海上激光雷达测风浮标系统开发及关键技术分析
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中外 船 舶 科 技 ２ ０ １ ６年 第 ３期
…
（ 接 上期 ）
海 上 激 光 雷 达测 风 浮标 系 统 开 发 及 关 键 技 术 分 析
薛来自百度文库 洋 ， 庞奕辰 ， 窦 培林
（ 江 苏 科 技 大学 船 舶与海洋工程学院 ， 江苏 镇江 ２ １ ２ ｏ ｏ ３ ）
３ 三 个 关 键 问题
基 金 项 目： 江 苏 省 普 通 高 校 研 究 生 科 研 创 新计 划 项 目（ Ｙ Ｓ Ｊ １ ５ Ｓ 一０ ３ ） 作者简 介： 薛洋洋 ， 江 苏科 技 大 学 硕 士 研 究 生 ， 研究方向为船舶与海上结构物性能研究 。
低， 已获得 多家权 威机 构 的性能 验证 和认证 。
台和 Ｔ Ｌ Ｐ平 台 为基础 设计 的浮标 系统 就采 用 了这种 方法； 第 二种 方法 是 利 用 机 械 式 运 动 补偿 机 构 和 运 动补 偿修 正算 法 或 者 二 者 联合 应 用 ， 前 者需 要 用 到 史 都华 平 台 、 平衡 环 等复 杂 的机械 结构 ， 后 者需要 编
激光 雷达 的典 型代表 ， 其 市场 占有率 都很 高 。 ３ ． ２ ． １ Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ ３ ０ ０激光 雷达 测风 系统
Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ ３ ０ ０测 风 系统 ¨ ７ ＿ 是 由英 国 Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ Ｌ ｉ ｄ ａ ｒ 公 司开 发研 制 的一 种 连 续 波激 光 雷 达 ， 已被 广泛 用
多 地减 小对 激光 雷达 测 量 数 据 的影 响 ， 如以 Ｓ ｐ ａ ｒ 平
这种 连续 波激光 雷达 一秒 钟可 以采集 到一 个 圆
周 范 围 内多达 ５ ０个 数据 点 的风况 数据 ， 其所 得数 据 与相 应测 风塔 （ 符合 Ｉ Ｅ Ｃ标 准 ） 所 测数 据具 有高度 相 关性 ， 适 用 于不 同地 区、 气 候 以及 双模 式 （ 地 面 和机 载） 低 空测量 ， 具 有 运 行 稳定 高 效 、 适 应 能 力 强等 特 点 。在 １ ０ —２ ０ ０ ｍ 的测 量 范 围 （ 根 据 客 户要 求 可 增 加至 ３ ０ ０ ｍ） 内， 用 户 可 自定 义 １ ０个 测 量 高度 层 ， 最 低 高度 为 １ ０ ｍ。Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ ３ ０ ０能测 量 包 括 不 同 高度 层 的垂 直／ 水平 风 速 、 风 速切 变 、 风 向切 变 、 湍流强 度 以 及 风机 轮毂 高度 范 围的风 剖面 等风 况数据 。该 系统 可 实 时获得 风况 数据 ， 安装 调试 快速 方便 ， 维护 成本
激光雷 达 是 世 界 上 第 一 种 用 于海 上 测 风 项 目的雷
能 保证 整个 浮标 系统 数 据测量 的精确 度和 可靠 性 。
３ ． １ 运 动 补 偿 方 法
达， 可用在 海上 固定 式平 台或 浮动式 平 台上 ， 其 市场
占有 率 高 达 ９ ０ ％。
利 用激 光 雷达 测量 风速 和风 向 （ 通 常 需要 测 量 ６ ～１ ２个 高 度 层 ） 需要 ４ ． ５～１ ０ ｓ ， 在 这个 时 间段 内 ， 浮式 搭 载平 台 的 运 动 响应 会 使 得 测 量 数 据 产 生 误 差， 且运 动 响应 越大误 差 就越 大 。 目前 ， 解 决浮标 系 统 这个 问题 主要 有 ２种 方 法 ： 第 一 种 方 法是 设 计 一 种 结构 形式 优越 、 运 动 响应较 小 的浮式 平 台 ， 尽 可能
运 动补偿 方 法 、 测 风 激 光 雷 达 的 选 取 和 浮标 平
台运动 响应 对测 量结 果 的影 响直 接关 系着 海上 激光 雷 达测 风浮 标 系统设 计 的成 功与 否 。在海 上风 况数
２类 ， 即脉 冲波 激 光 雷 达 和 连 续 波 激 光 雷 达 。上 文
