CN111308501A - 激光雷达测风浮标海上对比验证试验场及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光雷达测风浮标海上对比验证试验场及其试验方法，包括海上固定式测风塔，海上固定式测风塔上设有多个风速风向传感器，多个风速风向传感器由上而下分多层布置在海上固定式测风塔上，每个风速风向传感器形成了一个测风对比验证高度层。本发明能全面可靠地在实际海洋环境下完成试验浮动式激光雷达测风浮标系统装置海上对比验证，同时可一次试验完成三个测风源五个高度层测风数据的相互对比，并能够有效地开展浮动式激光雷达测风浮标的测风敏感性试验和分析，整个试验场及试验运行方法可靠高效、运行操作方便。

Description

激光雷达测风浮标海上对比验证试验场及其试验方法
技术领域
本发明属于浮动式激光雷达测风浮标试验技术领域，特别涉及一种激光雷达测风浮标海上对比验证试验场及其试验方法。
背景技术
随着我国海上风电逐渐向深远海海域发展，传统的固定式海上测风塔技术无论在投资成本经济性、海上施工难度和快速实现测风的时效性等方面的劣势越来越明显，因此基于激光雷达技术的浮标式测风方案逐渐成为大家研究和关注的焦点。
近些年了国内关于浮动式激光雷达测风浮标的研究有了较大的进展，出现了几项系统解决方案及试验样机，但作为新产品新技术的浮动式激光雷达测风浮标在得到国内市场认可之前需要进行严格的验证和测试，同时一个完善的、标准的第三方海上试验场或平台和一套合理可行的验证测试方法至关重要，然而这两方面还处于空白阶段。
发明内容
鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的激光雷达测风浮标海上对比验证试验场及其试验方法，能够为浮动式激光雷达测风浮标的验证测试提供一个完善的海上试验及验证场，有效地对该项新产品新技术进行系统的海上对比验证和测试，客观地对其测风的可靠性、准确性进行试验评估，以促进浮动式激光雷达测风浮标技术的可行性和商业化进程，并推动市场化发展。
为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：
一种激光雷达测风浮标海上对比验证试验场，包括海上固定式测风塔，海上固定式测风塔上设有多个风速风向传感器，多个风速风向传感器由上而下分多层布置在海上固定式测风塔上，每个风速风向传感器形成了一个测风对比验证高度层。
优选的方案中，所述的海上固定式测风塔上设置有测风塔平台，测风塔平台用于装设试验用设备；测风塔平台的安装高度低于最下层的风速风向传感器。
优选的方案中，所述的所述的试验用设备包括临时生活舱、UPS电源系统、数据处理模块、信息通讯模块和雷达安装平台；临时生活舱用于为试验人员提供临时应急生活和遮蔽工作区；UPS电源系统用于为用电设备提供电源；数据处理模块用于收集处理和储存来自海上固定式测风塔的测风、影像和状态数据；信息通讯模块用于传输来自数据处理模块整理的数据；雷达安装平台上用于安装固定式激光雷达。
优选的方案中，所述的雷达安装平台用于布置在测风塔平台上风向的一角，伸凸出来呈圆形布置，且垂直方向上与海上固定式测风塔保持有干扰安全距离，所述的干扰安全距离确保固定式激光雷达的激光轮廓线不被海上固定式测风塔遮挡和影响。
优选的方案中，所述的海上固定式测风塔旁设有波浪流速潮位仪，波浪流速潮位仪设置在海底用于收集海域的波浪、流速和潮位参数；在波浪流速潮位仪的上风位处用于放置需要试验的浮动式激光雷达测风浮标。
优选的方案中，所述的海上固定式测风塔上设有全景摄像头，全景摄像头位于测风塔平台上方，全景摄像头用于全景呈现整个试验场影像；风速风向传感器通过传感器支架与海上固定式测风塔固定，传感器支架均水平设置。
