某船航行狀態(tài)螺旋式測(cè)風(fēng)傳感器風(fēng)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(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 26600）

引言

風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量對(duì)船舶航行、系泊、防臺(tái)、救援等有重要的作用，其提供的風(fēng)速信息更是船舶安全航行的主要參數(shù)之一。某船上裝有兩臺(tái)螺旋槳式測(cè)風(fēng)傳感器，但是由于安裝位置的局限性，易被其他設(shè)備遮擋，從而影響其測(cè)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(rèn)為無(wú)干擾影響，作為此次試驗(yàn)的基準(zhǔn)傳感器。本文對(duì)航行狀態(tài)下風(fēng)速測(cè)量的誤差進(jìn)行了分析［1－3］。

1 儀器安裝情況

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

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

螺旋槳式測(cè)風(fēng)傳感器啟動(dòng)風(fēng)速為1.0m／s，剔除基準(zhǔn)傳感器風(fēng)速在1.6m／s以下的樣本，保留樣本量19.4萬(wàn)條。

船舶在正常航行過(guò)程中，測(cè)風(fēng)傳感器測(cè)得的相對(duì)風(fēng)多是正面來(lái)風(fēng)，而船尾來(lái)風(fēng)較少。航行樣本按風(fēng)向角度劃分的分布圖呈兩頭多中間少的態(tài)勢(shì)（如圖2所示）。

圖1 測(cè)風(fēng)傳感器布置情況示意圖

圖2 航行樣本按角度分布

3 數(shù)據(jù)分析

按照風(fēng)速等級(jí)劃分，得到2～9級(jí)風(fēng)速相對(duì)誤差曲線圖，列舉部分（如下頁(yè)圖3、4、5所示）。

由圖3、圖4、圖5得知，圖中某一個(gè)角度上同時(shí)為0時(shí)，表示該角度上樣本數(shù)量為零，沒(méi)有意義；而只有氣象儀輸出值一項(xiàng)為零時(shí)，表示樣本數(shù)量不為零，此時(shí)風(fēng)速相對(duì)誤差為零，是由于數(shù)據(jù)有效位為小數(shù)點(diǎn)后兩位，取舍時(shí)恰好為零，例如解算得相對(duì)誤差為0.001 45時(shí)，取舍時(shí)為零。

圖3 航行階段2級(jí)風(fēng)速相對(duì)誤差

圖4 航行階段5級(jí)風(fēng)速相對(duì)誤差

圖5 航行階段9級(jí)風(fēng)速相對(duì)誤差

左舷風(fēng)速在［0°，45°］角度區(qū)間、［315°，355°］角度區(qū)間相對(duì)誤差低于20%，說(shuō)明這兩個(gè)區(qū)間基本不受遮擋影響，此時(shí)測(cè)量誤差是由于螺旋槳式傳感器和超聲傳感器的機(jī)械誤差和安裝高度差引起的［4］。在［50°，160°］角度區(qū)間，風(fēng)速相對(duì)誤差急劇增大，從圖1測(cè)風(fēng)傳感器安裝位置示意圖可以看出，在這一角度區(qū)間，左舷風(fēng)傳感器先是受中間導(dǎo)航雷達(dá)的影響，后受中間球形雷達(dá)的遮擋。在［165°，195°］角度區(qū)間，主要是倒車或轉(zhuǎn)向時(shí)采集的數(shù)據(jù)。在［200°，310°］角度區(qū)間，左舷風(fēng)傳感器風(fēng)速相對(duì)誤差先是不大，后來(lái)變大到0.4～0.5，然后又減少，從圖1測(cè)風(fēng)傳感器安裝位置示意圖可以看出，左舷風(fēng)傳感器外側(cè)的燈和天線對(duì)這一區(qū)間的中間區(qū)域的風(fēng)速有影響。2級(jí)風(fēng)速以下，在［60°，180°］區(qū)間受影響較大，超過(guò)40%以上；隨著風(fēng)速的增大，誤差曲線呈雙峰的形態(tài)，在以100°為中心的區(qū)間主要受球形雷達(dá)和導(dǎo)航雷達(dá)1的干擾，在以280°為中心的區(qū)域主要是受航行燈和天線的影響。

右舷風(fēng)速在［0°，30°］角度區(qū)間、［300°，355°］角度區(qū)間相對(duì)誤差在20%左右，這說(shuō)明兩個(gè)區(qū)間不存在擋風(fēng)情況，測(cè)量誤差是由于螺旋槳式傳感器和超聲傳感器的機(jī)械誤差和安裝高度差引起的。在［35°，165°］角度區(qū)間，右舷風(fēng)速相對(duì)誤差先是逐漸加大，后維持在高位，然后有所減少，從圖1測(cè)風(fēng)傳感器安裝位置示意圖可以看出，右舷風(fēng)傳感器先會(huì)受外側(cè)的燈和未知名設(shè)備1對(duì)這一區(qū)間影響，然后受后面的導(dǎo)航雷達(dá)影響。在［200°，295°］角度區(qū)間，右舷風(fēng)速先是急劇加大，后維持在高位，然后減少，從圖1測(cè)風(fēng)傳感器安裝位置示意圖可以看出，在這一角度區(qū)間，左舷風(fēng)傳感器先是受中間球形雷達(dá)的遮擋，后受中間導(dǎo)航雷達(dá)的影響。右舷風(fēng)速誤差曲線呈三峰狀態(tài)，在以60°為中心的區(qū)域主要受外側(cè)航行燈和未知名設(shè)備1的影響；在以150°為中心的區(qū)域主要受導(dǎo)航雷達(dá)2的轉(zhuǎn)動(dòng)干擾；在以260°為中心的大區(qū)域主要受球形雷達(dá)的遮擋影響。

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)速誤差在［0°，50°］、［165°，195°］、［300°，355°］角度區(qū)間風(fēng)速相對(duì)誤差低于20%；在150°附近風(fēng)速誤差最大，超過(guò)40%以上，在這一區(qū)域，左舷受球形雷達(dá)的遮擋，右舷受導(dǎo)航雷達(dá)2的干擾。

［1］ 閻啟，謝強(qiáng)，李杰.風(fēng)場(chǎng)長(zhǎng)期觀測(cè)與數(shù)據(jù)分析［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，26（1）：37－42.

［2］ 鄧昌建，張江林，王保強(qiáng).超聲波測(cè)風(fēng)儀設(shè)計(jì)中幾個(gè)問(wèn)題的探討［J］.成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22（5）：581－583.

［3］ 林志遠(yuǎn).風(fēng)能資源及測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)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(fēng)速換算關(guān)系的研究成果［J］.海洋科學(xué)，1989，63（3）：27－31.