段國文 董惠隆 賈 作 白曉勇 石文靜 彭銀銀

（1.海軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心 北京 100071）（2.中船航?？萍加邢挢?zé)任公司 北京 100070）

1 引言

船舶周圍的海洋環(huán)境能夠直接影響船舶航行和船載飛行平臺的起降，尤其是船舶周圍的風(fēng)場，其本身以及其引起的大浪，會造成船舶在海上的橫搖、縱搖和垂直運(yùn)動(dòng)，使船載飛行平臺難以著船，船上的大氣紊流也會影響到著船的穩(wěn)定性［1］。如在軍事領(lǐng)域，艦艇周圍風(fēng)場與艦載機(jī)起降安全息息相關(guān)，把握艦船周邊的精細(xì)化風(fēng)場對艦載機(jī)順利遂行各項(xiàng)軍事任務(wù)至關(guān)重要［2］。

目前安裝在船上的常用測風(fēng)設(shè)備有風(fēng)廓線雷達(dá)、風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)、超聲風(fēng)傳感器、激光測風(fēng)雷達(dá)等。風(fēng)廓線雷達(dá)示蹤物為大氣湍流，能夠探測到垂直上空較高的風(fēng)廓線，因此只能局限于頂空區(qū)域風(fēng)場探測，且低層風(fēng)場易受地物雜波干擾可信度低，不利于近地面精細(xì)化風(fēng)場的觀測［3］；傳統(tǒng)風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)具有測風(fēng)范圍大、強(qiáng)度高、耐腐蝕等特點(diǎn)，但其體積較大、轉(zhuǎn)動(dòng)軸易磨損［4］；超聲風(fēng)傳感器采用超聲波測量技術(shù)，具有靈敏度高、免維護(hù)的特點(diǎn)，但其監(jiān)測能力易受部署位置和數(shù)量的影響，無法觀測到較遠(yuǎn)位置的風(fēng)速風(fēng)向［5］；激光測風(fēng)雷達(dá)作為新型風(fēng)場探測手段，具備體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率高等特點(diǎn)，其采用相干探測原理，基于多波束風(fēng)場反演可實(shí)現(xiàn)對船周圍的風(fēng)場測量，能提供十分精細(xì)的低空三維風(fēng)場信息，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)備在低空精細(xì)化風(fēng)場探測能力上的不足，是目前晴空條件下獲取近地面精細(xì)化風(fēng)場的有效手段，其缺點(diǎn)是近距離范圍內(nèi)存在測量盲區(qū)，且完成一次體掃需要一定時(shí)間［6～7］。

結(jié)合超聲風(fēng)傳感器等常規(guī)測量方法和三維激光測風(fēng)雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)［8～9］，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)甲板區(qū)域上方空氣流場及遠(yuǎn)距離風(fēng)場的測量：在甲板位置布置所需數(shù)量的測量風(fēng)桿和超聲波風(fēng)速傳感器進(jìn)行甲板上空一定高度范圍內(nèi)的流場測量，實(shí)現(xiàn)近場高分辨率流場和遠(yuǎn)場相對低分辨率風(fēng)場同時(shí)測量，最后通過質(zhì)量控制，完成超聲風(fēng)傳感器和激光測風(fēng)雷達(dá)觀測的數(shù)據(jù)融合，形成船舶上空精細(xì)化三維風(fēng)場。這其中，能夠采用合理算法將兩類觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)能夠提供船舶周邊精細(xì)化三維風(fēng)場的風(fēng)場融合結(jié)果，將是超聲風(fēng)傳感器等常規(guī)測量方法和三維激光測風(fēng)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)的關(guān)鍵［10］。