优选的方案中，所述的激光雷达测风浮标海上对比验证试验场的试验方法，包括以下步骤：
S1：试验前准备；
选取以海上固定式测风塔为中心的部分海域为试验区域，试验区域的半径为r；
将波浪流速潮位仪安装在试验区域指定坐标位置的海底泥面处，并完成调试工作；
S2：试验浮标布放和调试；
首先完成浮动式激光雷达测风浮标整个系统陆上调试，同时完成浮动式激光雷达测风浮标对应激光雷达设备的标定工作，再完成浮动式激光雷达测风浮标的海上调试；
S3：试验场对表；
在海上对比验证测试试验正式开始之前，统一完成海上固定式测风塔、固定式激光雷达、浮动式激光雷达测风浮标、波浪流速潮位仪和全景摄像头的对表工作，保障各类数据观测在时间上的统一，所述的时间包括北京时间或GPS时间；
S4：对比验证试验和数据收集整理；
完成试验场的统一对表后随即进入正式的海上对比验证试验阶段，海上固定式测风塔、固定式激光雷达和浮动式激光雷达测风浮标实现同时同地同环境的海上测风对比，全景摄像头可实时记录和呈现整个试验场的全景影像，监控试验场各装置的物理状态；
试验周期分为多个周期标准，每一个周期标准均须强调连续性，试验过程中出现停机或者系统故障不能保证海上固定式测风塔、固定式激光雷达和浮动式激光雷达测风浮标同时同地观测时，重新启动后将重复步骤S2并重新累计计时；
S5：试验数据处理和分析；
完成一个周期的试验后，在数据收集整理的基础上对各类数据进行分类处理和分析，包括对验证对象浮动式激光雷达测风浮标测风的可靠性、准确性和对海洋环境变量的敏感性三个方面的数据分析；
S6：试验完成，出具试验报告。
优选的方案中，所述的在步骤S4中，试验周期分为如下四个周期标准：
a.短期试验，时间周期为T1；
b.中期试验，时间周期为T2；
c.长期试验，时间周期为T3；
d.商业认可试验，时间周期为T4；
所述的T1 <T2< T3< T4;
在进行对比验证试验的过程中，同步进行多个测风对比验证高度层风速风向、浮动式激光雷达测风浮标故障及维护情况和波浪流速潮位数据的统一收集和整理，其中风速风向数据值统一取Tn的平均风速和风向值，并对来自海上固定式测风塔、固定式激光雷达和浮动式激光雷达测风浮标三个测风源和多个测风对比验证高度层风速风向数据进行原始数据和后处理过滤后数据的可利用率进行统计和整理，保证数据的完整性和可用性。
优选的方案中，所述的在步骤S4中，一个月≤T1＜三个月；三个月≤T2＜六个月；六个月≤T3＜十二个月；T4≥十二个月，所述的时间单位“月”以30天为一个单位；Tn取10分钟；
在步骤S5中，浮动式激光雷达测风浮标测风的可靠性、准确性和对海洋环境变量的敏感性的数据分析分为以下步骤：
S5.1：可靠性方面：
A、测风数据的可利用率
a）月度系统测风数据的可利用率，取30天的平均值；
b）全试验观测周期系统测风数据的可利用率；
c）月度后处理测风数据的可利用率，取30天的平均值；
d）全试验观测周期后处理测风数据的可利用率；
其中所述的后处理的测风数据为通过数据处理系统认定的错误数据过滤后的测风数据；
B、浮动式激光雷达测风浮标关键指标可靠性：
a试验周期内浮动式激光雷达测风浮标的计划外停机次数；
b试验周期内浮动式激光雷达测风浮标的维护次数；
c试验周期内浮动式激光雷达测风浮标的故障次数；
d试验周期内浮动式激光雷达测风浮标通讯系统正常运行时间；
S5.2：准确性方面：
验证对象浮动式激光雷达测风浮标在试验周期内的测风数据分别与海上固定式测风塔和固定式激光雷达的测风数据进行两两对比，并进行同一时间段下多个测风验证高度层测风数据的线性回归拟合，同时计算出线性回归方程和判定系数R²值，并要求风速值进行y=bx线性拟合，风向值进行y=bx+c线性拟合，其中x为浮动式激光雷达测风浮标所测风速风向值、y为海上固定式测风塔或固定式激光雷达所测风速风向值、b为斜率、c为截距；其中所述的试验周期为Tn；
