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蔡龍治教授

picture 蔡教授的研究工作主要在高頻電波遙測電離層、電離層中電波傳播,以及相關雷達訊號處理與分析。在國立中央大學服務期間曾操作一數位式電離層探測儀系統(Digisonde),並於中壢、花蓮與龍泉建立與改進三套動態式電離層觀測系統(The ChungLi, HuaLien & LongQuan Dynasondes) ,更深入電離層遙測的科學研究工作及相關系統訊號處理與分析,也為國際間少數同時熟悉此兩套最著名數位式電離層探測儀系統的人士之一, 近年積極參與福爾摩莎三號衛星COSMIC計畫電離層氣象觀測與研究,以及重新建立低緯電離層掃描網(New Low-latitude Ionospheric Tomography Network,簡稱New LITN),目前負責中央大學太空及遙測研究中心所屬的電離層探測實驗室,主持有關各研究工作。就上述領域有下列具體成果,分別敘述如下:

  1. 1. 建立台灣自主全球電離層數值模式,我們將此全球電離層數值模式命名為TWIM (the TaiWan Ionospheric numerical Model),用以即時監測並研究全球電離層的動態變化,並應用Auto-regressive(AR)分析,發展與改良TWIM預測模式。此研究結果,對於發展全球高頻電波(High Frequency)最大通訊頻率的即時預報,同時建立中高頻無線電波於電離層的傳播路徑預估,可對於無線電波通訊與傳播效益等,有極大的助益。同時TWIM可用於修正GPS定位中電離層影響所導致的誤差,使得單頻單站定位精確度在兩米內,單頻雙站定位精確度在十公分內。
  2. 2. 建立中壢、花蓮與龍泉動態式電離層觀測站,該地面電離層觀測站測量資料將用於: (1)經常性電離層監測,有利於高頻通訊預判、電波傳播影響預估(如HF、L-Band、C-Band信號測量、GPS信號測量)與電波傳播分析,經常性資料也可用於電離層理論模式或實驗模式研究,(2)其他近太空及電離層研究,包含電離層風暴觀測、大氣重力波觀測、中性風觀測、隕石觀測等,(3)驗證福爾摩莎衛星三號全球定位/氣象系統電離層電子密度的剖面資訊。
  3. 3. 利用地面電離層觀測站驗證全球定位/氣象系統電離層電子密度的剖面資訊,並發展的中央大學新的電離層電子密度反演技術,考慮電子密度的橫向不均勻分布,以及群遮蔽觀測中非球狀對稱分布結果,進而施行補償性Abel轉換而推導出新的電離層電子密度,以降低反演過程的誤差。另完成相關電離層參數全球數值分析與電離層斷層掃瞄分析。
  4. 4. 重新建立低緯電離層掃瞄網(New Low-latitude Ionospheric Tomography Network,簡稱New LITN),現有的New LITN接收站網包含台灣北部中壢的中央大學、中部嘉義的中正大學、南部風城的海洋生物博物館三個地點,台灣外島的金門、綠島、及南沙太平島,以及日本KuJu及琉球、印尼雅葩里葩里和菲律賓馬尼拉。此系統可整合福衛三號掩星觀測系統,以電離層斷層掃描成像觀測與研究電離層氣象。
  5. 5. 重新建立北台灣電離層動態觀測網:改良原電信總局崙坪台電離層都卜勒暫態變化觀測系統,由類比式成為數位式系統,提高信號接收單位時間至1msec,增加回波強度資料,以及擴充原三個發射站(基隆、新店、石門)至五個發射站(加苗栗、花蓮)使整個電離層觀測面擴及大部份的北台灣,豐富資料面。
  6. 6. 首次提出利用模糊分類技術自動鑑定及認證電離層探測儀電離圖中虛高軌跡,進而得到所需電離層參數(包含電離層臨界電漿頻率,Sporadic E最高/最低電漿頻率,Spread F發生頻率、頻寬、高度分佈等)。
  7. 7. 發展一電離層探測儀的相角參數求取程序。新程序中應用零自由度方法(the zero-freedom technique及最小平方差值方法(the least square method)去求取六個相角參數,更進一步決定訊號反射位置,Doppler值,及回波極化值。此方法去除干擾式天線相角測量的2(360)不明確限度問題,同時使得求取的六個相角參數達到最小平方誤差的最佳值。在美國猶他州立大學電離層探測儀的資料分析中顯示,應用此方法所得到標準誤差小於2。
  8. 8. 發展出一精確且高效率的數值積分方法(the µ´t-fitting technique)應用於電離層中電子密度分佈的實高分析,此新方法不僅可應用於O及X型兩種電離層虛高分佈,考慮地球磁場因素,同時其分析速度可達原積分方法(the Gaussian quadrature method)的2.6倍。
  9. 9. 改良電離層探測儀的接收天線陣列設計,在相關改良設計中減少原有設計(the WERPOL Array)的相對不準確值達33%,同時也改良其回收訊號相角參數的不明確限度(ambiguity)至最大值2 (360)。此改良設計正在我國與美國猶他州立大學太空動態實驗室所屬電離層探測儀使用中。