國外從20世紀(jì)90年代開始研究船舶風(fēng)場的相關(guān)問題，除CFD 流場仿真取得一定成果外［11］，在精細(xì)化風(fēng)場觀測方面，通過在移動(dòng)風(fēng)桿上安裝傳感器，逐次測量特定空間點(diǎn)的流場數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到甲板區(qū)域上方局部空間流場分布［12］；從算法上，國外早在20世紀(jì)60-70年代開始對多數(shù)據(jù)融合進(jìn)行研究，目前在技術(shù)上克里金插值［13～16］、反距離加權(quán)［17～20］等插值算法和多數(shù)據(jù)融合方法已經(jīng)成為日趨成熟。但目前國內(nèi)基于實(shí)船測風(fēng)數(shù)據(jù)的風(fēng)場融合研究較少，各類船載測風(fēng)設(shè)備所采集的風(fēng)向風(fēng)速信息應(yīng)用獨(dú)立，缺乏融合，同時(shí)對海上動(dòng)平臺風(fēng)場融合算法檢驗(yàn)環(huán)節(jié)薄弱，亟待建立集融合、檢驗(yàn)為一體的船舶測風(fēng)數(shù)據(jù)融合檢驗(yàn)系統(tǒng)，將布置在船舶上的激光測風(fēng)雷達(dá)和超聲風(fēng)傳感器進(jìn)行融合處理，并完成不同融合算法的檢驗(yàn)，從而為船載風(fēng)場融合系統(tǒng)提供工程化基礎(chǔ)。

鑒于以上問題，本文將利用船舶航行狀態(tài)下布置在甲板上的激光測風(fēng)雷達(dá)（1 個(gè)）和超聲風(fēng)傳感器（7 個(gè)）的測風(fēng)數(shù)據(jù)，構(gòu)建實(shí)船風(fēng)場融合與檢驗(yàn)系統(tǒng)，采用國內(nèi)外成熟的反距離加權(quán)方法及逐步訂正方法實(shí)現(xiàn)兩類數(shù)據(jù)的融合，并利用平均絕對誤差、平均相對誤差、均方根誤差、相關(guān)系數(shù)等量化指標(biāo)對兩種融合算法的表現(xiàn)進(jìn)行評估。

2 實(shí)船測風(fēng)數(shù)據(jù)

本文章中，風(fēng)場融合與算法檢驗(yàn)所用測風(fēng)數(shù)據(jù)來源于航行狀態(tài)下布置在實(shí)船上的激光測風(fēng)雷達(dá)和超聲風(fēng)傳感器的海上歷史觀測。具體地，參與采集風(fēng)場數(shù)據(jù)的設(shè)備包含：1 個(gè)脈沖波激光測風(fēng)雷達(dá)（R，高1m）和7 個(gè)超聲風(fēng)傳感器（T1～T7，其中，T1安裝在支架Z1的2m高處；T2、T3、T4分別安裝在支架Z2 的2m、4m、6m 高處；T5、T6、T7 分別安裝在支架Z3 的2m、4m、6m 高處），在船上的安裝位置如圖1所示。

圖1 海上航行風(fēng)場測量設(shè)備布置方案示意

在實(shí)船風(fēng)場測量期間，激光測風(fēng)雷達(dá)采用的掃描策略如下。水平：范圍為0°～180°（0°為y軸方向，即面向J 艉的左手方向，順時(shí)針為正），間隔5°發(fā)射一次波束；俯仰：范圍為0°～45°，其中，0°～15°之內(nèi)間隔3°變換一次，15°～45°之內(nèi)間隔5°變換一次。按照發(fā)射一次波束用時(shí)1s 計(jì)算，完成一次體掃的時(shí)間不超過8min（約444s）。

3 實(shí)船風(fēng)場融合與檢驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)船風(fēng)場融合與檢驗(yàn)系統(tǒng)接入激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)、超聲風(fēng)傳感器觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法篩選保留可用數(shù)據(jù)；利用反距離加權(quán)法、逐步訂正法等插值算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并對融合結(jié)果進(jìn)行評分，計(jì)算各類插值算法的平均絕對誤差（MAE）、平均相對誤差（MRE）、均方根誤差（RMSE）、相關(guān)系數(shù)（CORREL），最終得出風(fēng)場融合最優(yōu)算法。整體技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 風(fēng)場融合技術(shù)架構(gòu)圖

其中，為保證進(jìn)行融合對比的數(shù)據(jù)處于穩(wěn)定風(fēng)況中，接入安裝在船樓頂部的機(jī)械測風(fēng)設(shè)備風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，以此來描述船舶航行風(fēng)況［21］，而后篩選穩(wěn)定風(fēng)向風(fēng)速超過10 分鐘的時(shí)間段（判斷穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為變異系數(shù)不超過0.05），令參與風(fēng)場融合的所有激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)、超聲風(fēng)傳感器觀測數(shù)據(jù)均位于該時(shí)間段。