A.平均风速线性回归拟合：
a）线性回归拟合后的斜率bsi；
b）线性回归拟合后的判定系数R²si；
其中i表示测风对比验证高度层的层数；
B.平均风向线性回归拟合：
a）线性回归拟合后的斜率bdi；
b）线性回归拟合后的判定系数R²di；
c）平均风向的平均偏差值，单位为“度”；
S5.3：对所处海域海洋环境变量的敏感性方面：
A浮动式激光雷达测风浮标所观测的平均风速风向值对潮位的敏感度；
B浮动式激光雷达测风浮标所观测的平均风速风向值对波浪的敏感度；
C浮动式激光雷达测风浮标所观测的平均风速风向值对流速的敏感度。
优选的方案中，所述的r取1.5Km-3.0Km；风速风向传感器数量为5个，测风对比验证高度层的层数为5层。
本专利可达到以下有益效果：
1、本试验场所实现的功能为浮动式激光雷达测风技术商业化应用提供一处客观公正且实际的海上验证场地和方法，通过真实海域的应用，能够有效的验证各种浮动式激光雷达测风系统装置的整体性能，客观的测试和评估其可靠性、准确性和敏感性，为海上风电新型测风技术的市场化应用把关，同时促进其发展。
2、本试验场装置以已建成使用的海上固定式测风塔为基础实现整个试验场运行的目标，能够有效地实现已有资源发挥额外作用的最大化，有效地降低试验场建设的投资成本，体现已有海上固定式测风塔装置可多功能利用的方面，同时也极大地节约了社会的整体投资成本。
3、本试验场在试验过程中采用“海上固定式测风塔、固定式激光雷达和浮动式激光雷达测风浮标同时同地同环境下对比验证”，可有效实现三种测风装置彼此之间两两对比，针对作为验证对象的浮动式激光雷达测风浮标可以同时具有与来自海上固定式测风塔和固定式激光雷达两个测风源的试验对比数据，能够有效保证试验结果的高可靠性和可用性，确保试验的客观性和真实性。
4、本试验方法设置五个测风对比验证高度层，使得海上固定式测风塔、固定式激光雷达和浮动式激光雷达测风浮标可同时获得5倍的观测数据，成倍增加验证对象浮动式激光雷达测风浮标的对比数据量，增加对比试验的维度，进一步增强试验结果的高可靠性和可用性，确保试验的客观性和真实性。
5、本试验场配置了波浪流速潮位仪实时收集试验场海域的海洋水文数据，进一步透明海上试验场环境，同时在试验方法中设置了海上固定式测风塔、固定式激光雷达、浮动式激光雷达测风浮标和波浪流速潮位仪的对表启动，实现了风浪流的联合同步观测，为评估验证对象浮动式激光雷达测风浮标所测风速风向值对海洋波浪、潮位、海流和海风的敏感度提供了真实数据基础，是的敏感度的计算和评价更为客观和真实。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明浮动式激光雷达测风浮标海上对比验证试验场整体示意图；
图2为本发明浮动式激光雷达测风浮标海上对比验证试验场俯视图；
图3为浮动式激光雷达测风浮标结构图；
图4为本发明浮动式激光雷达测风浮标海上对比验证试验场试验方法流程图。
图中：1为：海上固定式测风塔；2为：测风塔平台；3为：测风塔塔架；4为：测风塔基础；5为：固定式激光雷达；6为：雷达安装平台；7为：光电复合缆；8为：UPS电源系统；9为：数据处理模块；10为：信息通讯模块；11为：临时生活舱；12为：传感器支架；13为：风速风向传感器；14为：测风对比验证高度层一；15为：测风对比验证高度层二；16为：测风对比验证高度层三；17为：测风对比验证高度层四；18为：测风对比验证高度层五；19为：全景摄像头；20为：浮动式激光雷达测风浮标；21浮动式激光雷达；22为：系泊锚链；23为：锚；24为：水线面；25为：海底泥面；26为：激光轮廓线，27为：波浪流速潮位仪。
具体实施方式
实施例1：
