某船航行狀態螺旋式測風傳感器風速誤差分析

姬延軍， 王 平（.海軍駐青島造船廠軍事代表室；2.山東省海洋環境監測技術重點實驗室；3.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 26600）

引言

風速風向測量對船舶航行、系泊、防臺、救援等有重要的作用，其提供的風速信息更是船舶安全航行的主要參數之一。某船上裝有兩臺螺旋槳式測風傳感器，但是由于安裝位置的局限性，易被其他設備遮擋，從而影響其測量精度。為了解誤差情況，特在船上空間開闊處安裝一超聲波傳感器，默認為無干擾影響，作為此次試驗的基準傳感器。本文對航行狀態下風速測量的誤差進行了分析［1－3］。

1 儀器安裝情況

螺旋槳式測風傳感器分別安裝于艦船兩側桅桿上。在艏05甲板的開闊區域焊接一基座，基座上安裝一根長約9m的支撐桿，支撐桿周圍由鋼索牽引固定，超聲波測風傳感器安裝于該支撐桿上（如圖1所示）。

2 數據質量控制

螺旋槳式測風傳感器啟動風速為1.0m／s，剔除基準傳感器風速在1.6m／s以下的樣本，保留樣本量19.4萬條。

船舶在正常航行過程中，測風傳感器測得的相對風多是正面來風，而船尾來風較少。航行樣本按風向角度劃分的分布圖呈兩頭多中間少的態勢（如圖2所示）。

圖1 測風傳感器布置情況示意圖

圖2 航行樣本按角度分布

3 數據分析

按照風速等級劃分，得到2～9級風速相對誤差曲線圖，列舉部分（如下頁圖3、4、5所示）。

由圖3、圖4、圖5得知，圖中某一個角度上同時為0時，表示該角度上樣本數量為零，沒有意義；而只有氣象儀輸出值一項為零時，表示樣本數量不為零，此時風速相對誤差為零，是由于數據有效位為小數點后兩位，取舍時恰好為零，例如解算得相對誤差為0.001 45時，取舍時為零。

圖3 航行階段2級風速相對誤差

圖4 航行階段5級風速相對誤差

圖5 航行階段9級風速相對誤差

左舷風速在［0°，45°］角度區間、［315°，355°］角度區間相對誤差低于20%，說明這兩個區間基本不受遮擋影響，此時測量誤差是由于螺旋槳式傳感器和超聲傳感器的機械誤差和安裝高度差引起的［4］。在［50°，160°］角度區間，風速相對誤差急劇增大，從圖1測風傳感器安裝位置示意圖可以看出，在這一角度區間，左舷風傳感器先是受中間導航雷達的影響，后受中間球形雷達的遮擋。在［165°，195°］角度區間，主要是倒車或轉向時采集的數據。在［200°，310°］角度區間，左舷風傳感器風速相對誤差先是不大，后來變大到0.4～0.5，然后又減少，從圖1測風傳感器安裝位置示意圖可以看出，左舷風傳感器外側的燈和天線對這一區間的中間區域的風速有影響。2級風速以下，在［60°，180°］區間受影響較大，超過40%以上；隨著風速的增大，誤差曲線呈雙峰的形態，在以100°為中心的區間主要受球形雷達和導航雷達1的干擾，在以280°為中心的區域主要是受航行燈和天線的影響。

右舷風速在［0°，30°］角度區間、［300°，355°］角度區間相對誤差在20%左右，這說明兩個區間不存在擋風情況，測量誤差是由于螺旋槳式傳感器和超聲傳感器的機械誤差和安裝高度差引起的。在［35°，165°］角度區間，右舷風速相對誤差先是逐漸加大，后維持在高位，然后有所減少，從圖1測風傳感器安裝位置示意圖可以看出，右舷風傳感器先會受外側的燈和未知名設備1對這一區間影響，然后受后面的導航雷達影響。在［200°，295°］角度區間，右舷風速先是急劇加大，后維持在高位，然后減少，從圖1測風傳感器安裝位置示意圖可以看出，在這一角度區間，左舷風傳感器先是受中間球形雷達的遮擋，后受中間導航雷達的影響。右舷風速誤差曲線呈三峰狀態，在以60°為中心的區域主要受外側航行燈和未知名設備1的影響；在以150°為中心的區域主要受導航雷達2的轉動干擾；在以260°為中心的大區域主要受球形雷達的遮擋影響。

4 結語

風速誤差在［0°，50°］、［165°，195°］、［300°，355°］角度區間風速相對誤差低于20%；在150°附近風速誤差最大，超過40%以上，在這一區域，左舷受球形雷達的遮擋，右舷受導航雷達2的干擾。

［1］ 閻啟，謝強，李杰.風場長期觀測與數據分析［J］.建筑科學與工程學報，2009，26（1）：37－42.

［2］ 鄧昌建，張江林，王保強.超聲波測風儀設計中幾個問題的探討［J］.成都信息工程學院學報，2007，22（5）：581－583.

［3］ 林志遠.風能資源及測風數據整理技巧［J］.廣東電力，2003，16（5）：69－72.

［4］ 陳永利，趙永平，張必成，等.海上不同高度風速換算關系的研究成果［J］.海洋科學，1989，63（3）：27－31.