1）數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

為了保證風(fēng)場融合試驗(yàn)中接入的風(fēng)場觀測數(shù)據(jù)是真實(shí)有效的，需要對激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)和超聲風(fēng)觀測儀數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，質(zhì)量控制的方法步驟如下：

（1）剔除數(shù)據(jù)中的缺測值

在設(shè)備觀測過程中，可能會由于設(shè)備本身的誤差或是人為的一些操作，造成風(fēng)場在某一時(shí)刻數(shù)據(jù)缺測。本次試驗(yàn)中的缺測值用“NaN”進(jìn)行標(biāo)識，需要將缺測的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

（2）剔除數(shù)據(jù)中的可疑值

①氣候?qū)W界限值、氣候極值檢查

數(shù)據(jù)的取值范圍要符合客觀事實(shí)。參考我國的風(fēng)力等級劃分，最大風(fēng)力級數(shù)為17 級（56.1m/s～61.2m/s），本次試驗(yàn)將風(fēng)場數(shù)據(jù)范圍界定為0～70m/s，即在范圍之外的風(fēng)速值均為無效值并剔除。

②內(nèi)部一致性檢查

風(fēng)場觀測數(shù)據(jù)在同一時(shí)刻內(nèi)的變化要符合客觀事實(shí)。本次試驗(yàn)中將同一時(shí)刻變化的上限設(shè)定為10m/s，即在同一時(shí)刻內(nèi)任意一點(diǎn)的u、v、w 三個(gè)數(shù)據(jù)與相鄰點(diǎn)的差不得超過10m/s，否則該點(diǎn)與相差超過10m/s的相鄰點(diǎn)數(shù)據(jù)均剔除。

③時(shí)間一致性檢查

同一點(diǎn)數(shù)據(jù)在連續(xù)觀測時(shí)隨時(shí)間的變化要符合客觀事實(shí)。本次試驗(yàn)觀測設(shè)備均為秒級觀測，因此風(fēng)場數(shù)據(jù)時(shí)間變化閾值不宜設(shè)計(jì)過大，將時(shí)間變化的上限定為5m/s。即在同一點(diǎn)在連續(xù)3s 內(nèi)變化幅度不得超過5m/s，否則將這兩個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)均剔除。

2）融合算法模塊

（1）反距離權(quán)重法

是一種以插值點(diǎn)與觀測已知點(diǎn)之間距離為權(quán)重的插值方法，可以以確切的或者圓滑的方式插值。冪指數(shù)控制著權(quán)重系數(shù)如何隨著離開一個(gè)格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)距離的增加而下降，公式如下：

式中：ve為插值點(diǎn)的估算值；vi為第i 個(gè)已知點(diǎn)的變量值；di為第i 個(gè)已知點(diǎn)與插值點(diǎn)之間的距離；m 為參與計(jì)算的已知點(diǎn)個(gè)數(shù)；n 為冪指數(shù)，它控制著權(quán)重系數(shù)隨插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)之間距離的增加而下降的程度。

（2）逐步訂正法

其基本原理是分析場由分析增量與初估背景場相加得到，每一個(gè)分析格點(diǎn)上的分析增量是其影響半徑范圍內(nèi)各個(gè)測站上觀測值與初估值的偏差，即觀測增量的加權(quán)平均，一般觀測權(quán)重與觀測位置和格點(diǎn)之間距離成反比。不斷縮小影響半徑，逐次訂正，直到分析場逼近實(shí)際資料為止。公式如下：

式中：xa(j)為格點(diǎn)j 的分析值；xb(j)為格點(diǎn)j 的初估值；xb(i)為插值到觀測點(diǎn)i上的初估場信息；y（i）為對應(yīng)的觀測值；w（i，j）為權(quán)重系數(shù)，本次試驗(yàn)中選取Cressman定義的權(quán)重方法：

由于本次試驗(yàn)全部觀測站點(diǎn)位于激光測風(fēng)雷達(dá)觀測盲區(qū)之內(nèi)，無法獲取分析增量，因此本次試驗(yàn)中先使用激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用反距離加權(quán)法形成均勻三維風(fēng)場后再使用逐步訂正法進(jìn)行訂正。