优选的方案如图1至图4所示，一种激光雷达测风浮标海上对比验证试验场，包括海上固定式测风塔1，海上固定式测风塔1上设有多个风速风向传感器13，多个风速风向传感器13由上而下分多层布置在海上固定式测风塔1上，每个风速风向传感器13形成了一个测风对比验证高度层。
海上固定式测风塔1包括测风塔基础4、测风塔平台2和测风塔塔架3；测风塔基础4为海上固定式测风塔1的支撑基础起到基础支撑的作用，测风塔平台2为海上固定式测风塔1的工作平台起到提供海上试验作业平台空间的作用，测风塔塔架3起到安装传感器支架12搭载风速风向传感器13的作用，传感器支架12连接在测风塔塔架3结构上并向外水平伸出足够的距离，以减少塔影效应对风速风向传感器13测风的影响；
风速风向传感器13的数量为5个，相应地测风对比验证高度层的层数为5个，即测风对比验证高度层一14、测风对比验证高度层二15、测风对比验证高度层三16、测风对比验证高度层四17和测风对比验证高度层五18；
优选地，风速风向传感器13为高精度经过标定后的机械式测风传感器，用来精确测量测风对比验证高度层一14、测风对比验证高度层二15、测风对比验证高度层三16、测风对比验证高度层四17和测风对比验证高度层五18总计五个高度层的风速和风向数据，五个高度层从低到高海拔高度可选为50米、70米、80米、90米和100米，全景摄像头19搭载在测风塔塔架3上，海拔高度35米左右，用于全景呈现整个试验场影像，起到安全监控的作用；
进一步地，海上固定式测风塔1上设置有测风塔平台2，测风塔平台2用于装设试验用设备；测风塔平台2的安装高度低于最下层的风速风向传感器13。
进一步地，所述的试验用设备包括临时生活舱11、UPS电源系统8、数据处理模块9、信息通讯模块10和雷达安装平台6；临时生活舱11用于为试验人员提供临时应急生活和遮蔽工作区，用于保障工作人员的应急生活和临时办公；UPS电源系统8用于为用电设备提供电源，UPS电源系统8为整个海上固定式测风塔提供电能，使得所以仪器仪表和设备得以正常工作；数据处理模块9用于收集处理和储存来自海上固定式测风塔1的测风、影像和状态数据；信息通讯模块10用于传输来自数据处理模块9整理的数据；雷达安装平台6上用于安装固定式激光雷达5。
进一步地，雷达安装平台6用于布置在测风塔平台2上风向的一角，伸凸出来呈圆形布置，且垂直方向上与海上固定式测风塔1保持有干扰安全距离，所述的干扰安全距离确保固定式激光雷达5的激光轮廓线不被海上固定式测风塔1遮挡和影响。
进一步地，海上固定式测风塔1旁设有波浪流速潮位仪27，波浪流速潮位仪27设置在海底用于收集海域的波浪、流速和潮位参数；在波浪流速潮位仪27的上风位处用于放置需要试验的浮动式激光雷达测风浮标20。
本发明中浮动式激光雷达测风浮标20为海上对比验证试验场的验证对象，布放在海上固定式测风塔1的上风向位置，并保持足够的安全距离，一般大于500米。浮动式激光雷达测风浮标20主要包括浮动式激光雷达21、浮标体、系泊锚链22和锚23，浮动式激光雷达23搭载在浮标体上，并通过锚系实现浮动式激光雷达测风浮标20在海上的定位，使得浮动式激光雷达测风浮标漂浮式在海洋水线面24，锚23锚定在海底泥面25以下。
本发明中固定式激光雷达5为海上对比验证试验场的对比对象之一，布置在海上固定式测风塔平台1的雷达安装平台6上，并通过光电复合缆7与UPS电源系统8连接实现供电；优选地，固定式激光雷达5和浮动式激光雷达21可为同一型激光雷达，但要求固定式激光雷达5具有更高地准确性和可靠性。
本发明中波浪流速潮位仪27为海上对比验证试验场的海域环境观测传感器设备，布置在海底垂直方向上靠近浮动式激光雷达测风浮标20系泊范围内，用于集成收集对应海域的波浪、流速和潮位参数；优选地，波浪流速潮位仪27宜选用声学多普勒波浪流速潮位集成传感器。