 

學歷:

學士  國立交通大學電子工程學系,75/6

碩士  美國猶他州立大學電機學系,80/6

博士  美國猶他州立大學電機學系,84/3


經歷:

編輯  101/8-  Terr., Atmos. and Oceanic Sciences (TAO)

教授  91/8-  國立中央大學太空及遙測研究中心

訪問學者  98/9-99/7  美國猶他州CASS/USU

主任  93/8-97/7  國立中央大學學務處諮商輔導中心

副教授  5/8-91/7   國立中央大學太空及遙測研究中心

訪問學者  88/9-89/2  美國科蘿拉多州 NCAR

講師  84/8-85/7  國立中央大學太空及遙測研究中心

Research Assistant  80/7-84/3  美國猶他州立大學 Space Dynamic Laboratory

技術人員兼助教  77/7-78/6  國立交通大學半導體研究中心


學術獎與榮譽:

2010年國立中央大學學術研究傑出獎

2011年國立中央大學學術研究傑出獎

Most Cited Article Award, Tsai, L.-C., C.H. Liu, and T. Y. Hsiao (2009), Profiling of ionospheric electron density based on the FormoSat-3/COSMIC data: results from the intense observation period experiment, Terr. Atmos. Ocean. Sci., 20, 181-191, doi: 10.3319/TAO.2007.12.19.01(F3C).


專長:

電離層物理、雷達信號處理


參加學會:

80-現在  美國地球物理學聯合協會(AGU)會員

90-現在  歐洲地球物理學聯合協會(EGU)會員

83-現在  國際電離層探測儀網協會(INAG)會員

95-現在  國際無線電波聯合協會(URSI)會員

86-現在  中華民國航空測量及遙感探測學會會員


主持:

電離層探測實驗室

 

 

福爾摩沙衛星三號資料分析 --- FormoSat-3/COSMIC

於西元2006年中升空的福爾摩沙衛星三號(FormoSat-3),可藉由接收美國全球定位衛星(GPS) 訊號的掩星觀測技術(Radio Occultation,RO),來反演電離層垂直剖面的電漿濃度資料。此福爾摩沙衛星三號是由六顆微衛星所組成,每日可以提供2000筆以上全球分布的掩星觀測資料,對於全球電離層觀測有莫大的幫助。從西元2000年以來本實驗室不僅每日持續對於掩星資料進行分析與反演垂直電漿濃度資料外,亦不斷在研究與改進其反演的技術,並將其資料做進一步的運用,如運用不同掩星資料進行電離層斷層掃描、開發電離層數值模式等。


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臺灣自主電離層數值模式 -- TWIM

TaiWan Ionospheric Model

台灣自主電離層數值模式(TWIM)是由蔡龍治教授於西元2008年所開發,主要是利用我國福爾摩沙衛星三號中GPS掩星觀測所提供的垂直電漿剖面資料所製作出的數值模式,為純粹採用實際觀測資料所製成的經驗模式,可提供從西元2007年至今全球電離層D、E、F1、F2層、TEC…等相關資料;其經由簡化的計算即能快速且方便使用於其他應用上,作為電波傳播預測、GPS誤差估計、電離層斷層掃瞄…等電離層基礎資料。至今此模式依舊不斷再進一步的更新,除了原有使用的FS3/COSMIC資料外,也開始加入他國衛星的資料,以提供更為即時與準確的電離層模式。