中提及 的 ８种解决 方 案 中所 搭 载的测 风雷 达 Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ ３ ０ ０系列 和 Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ 系列 分别 属于 连续 波 和脉 冲波
海 上激 光雷 达测 风 浮标 系统 上搭 载 的测风激 光 雷达 设备 是整 个 系 统 测 量 、 收 集 和分 析海 上 风 场 风 数 据 的核心 组成 部分 ， 整个 系 统测 风数 据 的精确 度 、 可靠 性 、 安全 性 等 都 与这 个 核 心 设 备 密 不 可 分 。 目 前， 市场 上用 于海 上 测 风 业 务 的 激 光 雷 达 主要 分 为
写相 应 的运 动补 偿 修 正 算 法 ， 这 种 方 法适 用 于主 尺 度 在 ３～６ ｍ的通用 型 浮标 。
３ ． ２ 测 风 激 光 雷 达 的 选 取
Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ激 光 雷 达 系 统 配 置 了具 有 数 据 分 析 和 处 理能 力 的 Ｗａ ｌ ｔ ｚ 软件（ 图９ ） ， 用 户可 以通过 此软 件 绘 制不 同类 型 的 曲线 ， 形成 不 同的分 析结 果 ， 并 可用 Ｗｏ ｒ ｄ 、 Ｅ ｘ ｃ ｅ ｌ 等 多种 形 式输 出结 果 以形成 报 告 。通 过 远 程登 录方 式 ， 可 实 现 对 现 场设 备 运 行 状 态 和数 据 的实 时监测 ， 并 可 以重 新播 放 以前 的数据 ， 以便更 清
据 测量 过程 中 ， 浮标 平 台 的运 动 响 应 对 不 同类 型 的 测 风激光 雷 达影 响 不 同 ， 采 用 的运 动 补偿 方法 也 有
所不同， 只有 合 理 的浮标 体结 构性 形式 系 统组合 、 相
适 应 的测风 激光 雷达 系 统与 正确 的运 动补 偿方 法才
于陆 地 及海 上 测 风项 目中 ， 可 精确 测 量 １ ０～２ ０ ０ ｍ 范 围 内的风力 数 据 ， 并 据 此 分析 其 特 性 。Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ ３ ０ ０
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（ 接 上期 ）
海 上 激 光 雷 达测 风 浮标 系 统 开 发 及 关 键 技 术 分 析
薛来自百度文库 洋 ， 庞奕辰 ， 窦 培林
（ 江 苏 科 技 大学 船 舶与海洋工程学院 ， 江苏 镇江 ２ １ ２ ｏ ｏ ３ ）
３ 三 个 关 键 问题
基 金 项 目： 江 苏 省 普 通 高 校 研 究 生 科 研 创 新计 划 项 目（ Ｙ Ｓ Ｊ １ ５ Ｓ 一０ ３ ） 作者简 介： 薛洋洋 ， 江 苏科 技 大 学 硕 士 研 究 生 ， 研究方向为船舶与海上结构物性能研究 。
低， 已获得 多家权 威机 构 的性能 验证 和认证 。
台和 Ｔ Ｌ Ｐ平 台 为基础 设计 的浮标 系统 就采 用 了这种 方法； 第 二种 方法 是 利 用 机 械 式 运 动 补偿 机 构 和 运 动补 偿修 正算 法 或 者 二 者 联合 应 用 ， 前 者需 要 用 到 史 都华 平 台 、 平衡 环 等复 杂 的机械 结构 ， 后 者需要 编
激光 雷达 的典 型代表 ， 其 市场 占有率 都很 高 。 ３ ． ２ ． １ Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ ３ ０ ０激光 雷达 测风 系统
Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ ３ ０ ０测 风 系统 ¨ ７ ＿ 是 由英 国 Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ Ｌ ｉ ｄ ａ ｒ 公 司开 发研 制 的一 种 连 续 波激 光 雷 达 ， 已被 广泛 用
多 地减 小对 激光 雷达 测 量 数 据 的影 响 ， 如以 Ｓ ｐ ａ ｒ 平
这种 连续 波激光 雷达 一秒 钟可 以采集 到一 个 圆