进一步地，海上固定式测风塔1上设有全景摄像头19，全景摄像头19位于测风塔平台2上方，全景摄像头19用于全景呈现整个试验场影像；风速风向传感器13通过传感器支架12与海上固定式测风塔1固定，传感器支架12均水平设置。
实施例2：
优选的方案中，所述的激光雷达测风浮标海上对比验证试验场的试验方法，包括以下步骤：
S1：试验前准备；
选取以海上固定式测风塔1为中心的部分海域为试验区域，试验区域的半径为r，一般情况下，所述的r取1.5Km-3.0Km；
安装临时生活舱11，安装全景摄像头19，在测风塔平台2的一角增加建设雷达安装平台6并安装好固定式激光雷达5，同时统一完成海上固定式测风塔1上所有设备的调试和运行；
将波浪流速潮位仪27安装在试验区域指定坐标位置的海底泥面25处，并完成调试工作；至此完成试验场及装置的准备工作，搭建好试验场。
S2：试验浮标布放和调试；
首先完成浮动式激光雷达测风浮标20整个系统陆上调试，同时完成浮动式激光雷达测风浮标20对应激光雷达设备的标定工作，再完成浮动式激光雷达测风浮标20的海上调试；
具体为：工作人员首先完成浮动式激光雷达测风浮标20整个系统的制造和陆上调试，同时完成对应测风激光雷达标定工作，浮动式激光雷达测风浮标20通过陆上海上联运的方式被运输到试验场海域，并且可通过拖船或者专业浮标布放船完成作为验证对象的浮标在试验场海域指定坐标位置的布放和定位，并完成浮动式激光雷达测风浮标20的海上调试。至此完成试验浮标布放和调试。
S3：试验场对表；
在海上对比验证测试试验正式开始之前，统一完成海上固定式测风塔1、固定式激光雷达5、浮动式激光雷达测风浮标20、波浪流速潮位仪27和全景摄像头19的对表工作，保障各类数据观测在时间上的统一，所述的时间包括北京时间或GPS时间；
S4：对比验证试验和数据收集整理；
完成试验场的统一对表后随即进入正式的海上对比验证试验阶段，海上固定式测风塔1、固定式激光雷达5和浮动式激光雷达测风浮标20实现同时同地同环境的海上测风对比，全景摄像头19可实时记录和呈现整个试验场的全景影像，监控试验场各装置的物理状态；
试验周期分为多个周期标准，每一个周期标准均须强调连续性，试验过程中出现停机或者系统故障不能保证海上固定式测风塔1、固定式激光雷达5和浮动式激光雷达测风浮标20同时同地观测时，重新启动后将重复步骤S2并重新累计计时；
S5：试验数据处理和分析；
完成一个周期的试验后，在数据收集整理的基础上对各类数据进行分类处理和分析，包括对验证对象浮动式激光雷达测风浮标20测风的可靠性、准确性和对海洋环境变量的敏感性三个方面的数据分析；
S6：试验完成，出具试验报告。
进一步地，在步骤S4中，试验周期分为如下四个周期标准：
a.短期试验，时间周期为T1；
b.中期试验，时间周期为T2；
c.长期试验，时间周期为T3；
d.商业认可试验，时间周期为T4；
所述的T1 <T2< T3< T4;
在进行对比验证试验的过程中，同步进行多个测风对比验证高度层风速风向、浮动式激光雷达测风浮标20故障及维护情况和波浪流速潮位数据的统一收集和整理，其中风速风向数据值统一取Tn的平均风速和风向值，并对来自海上固定式测风塔1、固定式激光雷达5和浮动式激光雷达测风浮标20三个测风源和多个测风对比验证高度层风速风向数据进行原始数据和后处理过滤后数据的可利用率进行统计和整理，保证数据的完整性和可用性。
进一步地，在步骤S4中，一个月≤T1＜三个月；三个月≤T2＜六个月；六个月≤T3＜十二个月；T4≥十二个月，所述的时间单位“月”（要区别与日历月）以30天为一个单位；Tn取10分钟；