3）融合評分模塊

為對上述幾種插值方法的插值效果進(jìn)行比較，將T2～T7 作為融合點(diǎn)同激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)與超聲風(fēng)傳感器觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)場融合，之后以T1 作為檢驗(yàn)點(diǎn)，對風(fēng)場融合結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

采用平均絕對誤差（MAE）、平均相對誤差（MRE）、均方根誤差（RMSE）、相關(guān)系數(shù)（CORREL）四種方法對風(fēng)場融合算法進(jìn)行定量和定性評估，MAE、RMES、MRE、CORREL公式如下：

式中：vi為i 點(diǎn)上的觀測值，va為其平均值；vei為i 點(diǎn)上的融合，vea為其平均值。

4 融合與檢驗(yàn)結(jié)果

通過對船樓頂部以往風(fēng)速風(fēng)向觀測數(shù)據(jù)的分析，篩選出37 個(gè)超過十分鐘的船舶航行狀態(tài)穩(wěn)定風(fēng)況（篩選標(biāo)準(zhǔn)為風(fēng)況相對風(fēng)速的變異系數(shù)小于0.05），如表1所示。由表1 可知，各工況的風(fēng)速大小取值在2.68m/s～15.13m/s之間，覆蓋范圍廣，可為風(fēng)場融合提供不同代表性強(qiáng)的背景風(fēng)場。

表1 船舶航行狀態(tài)穩(wěn)定風(fēng)況（37個(gè)）信息表

分別采用反距離加權(quán)法和逐步訂正法，將以上風(fēng)況所對應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)與超聲風(fēng)傳感器觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制、融合處理，其中，為對上述幾種插值方法的插值效果進(jìn)行比較，將T1 作為檢驗(yàn)點(diǎn)，T2～T7 作為融合點(diǎn)，對激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)與超聲風(fēng)傳感器觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，為直觀展現(xiàn)兩種算法的融合結(jié)果，繪制各風(fēng)況下不同融合方法T1 位置結(jié)果與實(shí)測風(fēng)速對比折線圖（見圖3）。由圖3 可知，一方面，兩種融合算法的融合值較為接近，僅在第20 個(gè)和第37 個(gè)風(fēng)況時(shí)兩者差距稍大，其中逐步訂正法比反距離加權(quán)法融合的結(jié)果分別大了0.33m/s 和0.35m/s，其余的差值均低于0.17m/s；另一方面，兩種方法的融合結(jié)果與觀測風(fēng)速相比均差距較小，除在第24、27、30 個(gè)風(fēng)況時(shí)差距絕對值分別達(dá)到0.96m/s（反距離加權(quán)法）/0.89m/s（逐步訂正法）、0.73m/s（反距離加權(quán)法）/0.73m/s（逐步訂正法）、1.24m/s（反距離加權(quán)法）/1.29m/s（逐步訂正法）之外，其余風(fēng)況兩方法融合的結(jié)果與觀測風(fēng)速之差的絕對值均低于0.6m/s；同時(shí)，與觀測風(fēng)速的均值（3.16m/s）相比，兩種融合方法結(jié)果的均值分別為3.108m/s（反距離加權(quán)法）和3.111m/s（逐步訂正法），均略小于觀測風(fēng)速的均值。

圖3 不同融合方法T1位置結(jié)果與實(shí)況對比圖

為定量評估兩種風(fēng)場融合算法結(jié)果與觀測風(fēng)速的差異，從而進(jìn)一步量化兩者表現(xiàn)，采用平均絕對誤差（MAE）、平均相對誤差（MRE）、均方根誤差（RMSE）、相關(guān)系數(shù)（CORREL）四種量化指標(biāo)對該兩種算法進(jìn)行評估，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，兩種融合算法各項(xiàng)評分相差都不大，但具體地，與觀測風(fēng)速相比，除平均相對誤差（MRE）兩方法評估結(jié)果相同（均為12%）之外，反距離加權(quán)法的平均絕對誤差、均方根誤差（分別為0.36、0.46）均高于逐步訂正法的評估結(jié)果（分別為0.34、0.43），同時(shí)反距離加權(quán)法融合結(jié)果與觀測風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)（0.943）低于逐步訂正法融合結(jié)果與觀測風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)（0.948），即本試驗(yàn)中，逐步訂正法的融合結(jié)果與實(shí)測相比誤差更小、相關(guān)性更強(qiáng)，其表現(xiàn)略優(yōu)于反距離加權(quán)法。

