[發明專利]一種船舶海面風速、風向測量數據偏差校正方法

有效

• 申請號: 201710259709.7
• 申請日: 2017-04-19
• 公開（公告）號: CN107145647B
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發明（設計）人: 胡桐;成文;韓冰;漆隨平;郭顏萍;王東明;鄒靖;宮永翔
• 申請（專利權）人: 山東省科學院海洋儀器儀表研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/15;G06T17/10
• 代理公司: 青島華慧澤專利代理事務所(普通合伙) 37247
• 代理人: 劉娜;李新欣

本發明公開了一種船舶海面風速、風向測量數據偏差校正方法，包括如下步驟：船體和上層建筑三維幾何建模；船體周圍鈍體繞流氣流場仿真；最小二乘支持向量機回歸建模；測風傳感器測量數據校正；海面真風速和真風向解算。利用該方法得到高質量的海面平均真風速、真風向數據可用于計算海氣通量、構建海面風再分析數據資料、建立海洋模式驅動場、研究海氣耦合模式等。對于不同船型，本發明通過計算流體力學仿真獲得船體周圍鈍體繞流氣流場，相比通過實船實驗數據建模校正海面風測量數據偏差的方法，能夠縮短實驗時間并節省實驗資源。

技術領域

本發明涉及一種船舶海面風速、風向測量數據偏差校正方法。

背景技術

船舶是海面風速、風向等氣象要素的重要觀測手段，能夠提供長期并且連續的觀測記錄。高質量的海面風速、風向觀測數據被用于保障船舶航行安全，服務海洋氣象科學研究和海上國防軍事建設。船舶航行時，船體和上層建筑對海面自由來流存在遮擋，使氣流產生畸變。畸變后的氣流經過測風傳感器安裝位置并由測風傳感器測量獲得相對風矢量，其與未受干擾的海面自由來流在速度和方向上存在偏差。提高測風傳感器的測量精度并不能將這類偏差消除或者降低。由于測風傳感器實際測量的是畸變氣流，輸出的是含有偏差的相對風矢量，該矢量與航速矢量進行矢量合成后得到海面真風矢量，也就造成了海面真風速、真風向與環境真實值存在偏差。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供了一種船舶海面風速、風向測量數據偏差校正方法，以達到提高船舶海面平均真風速、真風向數據質量的目的。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種船舶海面風速、風向測量數據偏差校正方法，包括如下步驟：

(1)船體和上層建筑三維幾何建模：建立船舶水線以上部分的全尺寸三維幾何模型，忽略對氣流影響較小的附體結構；

(2)船體周圍鈍體繞流氣流場仿真：建立計算域，劃分網格并設置邊界條件，通過穩態計算得到不同迎風角度條件下的船體周圍鈍體繞流氣流場，輸出計算域入口和測風點處氣流的平均流速和流向，得到仿真輸出數據；

(3)最小二乘支持向量機回歸建模：對仿真輸出數據，以測風點處相對風向為自變量，以測風點與計算域入口風速比值和風向差值為因變量，回歸得到數據之間的非線性映射關系；

(4)測風傳感器測量數據校正：將測風傳感器測量的相對風向滑動平均值依次代入步驟(3)建立的非線性映射關系中，得到各時間點對應的迎風角度條件下測風點處氣流與海面自由來流速度的比值和方向的差值，分別校正測風傳感器測量的相對風速和相對風向的滑動平均值，得到校正后的平均相對風矢量時間序列；

(5)海面真風速和真風向解算：將校正后的相對風矢量時間序列與船舶測速設備輸出的航速矢量時間序列進行合成，計算得出海面真風速、真風向時間序列。

上述方案中，步驟(1)中只對船體水線以上部分建立三維幾何模型。對船體和上層建筑附體進行適當刪減有助于網格劃分并降低計算量，而對測風點周圍附體做適當保留有助于還原局部氣流場細節，實際操作過程中可根據計算平臺性能做相應調整。

上述方案中，所述步驟(2)中，計算域采用圓柱體，船舶三維幾何模型置于圓柱體的底面中心，底面圓半徑R不小于3倍船長，圓柱體高度H不小于1倍船長。計算域采用銅錢狀劃分，內部計算域為方體并劃分非結構網格，外部計算域由內部方體底面上的兩條對角線和經過其交點且垂直于底面的法線所構成的平面分割為四個部分并劃分結構網格。