当测风对比验证高度层为5个时，在进行对比验证试验的过程中，同步进行五个测风对比验证高度层风速风向、浮动式激光雷达测风浮标20故障及维护情况和波浪流速潮位数据的统一收集和整理，其中风速风向数据值统一取10分钟的平均风速和风向值，并对来自海上固定式测风塔1、固定式激光雷达5和浮动式激光雷达测风浮标20三个测风源和五个测风对比验证高度层风速风向数据进行原始数据和后处理过滤后数据的可利用率进行统计和整理，保证数据的完整性和可用性。
在步骤S5中，浮动式激光雷达测风浮标20测风的可靠性、准确性和对海洋环境变量的敏感性的数据分析分为以下步骤：
S5.1：可靠性方面：
A、测风数据的可利用率
a）月度系统测风数据的可利用率，取30天的平均值；
b）全试验观测周期系统测风数据的可利用率；
c）月度后处理测风数据的可利用率，取30天的平均值；
d）全试验观测周期后处理测风数据的可利用率；
其中所述的后处理的测风数据为通过数据处理系统认定的错误数据过滤后的测风数据；
B、浮动式激光雷达测风浮标20关键指标可靠性：
a试验周期内浮动式激光雷达测风浮标20的计划外停机次数；
b试验周期内浮动式激光雷达测风浮标20的维护次数；
c试验周期内浮动式激光雷达测风浮标20的故障次数；
d试验周期内浮动式激光雷达测风浮标20通讯系统正常运行时间；
S5.2：准确性方面：
验证对象浮动式激光雷达测风浮标20在试验周期内的测风数据分别与海上固定式测风塔1和固定式激光雷达5的测风数据进行两两对比，并进行同一时间段下多个测风验证高度层测风数据的线性回归拟合，同时计算出线性回归方程和判定系数R²值，并要求风速值进行y=bx线性拟合，风向值进行y=bx+c线性拟合，其中x为浮动式激光雷达测风浮标20所测风速风向值、y为海上固定式测风塔1或固定式激光雷达5所测风速风向值、b为斜率、c为截距；其中所述的试验周期为Tn；
A.平均风速线性回归拟合：
a）线性回归拟合后的斜率bsi（i=1.2.3.4.5，分别代表测风对比验证高度层一14的斜率值、测风对比验证高度层二15的斜率值、测风对比验证高度层三16的斜率值、测风对比验证高度层四17的斜率值和测风对比验证高度层五18的斜率值）；其中i表示测风对比验证高度层的层数；
b）线性回归拟合后的判定系数R²si（i=1.2.3.4.5，分别代表测风对比验证高度层一14的判定系数、测风对比验证高度层二15的判定系数、测风对比验证高度层三16的判定系数、测风对比验证高度层四17的判定系数和测风对比验证高度层五18的判定系数，s为风速代号）
B.平均风向线性回归拟合：
a）线性回归拟合后的斜率bdi；（i=1.2.3.4.5，分别代表测风对比验证高度层一14的斜率值、测风对比验证高度层二15的斜率值、测风对比验证高度层三16的斜率值、测风对比验证高度层四17的斜率值和测风对比验证高度层五18的斜率值，d为风向代号）
b）线性回归拟合后的判定系数R²di；（i=1.2.3.4.5，分别代表测风对比验证高度层一14的判定系数、测风对比验证高度层二15的判定系数、测风对比验证高度层三16的判定系数、测风对比验证高度层四17的判定系数和测风对比验证高度层五18的判定系数，d为风向代号）
c）平均风向的平均偏差值，单位为“度”；
S5.3：对所处海域海洋环境变量的敏感性方面：
A.浮动式激光雷达测风浮标20所观测的平均风速风向值对潮位的敏感度；
B.浮动式激光雷达测风浮标20所观测的平均风速风向值对波浪的敏感度；
C.浮动式激光雷达测风浮标20所观测的平均风速风向值对流速的敏感度。

Claims (10)

1.一种激光雷达测风浮标海上对比验证试验场，包括海上固定式测风塔（1），其特征在于：海上固定式测风塔（1）上设有多个风速风向传感器（13），多个风速风向传感器（13）由上而下分多层布置在海上固定式测风塔（1）上，每个风速风向传感器（13）形成了一个测风对比验证高度层。