圖4 不同融合方法評分對比圖

5 結(jié)語

本文基于構(gòu)建的實(shí)船風(fēng)場融合與檢驗(yàn)系統(tǒng)，利用船舶航行狀態(tài)下布置在甲板上的激光測風(fēng)雷達(dá)（1 個(gè)）和超聲風(fēng)傳感器（7 個(gè)）的測風(fēng)數(shù)據(jù)，經(jīng)質(zhì)量控制處理后，采用反距離加權(quán)法和逐步訂正法進(jìn)行37 個(gè)穩(wěn)定風(fēng)況下激光測風(fēng)雷達(dá)觀測和超聲風(fēng)傳感器觀測的數(shù)據(jù)融合，并將7 個(gè)超聲風(fēng)傳感器中的1個(gè)作為檢驗(yàn)點(diǎn)，利用平均絕對誤差（MAE）、平均相對誤差（MRE）、均方根誤差（RMSE）、相關(guān)系數(shù)（CORREL）四種量化指標(biāo)對該兩種算法融合結(jié)果進(jìn)行評估，主要結(jié)論如下。

1）本試驗(yàn)構(gòu)建的實(shí)船風(fēng)場融合與檢驗(yàn)系統(tǒng)中，反距離加權(quán)法和逐步訂正法對激光測風(fēng)雷達(dá)和超聲風(fēng)傳感器測風(fēng)數(shù)據(jù)的融合結(jié)果較為接近，37 個(gè)風(fēng)況中，僅在2 個(gè)風(fēng)況中兩者差距稍大，差值分別為0.33m/s和0.35m/s，其余的差值均低于0.17m/s。

2）與觀測風(fēng)速相比，反距離加權(quán)法和逐步訂正法兩種方法的融合結(jié)果與實(shí)測相比都差距較小，除在3 個(gè)風(fēng)況中的差值絕對值分別達(dá)到0.73m/s 以上之外，其余均低于0.6m/s；同時(shí)，與觀測風(fēng)速的37個(gè)工況的均值（3.16m/s）相比，兩種融合方法結(jié)果的均值分別為3.108m/s（反距離加權(quán)法）和3.111m/s（逐步訂正法），均略小于觀測風(fēng)速的均值。

3）通過MAE、MRE、RMSE 和CORREL 四種量化指標(biāo)對該兩種算法的比較發(fā)現(xiàn)，與觀測風(fēng)速相比，除MRE 兩融合方法評估結(jié)果相同（均為12%）之外，反距離加權(quán)法的MAE、RMSE、CORREL 三項(xiàng)指標(biāo)得分均略遜于逐步訂正法，即逐步訂正法的融合結(jié)果與實(shí)測相比誤差更小、相關(guān)性更強(qiáng)，在本次融合試驗(yàn)中其表現(xiàn)略優(yōu)于反距離加權(quán)法。

同時(shí)，本工作亦有很多不足之處，包括但不限于以下幾方面。

1）本次風(fēng)場融合算法基于插值方法進(jìn)行融合與降尺度，并未深入對氣流軌跡及時(shí)空變化進(jìn)行研究。在后續(xù)工作中計(jì)劃引入時(shí)空加權(quán)分析、三維變分同化等方法進(jìn)行深入分析。

2）本次試驗(yàn)中全部超聲風(fēng)傳感器均布置在激光測風(fēng)雷達(dá)盲區(qū)內(nèi)，不能有效作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)雷達(dá)性能，也不能采用逐步訂正法等減少誤差的降尺度方法。后續(xù)試驗(yàn)中將注意盲區(qū)范圍，更好地將激光測風(fēng)雷達(dá)與超聲風(fēng)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效結(jié)合。

3）本次風(fēng)場融合試驗(yàn)航行狀態(tài)中部署了一部激光測風(fēng)雷達(dá)，體掃范圍有限，也難以保障數(shù)據(jù)的時(shí)效性。在后續(xù)試驗(yàn)工作中可再部署1～2 部雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)三維風(fēng)場融合技術(shù)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，提升三維風(fēng)場融合產(chǎn)品的準(zhǔn)確性和有效性。