周 范 围 内多达 ５ ０个 数据 点 的风况 数据 ， 其所 得数 据 与相 应测 风塔 （ 符合 Ｉ Ｅ Ｃ标 准 ） 所 测数 据具 有高度 相 关性 ， 适 用 于不 同地 区、 气 候 以及 双模 式 （ 地 面 和机 载） 低 空测量 ， 具 有 运 行 稳定 高 效 、 适 应 能 力 强等 特 点 。在 １ ０ —２ ０ ０ ｍ 的测 量 范 围 （ 根 据 客 户要 求 可 增 加至 ３ ０ ０ ｍ） 内， 用 户 可 自定 义 １ ０个 测 量 高度 层 ， 最 低 高度 为 １ ０ ｍ。Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ ３ ０ ０能测 量 包 括 不 同 高度 层 的垂 直／ 水平 风 速 、 风 速切 变 、 风 向切 变 、 湍流强 度 以 及 风机 轮毂 高度 范 围的风 剖面 等风 况数据 。该 系统 可 实 时获得 风况 数据 ， 安装 调试 快速 方便 ， 维护 成本
激光雷 达 是 世 界 上 第 一 种 用 于海 上 测 风 项 目的雷
能 保证 整个 浮标 系统 数 据测量 的精确 度和 可靠 性 。
３ ． １ 运 动 补 偿 方 法
达， 可用在 海上 固定 式平 台或 浮动式 平 台上 ， 其 市场
占有 率 高 达 ９ ０ ％。
利 用激 光 雷达 测量 风速 和风 向 （ 通 常 需要 测 量 ６ ～１ ２个 高 度 层 ） 需要 ４ ． ５～１ ０ ｓ ， 在 这个 时 间段 内 ， 浮式 搭 载平 台 的 运 动 响应 会 使 得 测 量 数 据 产 生 误 差， 且运 动 响应 越大误 差 就越 大 。 目前 ， 解 决浮标 系 统 这个 问题 主要 有 ２种 方 法 ： 第 一 种 方 法是 设 计 一 种 结构 形式 优越 、 运 动 响应较 小 的浮式 平 台 ， 尽 可能
运 动补偿 方 法 、 测 风 激 光 雷 达 的 选 取 和 浮标 平
台运动 响应 对测 量结 果 的影 响直 接关 系着 海上 激光 雷 达测 风浮 标 系统设 计 的成 功与 否 。在海 上风 况数
２类 ， 即脉 冲波 激 光 雷 达 和 连 续 波 激 光 雷 达 。上 文
中提及 的 ８种解决 方 案 中所 搭 载的测 风雷 达 Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ ３ ０ ０系列 和 Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ 系列 分别 属于 连续 波 和脉 冲波
海 上激 光雷 达测 风 浮标 系统 上搭 载 的测风激 光 雷达 设备 是整 个 系 统 测 量 、 收 集 和分 析海 上 风 场 风 数 据 的核心 组成 部分 ， 整个 系 统测 风数 据 的精确 度 、 可靠 性 、 安全 性 等 都 与这 个 核 心 设 备 密 不 可 分 。 目 前， 市场 上用 于海 上 测 风 业 务 的 激 光 雷 达 主要 分 为
写相 应 的运 动补 偿 修 正 算 法 ， 这 种 方 法适 用 于主 尺 度 在 ３～６ ｍ的通用 型 浮标 。
３ ． ２ 测 风 激 光 雷 达 的 选 取
Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ激 光 雷 达 系 统 配 置 了具 有 数 据 分 析 和 处 理能 力 的 Ｗａ ｌ ｔ ｚ 软件（ 图９ ） ， 用 户可 以通过 此软 件 绘 制不 同类 型 的 曲线 ， 形成 不 同的分 析结 果 ， 并 可用 Ｗｏ ｒ ｄ 、 Ｅ ｘ ｃ ｅ ｌ 等 多种 形 式输 出结 果 以形成 报 告 。通 过 远 程登 录方 式 ， 可 实 现 对 现 场设 备 运 行 状 态 和数 据 的实 时监测 ， 并 可 以重 新播 放 以前 的数据 ， 以便更 清
据 测量 过程 中 ， 浮标 平 台 的运 动 响 应 对 不 同类 型 的 测 风激光 雷 达影 响 不 同 ， 采 用 的运 动 补偿 方法 也 有
所不同， 只有 合 理 的浮标 体结 构性 形式 系 统组合 、 相
适 应 的测风 激光 雷达 系 统与 正确 的运 动补 偿方 法才
于陆 地 及海 上 测 风项 目中 ， 可 精确 测 量 １ ０～２ ０ ０ ｍ 范 围 内的风力 数 据 ， 并 据 此 分析 其 特 性 。Ｚ ｅ ｐ ｈ ｌ Ｒ ３ ０ ０