2.根据权利要求1所述的激光雷达测风浮标海上对比验证试验场，其特征在于：海上固定式测风塔（1）上设置有测风塔平台（2），测风塔平台（2）用于装设试验用设备；测风塔平台（2）的安装高度低于最下层的风速风向传感器（13）。
3.根据权利要求2所述的激光雷达测风浮标海上对比验证试验场，其特征在于：所述的试验用设备包括临时生活舱（11）、UPS电源系统（8）、数据处理模块（9）、信息通讯模块（10）和雷达安装平台（6）；临时生活舱（11）用于为试验人员提供临时应急生活和遮蔽工作区；UPS电源系统（8）用于为用电设备提供电源；数据处理模块（9）用于收集处理和储存来自海上固定式测风塔（1）的测风、影像和状态数据；信息通讯模块（10）用于传输来自数据处理模块（9）整理的数据；雷达安装平台（6）上用于安装固定式激光雷达（5）。
4.根据权利要求3所述的激光雷达测风浮标海上对比验证试验场，其特征在于：雷达安装平台（6）用于布置在测风塔平台（2）上风向的一角，伸凸出来呈圆形布置，且垂直方向上与海上固定式测风塔（1）保持有干扰安全距离，所述的干扰安全距离确保固定式激光雷达（5）的激光轮廓线不被海上固定式测风塔（1）遮挡和影响。
5.根据权利要求1所述的激光雷达测风浮标海上对比验证试验场，其特征在于：海上固定式测风塔（1）旁设有波浪流速潮位仪（27），波浪流速潮位仪（27）设置在海底用于收集海域的波浪、流速和潮位参数；在波浪流速潮位仪（27）的上风位处用于放置需要试验的浮动式激光雷达测风浮标（20）。
6.根据权利要求2所述的激光雷达测风浮标海上对比验证试验场，其特征在于：海上固定式测风塔（1）上设有全景摄像头（19），全景摄像头（19）位于测风塔平台（2）上方，全景摄像头（19）用于全景呈现整个试验场影像；风速风向传感器（13）通过传感器支架（12）与海上固定式测风塔（1）固定，传感器支架（12）均水平设置。
7.根据权利要求1-6所述的激光雷达测风浮标海上对比验证试验场的试验方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：试验前准备；
选取以海上固定式测风塔（1）为中心的部分海域为试验区域，试验区域的半径为r；
将波浪流速潮位仪（27）安装在试验区域指定坐标位置的海底泥面（25）处，并完成调试工作；
S2：试验浮标布放和调试；
首先完成浮动式激光雷达测风浮标（20）整个系统陆上调试，同时完成浮动式激光雷达测风浮标（20）对应激光雷达设备的标定工作，再完成浮动式激光雷达测风浮标（20）的海上调试；
S3：试验场对表；
在海上对比验证测试试验正式开始之前，统一完成海上固定式测风塔（1）、固定式激光雷达（5）、浮动式激光雷达测风浮标（20）、波浪流速潮位仪（27）和全景摄像头（19）的对表工作，保障各类数据观测在时间上的统一，所述的时间包括北京时间或GPS时间；
S4：对比验证试验和数据收集整理；
完成试验场的统一对表后随即进入正式的海上对比验证试验阶段，海上固定式测风塔（1）、固定式激光雷达（5）和浮动式激光雷达测风浮标（20）实现同时同地同环境的海上测风对比，全景摄像头（19）可实时记录和呈现整个试验场的全景影像，监控试验场各装置的物理状态；
试验周期分为多个周期标准，每一个周期标准均须强调连续性，试验过程中出现停机或者系统故障不能保证海上固定式测风塔（1）、固定式激光雷达（5）和浮动式激光雷达测风浮标（20）同时同地观测时，重新启动后将重复步骤S2并重新累计计时；
S5：试验数据处理和分析；
完成一个周期的试验后，在数据收集整理的基础上对各类数据进行分类处理和分析，包括对验证对象浮动式激光雷达测风浮标（20）测风的可靠性、准确性和对海洋环境变量的敏感性三个方面的数据分析；
S6：试验完成，出具试验报告。