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低緯度電離層斷層掃瞄網 --- New-LITN

New Low latitude Ionospheric Tomographic Network

延續1994年的研究,於2006年再次以臺灣為中心建置了第二代的低緯度電離層斷層掃描網,將其原有鏈節擴展形成一網路系統,在東亞地區建設十組接收站,其分布位置向北延伸至日本九州往南延伸至印尼地區,並可接收COSMIC中的三頻信號標(TBB),除了原有縱向電離層剖面重建外更增加了斜向方向的重建,在擴展形成網路系統後除了基本的電腦斷層掃描外,也能更進一步對於東亞地區的電離層不規則體進行觀測。

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動態式電離層探測儀 --- Dynasonde

  兩部動態式電離層探測儀分別建置在中壢中央大學與花蓮東華大學,系統的觀測示意圖如上圖所示。此兩套系統之目的為進行台灣地區太空氣象觀測與預報、電離層的學術研究以及中高頻環境電波監測與通信管理等。
  觀測模式有二:1.主動模式可以提供即時的電離層資訊;2.被動模式可以提供背景噪音的監測結果,協助找出適當的空窗頻率進行通訊傳播。上圖分別為主動(右)與被動(左)模式的觀測結果。

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未來展望

測量資料將用於: (1)經常性電離層監測,有利於高頻通訊預判、電波傳即將建立一中壢動態式電離層觀測站(The Chung-Li Dynasonde),該地面電離層觀測站播影響預估(如HF、L-Band、C-Band信號測量、GPS信號測量)與電波傳播析,經常性資料也可用於電離層理論模式或實驗模式研究,(2)其他近太空及電離層研究,包含電離層風暴觀測、大氣重力波觀測、中性性風觀測、隕石觀測等,(3)驗證中華衛星三號全球定位/氣象系統(Global Positioning System / Meteorology, GPS/MET)電離層電子密度的剖面資訊。 -在利用地面電離層觀測站驗證全球定位/氣象系統電離層電子密度的剖面資訊上,已應用北猶他州熊湖及原中壢一電離層觀測儀之電離層資料驗證了美國大氣研究大學公會(the University Corporation for Atmospheric Research, 簡稱UCAR)在西元1995年至西元1997年全球定位/氣象系統無線電波遮蔽觀測所得的北猶他州及中壢上空電離層電子密度剖面資訊。 連絡方式 電話: 886-3-4227151 轉 57621 傳真: 886-3-4255535 電子信箱l:lctsai@csrsr.ncu.edu.tw

實驗室其他成員

姓名 職位 工作內容
張蘭惠 行政助理 行政事務處理
張宜昌 太遙中心技士 協助實驗室之儀器維護(ITS衛星接收機)
張雅莉 研究助理 DYNASONDE資料處理及儀器維護
馬正欽 博士班四年級  
鄭長文 研究所二年級  
程海翔 研究所一年級  

 

Publications

Stiles, G. S., F. T. Berkey, B. Whatcott, and L.-C. Tsai, The use of transputer for real-time data processing in an ionospheric radar, Applications of Transputers 3, IOS Press, Amsterdam, pp. 1-6, 1991.

Tsai, L.-C., F. T. Berkey, and G. S. Stiles, On the derivation of an improved parameter configuration for the Dynasonde, Radio Sci., 28 (5), 785-793, 1993.

Tsai, L.-C., F. T. Berkey, and G. S. Stiles, The true-height analysis of ionograms using simplified umerical procedures, Radio Sci., 30 (4), 949-959, 1995.

Tsai L.-C., F. T. Berkey, and G. S. Stiles, Derivation and error analysis of echo phase parameters for the dynasonde, Radio Sci., 32 (2), 557-566, 1997.

Tsai L.-C., J. Y. Liu, F. T. Berkey, and G. S. Stiles, The use of level singular value decomposition techniques for vector velocity determinations and its application to TID observations, Adv. Space Res., 20 (6), 1277-1280, 1997.

Tsai L.-C., and J. Y. Liu, Ionospheric observations of the solar eclipse on 24 Oct. 1995 at Chung-Li, Terrestial, Atmospheric and Oceanic Sciences, 8 (2), 221-232, 1997.

Liu, J.Y., C. C. Hsiao, L. C. Tsai, C. H. Liu, F. S. Kuo, H. Y. Lue, C. M. Huang, Vertical phase and group velocities of ionospheric gravity waves derived from ionograms, J. of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 60, 1679-1686, 1998.

