花蓮6.0強震中搜救所用的生命探測儀亦是透地雷達其中一種應用,利用超寬頻脈衝波穿透更深的瓦礫堆,回傳生命跡象之訊號,並即時成像以供專業搜救人員判別[6]

其他各項土木工程、建築結構、材質分析、考古學、地質學、礦業探勘等應用不勝枚舉,目前透地雷達的使用仍需向主管機關以專案申請使用,但若能考量國際上透地雷達的各項技術規範,在不干擾現有各操作頻段射頻設備下,適度的管理與開放,將非常有助帶動我國各項相關的產業蓬勃發展。

超寬頻系統操作頻段3.1 GHz ~ 10.6 GHz所覆蓋之射頻電機頻譜
圖3超寬頻系統操作頻段3.1 GHz ~ 10.6 GHz所覆蓋之射頻電機頻譜[4]
超寬頻系統操作頻段3.1 GHz ~ 10.6 GHz所覆蓋之射頻電機頻譜

(a)2014年臺灣高雄氣爆事故[5]

超寬頻系統操作頻段3.1 GHz ~ 10.6 GHz所覆蓋之射頻電機頻譜

(b)2018年花蓮6.0強震[6]

圖4近年透地雷達所應用於台灣各大重要災害[4]

三、透地雷達的防干擾機制與量測方式

先前我們曾提到透地雷達在美國主要應遵循FCC 47 CFR§15.509,而在歐盟則必須遵守ETSI EN 302 066[7],其詳細技術規範與各項限制如本文整理於表2中所示;首先值得注意的是,不同於一般的防干擾機制使用先聽後送(Listen Before Talk, LBT)、探測回避(Detect and Avoid, DAA)、總功率控制(Total Power Control, TPC)等,無論是美國與歐盟,透地雷達的防干擾機制必須具備手動的操作開關,在操作者釋放該開關後的10秒內,必須使發射機停止運作。制定該防干擾機制的主要原因如先前所提,透地雷達並不是任意的將訊號輻射至自由空間中,與一般我們所認知的通信裝置不同,透地雷達必須緊貼待測物後將超寬頻脈衝波射入,且透地雷達的輻射體側邊由金屬包覆,更可有效抑制側向的輻射洩漏波,是以透地雷達對現有的射頻設備干擾影響程度非常小。除此之外,我國所有的低功率射頻設備不必要發射都必須遵守LP0002 2.8節,以避免干擾其他操作頻段的射頻設備,而根據表3中所示,本文將透地雷達的發射限制值(dBm)轉換成電場強度(dBuV/m)後,其發射限制值要比LP0002 2.8節不必要發射限制值更為嚴格(LP0002 2.8節中大於1 GHz的平均發射電場強度限制值為54 dBuV/m),這意味著對現存的射頻設備來說,透地雷達的全操作頻段所發射之功率會低於一般設備可容忍之干擾值,而不會對其他頻段的射頻設備造成干擾影響。

表2美國與歐盟之透地雷達、牆體顯像系統與穿牆顯像技術規範彙整表
美國與歐盟之透地雷達、牆體顯像系統與穿牆顯像技術規範彙整表
資料來源:本文彙整
表3透地雷達之電場強度限制值
Frequency in MHz EIRP in dBm 3M dBuV/m 1M dBuV/m
Below 960 LP0002 2.8節
960-1610 -65.3 29.9 39.47
1610-1990-53.341.951.47
1990-3100-51.343.953.47
3100-10600-41.353.963.47
Above 10600-51.343.953.47
E[dBuV/m] = EIRP[dBm] - 20 log(d[meters]) + 104.77
where E = field strength and d = distance at which field strength limit is specified in the rules;
E[dBuV/m] = EIRP[dBm] + 104.77, for d = 1 meters.
E[dBuV/m] = EIRP[dBm] + 95.2, for d = 3 meters.
資料來源:本文彙整

透地雷達的量測方式亦是相當特殊的,根據IEEEC63.10-2013 (American National Standard of Procedures for Compliance Testing of Unlicensed Wireless Devices)[8] 中所述,透地雷達量測時必須放置在深度達50cm深的乾沙上,其乾沙的面積則必須可以容納透地雷達的設備,用以模擬透地雷達於實際場域使用之狀況,而乾沙亦有吸收透地雷達所發射垂直入射電場之作用,抑制來自無反射室中來自金屬地面之反射,此時所量測到的電場強度主要應為不必要發射的水平洩漏波,以及各種來自設備之反射、穿透於自由空間的洩漏波,其各頻段所須符合的輻射限制值如前章節中所述;在歐盟ETSI EN 302 066中亦有類似的量測方法,不同的是使用吸波材料來取代乾沙,吸波材料的高度則同樣為50cm,此量測方法可建置於室內無反射室中,或是在郊外的開放場域建置沙坑亦可,其量測設置圖如圖6(a)中所示,該設備為手持式牆體顯像發射器,以及圖6(b)中所示為透地雷達全罩式天線發射器。

歐盟ETSI EN 302 066使用吸波材料之透地雷達量測設置
圖5歐盟ETSI EN 302 066使用吸波材料之透地雷達量測設置
手持式牆體顯像發射器

(a)手持式牆體顯像發射器

透地雷達全罩式天線發射器

(b)透地雷達全罩式天線發射器

圖6透地雷達設備於電信技術中心之輻射量測

四、結論

透地雷達作為非破壞性檢測方式中相當有力的工具之一,在各項相關產業中有著不可或缺的重要性,電信技術中心會繼續致力於透地雷達設備之國際上相關技術規範與法規之研究,並持續與業界、學界與專業人士進行溝通並傳達各項建議於主管機關,作為政府主管機關的重要智庫,持續協助主管機關推動我國射頻通信產業市場蓬勃發展。

(作者為財團法人電信技術中心工程師)

註:感謝智統科技工程股份有限公司提供圖1的透地雷達原理說明,以及圖2國際上使用透地雷達設備應用於各領域之照片。

參考文獻

  1. [1]FCC 02-48-A1: Revision of Part 15 of the Commission’s RulesRegarding Ultra-Wideband Transmission Systems First Report andOrder. February 14. 2002.
  2. [2]中華民國低功率射頻電機技術規範第4.12節
  3. [3]ETSI EG 202 730 Electromagnetic compatibility and Radio spectrumMatters (ERM); Code of Practice in respect of the control, useand application of Ground Probing Radar (GPR) and Wall ProbingRadar (WPR) systems and equipment
  4. [4]NTIA-US Frequency Allocation Chart October 2003
  5. [5]https://news.ltn.com.tw/news/society/breakingnews/1072058
  6. [6]https://news.tvbs.com.tw/life/867693
  7. [7]EN 302 066 (Short Range Devices (SRD); Ground- and Wall-Probing Radar applications (GPR/WPR) imaging systems)
  8. [8]IEEE C63.10-2013 American National Standard of Procedures forCompliance Testing of Unlicensed Wireless Devices
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