8.根据权利要求7所述的激光雷达测风浮标海上对比验证试验场的试验方法，其特征在于：在步骤S4中，试验周期分为如下四个周期标准：
a.短期试验，时间周期为T1；
b.中期试验，时间周期为T2；
c.长期试验，时间周期为T3；
d.商业认可试验，时间周期为T4；
所述的T1 <T2< T3< T4;
在进行对比验证试验的过程中，同步进行多个测风对比验证高度层风速风向、浮动式激光雷达测风浮标（20）故障及维护情况和波浪流速潮位数据的统一收集和整理，其中风速风向数据值统一取Tn的平均风速和风向值，并对来自海上固定式测风塔（1）、固定式激光雷达（5）和浮动式激光雷达测风浮标（20）三个测风源和多个测风对比验证高度层风速风向数据进行原始数据和后处理过滤后数据的可利用率进行统计和整理，保证数据的完整性和可用性。
9.根据权利要求8所述的激光雷达测风浮标海上对比验证试验场的试验方法，其特征在于：在步骤S4中，一个月≤T1＜三个月；三个月≤T2＜六个月；六个月≤T3＜十二个月；T4≥十二个月，所述的时间单位“月”以30天为一个单位；Tn取10分钟；
在步骤S5中，浮动式激光雷达测风浮标（20）测风的可靠性、准确性和对海洋环境变量的敏感性的数据分析分为以下步骤：
S5.1：可靠性方面：
A、测风数据的可利用率
a）月度系统测风数据的可利用率，取30天的平均值；
b）全试验观测周期系统测风数据的可利用率；
c）月度后处理测风数据的可利用率，取30天的平均值；
d）全试验观测周期后处理测风数据的可利用率；
其中所述的后处理的测风数据为通过数据处理系统认定的错误数据过滤后的测风数据；
B、浮动式激光雷达测风浮标（20）关键指标可靠性：
a）试验周期内浮动式激光雷达测风浮标（20）的计划外停机次数；
b）试验周期内浮动式激光雷达测风浮标（20）的维护次数；
c）试验周期内浮动式激光雷达测风浮标（20）的故障次数；
d）试验周期内浮动式激光雷达测风浮标（20）通讯系统正常运行时间；
S5.2：准确性方面：
验证对象浮动式激光雷达测风浮标（20）在试验周期内的测风数据分别与海上固定式测风塔（1）和固定式激光雷达（5）的测风数据进行两两对比，并进行同一时间段下多个测风验证高度层测风数据的线性回归拟合，同时计算出线性回归方程和判定系数R²值，并要求风速值进行y=bx线性拟合，风向值进行y=bx+c线性拟合，其中x为浮动式激光雷达测风浮标（20）所测风速风向值、y为海上固定式测风塔（1）或固定式激光雷达（5）所测风速风向值、b为斜率、c为截距；其中所述的试验周期为Tn；
A.平均风速线性回归拟合：
a）线性回归拟合后的斜率bsi；
b）线性回归拟合后的判定系数R²si；
其中i表示测风对比验证高度层的层数；
B.平均风向线性回归拟合：
a）线性回归拟合后的斜率bdi；
b）线性回归拟合后的判定系数R²di；
c）平均风向的平均偏差值，单位为“度”；
S5.3：对所处海域海洋环境变量的敏感性方面：
A.浮动式激光雷达测风浮标（20）所观测的平均风速风向值对潮位的敏感度；
B.浮动式激光雷达测风浮标（20）所观测的平均风速风向值对波浪的敏感度；
C.浮动式激光雷达测风浮标（20）所观测的平均风速风向值对流速的敏感度。
10.根据权利要7所述的激光雷达测风浮标海上对比验证试验场的试验方法，其特征在于：所述的r取1.5Km-3.0Km；风速风向传感器（13）数量为5个，测风对比验证高度层的层数为5层。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114791507A (zh) * 2022-04-19 2022-07-26 河海大学 一种海上测风装置

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