鄭惇仁,蔡龍治,應用模糊集合理論於中壢電離層探測儀自動化電離圖判讀,物理雙月刊, 21(5), 592-599, 1999.

Liu, J. Y., H. F. Tsai, L.-C. Tsai, and M. Q. Chen, Ionospheric total electron content observed during the 24 October 1995 solar eclipse, Adv. Space Res., 24(11), 1495-1498, 1999.

Liu, J. Y., H. F. Tsai, C.-C. Wu, C. L. Tseng, L.-C. Tsai, W. H. Tsai, K. Liou, and J. K. Chao, The effect of geomagnetic storm on ionospheric total electron content at the equatorial anomaly region, Adv. Space Res., 24(11), 1491-1494, 1999.

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蔡龍治、蕭棟元、陳政儀、蔡偉雄、朱延祥、劉兆漢,福衛三號於全球電離層氣象觀測與研究,物理雙月刊, ?28(6), 896-909, 2006.

Tsai, L.-C., C.H. Liu, and T. Y. Hsiao,Profiling of ionospheric electron density based on the FormoSat-3/COSMIC data: results from the intense observation period experiment, Terr. Atmos. Ocean. Sci. (SCI Journal), 20, 181-191, doi: 10.3319/TAO.2007.12.19.01(F3C).2009

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Hsiao, T. Y., L.-C. Tsai, and C. H. Liu, The initial results of coherent beacon radio receiving systems of transit satellites for low-latitude scintillation near Taiwan, Terr. Atmos. Ocean. Sci. (SCI Journal), 20, 261-271, doi: 10.3319/TAO.2007.12.03.01(F3C).2009

Hsu, M.-L, P. K. Rajesh, J. Y. Liu, L.-C. Tsai, H.-F. Tsai, C.-H. Lin, K. F. Dymond, C. Coker, D. H. Chua, S. A.Budzien, and C.-Z. Cheng (2009), Ionospheric electron density concurrently derived by TIP and GOX of FORMOSAT-3/COSMIC, Terr. Atmos. Ocean. Sci. (SCI Journal), 20, 207-214, doi: 10.3319/TAO.2008.04.24.02(F3C)

Tsai, L.-C., C.H. Liu, T. Y. Hsiao, and C. C. Chang (2009), Maps of the ionospheric F2-layer characteristics derived from GPS radio occultation observations, Terrestial, Atmospheric and Oceanic Sciences (SCI Journal), doi:10.3319/TAO.2008.07.07.02(AA).

Tsai, L.-C., C. H. Liu, T. Y. Hsiao, and J. Y. Huang (2009), A near real-time phenomenological model of ionospheric electron density based on GPS radio occultation data, Radio Science (SCI Journal), 44, doi:10.1029/2009RS004154.

Kakinami, Y., J. Y. Liu, L.-C. Tsai and K.-I Oyama (2010), Ionospheric electron content anomalies detected by a FORMOSAT-3/COSMIC empirical model before and after the Wenchuan earthquake, International Journal of Remote Sensing (SCI Journal), Vol. 31, 13, 3571-3578.

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Dmitriev, A. V., P. T. Jayachandran, L.-C. Tsai (2010), Elliptical model of cutoff boundaries for the solar energetic particles measured by POES satellite in December 2006, J. Geophys. Res. (SCI Journal), doi:10.1029/2010JA015380.

Tsai, L.-C., K. Kevin Chang, and C. H. Liu (2011), GPS radio occultation measurements on ionospheric electron density from low Earth orbit, Journal of Geodesy (SCI Journal), doi:10.1007/s0019001104769.

Suvorova, A. V., L.-C. Tsai1, A. V. Dmitriev (2011), On relation between mid-latitude ionospheric ionization and quasi-trapped energetic electrons during 15 December 2006 magnetic storm, Planetary and Space Science, doi:10.1016/j.pss.2011.11.001.

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Macalalad, E. P., L.-C. Tsai, J. Wu, C.H.Liu (2012), Application of the TaiWan Ionosphere Model to Single-Frequency Ionospheric Delay Corrections for GPS Positioning, GPS Solution, doi:10.1007/s10291-012-0282-8.

陳冠宏,吳究,蔡龍治,陳揚仁 (2012),改良式模稜函數法應用於台灣地區GNSS定位研究,地籍測量學會會刊, 第卅卷第3 期,第22-36 頁.

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