逸奇教育訓練課程

時頻分析-理論，實作，與地球科學的實例探討

(課程編號:VS07-02)

課程內容

　　能源、水資源和環境為本世紀所面臨的十大挑戰問題，分占第一、二、四位。面對全球氣候變遷之河海衝擊、水環境改善與永續利用及河海生態等科技研發和相關的政策如何擬定已成為當今最需正視之議題。

　　本次課程將從地球科學的角度出發，探討相關之訊號如潮汐，溫度，地下水，地震等，多含有週期性的訊號。相較於靜態的頻譜分析，時頻分析除了解析訊號中隱含的頻率，還提供了頻率隨時間變化的情形。時頻概念的理解，有助於更深入的瞭解各種不同頻率所隱含的意義。應用的範圍包含地震地下水的關連，溫度變遷與全球暖化，海嘯與潮汐等。時頻分析常用的方法有Short-TermFourier Analysis, Wavelet Transform, 以及由黃鍔院士所提出的Hilbert-Huang Transform。

課程大綱

講者：王逸民 博士
講題：高解析度小波轉換與其在地下水位的分析應用

作為頻譜分析的進階分析，時頻分析展現比頻譜分析更深的解析度。地球科學相關的時序列資料，往往可在時頻圖裡找到隱含的週期物理特性。介紹時頻分析相關的理論，包含對非線性分析相當有用的黃鍔法（Hilbert-Huang Transform），並介紹應用的實例。

理論介紹：   

1. Short-Term Fourier Transform
2. Wavelet (Morlet) Transform
3. Iterative Gaussian Smooth Filter
4. Instantaneous Frequency and Hilbert Transform
5. Hilbert Huang Transform
6. Teager Energy Operator

地下水相關分析：

1. 如何利用地下水的時頻圖找出地震相關訊息
2. 地下水收水行為分析，含日均水位分析，週均水位分析，
3. 地下水的潮汐現象探討：感潮，海水入侵，引力？
4. 利用黃鍔法(HHT)可將水位訊號的成因做分離
5. 利用時頻技術做抽水量的初步預估

波浪與潮汐及地震相關分析：   

• 海嘯及波浪與天文潮訊號之分離與辨識，利用黃鍔法與高斯疊帶法
• 地震引起建物自然頻率的估算

講者：尹孝元 博士
講題：土石流觀測系統及現地土石流地聲訊號之分析探討

行政院農業委員會水土保持局自2002年起於全台各地建置13處自動化土石流觀測站，其目的為蒐集本土化之現場土石流觀測資訊，掌握土石流的發生及動態，瞭解土石流運動過程中各項行為機制，做為未來設計各項土石流防治措施及學術研究的參考。自動化土石流觀測系統主要可分為現場觀測儀器、前端儀器屋、中端傳輸模組、後端展示系統四大部分，各觀測站現有之觀測儀器包括雨量計、CCD攝影機（含投射燈）、鋼索檢知器、地聲檢知器及超音波水位計等，其中特別針對位於南投縣信義鄉神木村的土石流觀測站於2004年7月2日敏督利颱風期間所蒐集到的現場土石流地聲資料進行分析探討。現場量測之土石流地聲訊號同時由快速傳立葉轉換(FFT)及Gabor轉換進行分析，以求得土石流地聲訊號在頻域及時間－頻域上的特性，結果顯示南投縣信義鄉神木村愛玉子溪土石流地聲訊號之頻率，符合一般文獻上記載土石流地聲頻率屬於相對低頻的範圍。此外由Gabor轉換的結果可看出土石流前端地聲頻率低於土石流尾流的部分，符合影像中觀察之土石流前端巨礫集中的物理現象。此外由序列式地聲檢知器埋設方式做算出土石流波前平均速度為13.3m/s，與觀察動態影像所得之結果13m/s相當接近，顯示序列式土石流地聲檢知器為一有效量測土石流波前流速的方法，而不同的量測地點會對土石流地聲訊號強度及量測效能造成相當程度的影響。

講者：莊文傑 博士
講題：時頻分析與花蓮港的長波波源辨識

針對1994年在花蓮港港外水深約20米處之測量資料，進行長波成分的辨識，尤其是應用有限長度(~1024秒)的波動紀錄，以確認週期介於30至300秒間的亞重力波(Infragravity Waves，Frequency normally distributed from 0.003 to 0.03 Hz)的存在性、振幅(或能譜)大小、及其時頻的變化。

講者：王地寶 博士
講題：高效能計算與視覺化處理解決方案

　　隨著科技迅速發展，科學計算者面臨的是日趨龐大的計算資料量，和越來越複雜的模擬模式。為滿足科學計算者的需求，許多套裝軟體應運而生，但套裝軟體只能滿足特定需求，面對較複雜的動態模擬時，使用者仍須自行開發程式。

　　MATFOR，即針對此需求提供一套呼叫語法簡易、具有動態計算繪圖的即時視覺化功能，且能於Fortran90/95、C++環境中快速執行的數值暨繪圖函式庫，同時進行高品質的即時資料目視、動畫模擬、圖形除錯、讓你在單一環境中完成開發、簡報製作。 除了讓使用者邊計算邊繪圖，也能將動態繪圖存成Movie-like 動畫檔案，可單獨於簡報或是學術會議上播放其傑出的研究成果。

講者：郭泰宏 博士候選人
講題：視覺化時頻分析工具介紹

　　頻率為時間訊號的重要特徵 , 傳統的用頻譜分析來了解一段時間內頻譜的分布 ,( 傅利葉分析 ) 但有時 , 我們更有興趣的是頻率隨時間變化的情形 , 如聲音語調的變化 , 不同潮夕頻率 , 如一日潮半日潮變化的情形 ; 又如機器運轉特異震動的頻率出現的時間其持續的長短 ;

　　逸奇科技為了幫助這些訊號分析的研究者，特別研發一套視覺化訊號分析軟體工具 - Visual Signal ，透過這套工具，分析者只要簡單的拖曳圖示來指定輸入的訊號資料檔案，以及用哪種分析方法來處理訊號，就能夠不撰寫程式輕鬆的檢視分析圖形結果。

議程

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