风机绕射损耗估算方法及对电子系统影响的分析

张连迎+李川川

摘 要： 针对风力发电机对电磁波产生的绕射效应，提出风力发电机绕射估算适用有限宽度屏蔽的绕射损耗计算模型；通过刀刃形障碍物绕射损耗估算方法和有限宽度的屏蔽绕射损耗估算方法， 可以得出风力发电机绕射损耗估算值， 并据此进行了仿真计算。计算表明位于雷达覆盖扇区内的风力发电机绕射损耗会导致雷达漏警率和虚警率的提高。

关键词： 风力发电机； 绕射； 损耗； 估算方法

中图分类号： TN995?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）03?0035?03

Analysis of the estimation method of diffraction loss over windmill

and its influence to electronic system

ZHANG Lian?ying1， LI Chuan?chuan2

（1. The 22nd Research Institute， CETC， Qingdao 266107， China； 2. Air Force Military Representative Office Stationed in Jinan Region， Jinan 250000， China）

Abstract： Aiming at the diffraction effect of wind drive generator to electromagnetic wave， a calculation model of wind drive generator diffraction estimation is proposed， which is suitable for finite?width shielded diffraction loss calculation. The estimated value of wind drive generator diffraction loss is obtained through the loss estimation method of the Single knife?edge obstacle diffraction and finite?width shielded diffraction， and the simulating calculation is conducted. It is indicated that the wind drive generator in radar coverage sector can cause the improvement of false?detecting and leaking?detecting probability.

Keywords： wind drive generator； diffraction； loss； estimation method

0 引 言

近年来，由于石油、煤炭能传统资源供应的日益紧张以及利用可再生绿色能源呼声的高涨，风力发电发展十分迅速。据估计，截至2007年底，全球风电机组总装机容量[1]已超过1 103 MW，并以每年58%的增长率迅速扩张[2]。我国的西北内陆地区和东南沿海风电资源充沛，陆上和海上风电事业发展迅速。

但是大量风电场的建设也带来一些比较突出的问题。比如海上风电场的建设，对航海安全和对海探测雷达等都会产生重大影响。风电场的建设会改变附近船舶的航海路线[3]；特别是由于海上风电场分布比较集中，对于对海探测雷达而言，风电场的产生的物标散射、绕射等对雷达而言都是非常不利的因素。因此研究风力发电机绕射损耗估算方法对评估海上风电场对雷达的影响具有十分重要的工程应用价值。

1 风力发电机绕射损耗计算模型

风力发电机主要由支塔、叶片等组成。出于工程计算考虑，叶片尺寸和高度均比支塔较小，且叶片一般为非金属的轻质材料，其影响力要比支塔弱，因此在估算风力发电机绕射损耗时，将支塔作为主要的计算对象。

本文仅考虑单部风机的影响，此时可将风机看做孤立的障碍物。对于孤立的障碍物，为了简化计算，通常将障碍物的形状理想化[4]。一种情况是当障碍物的厚度相对较窄时可假定为刀刃形障碍物；一种情况是当障碍物的厚度相对较宽时可假定为平滑的物体，并在顶部可定义出曲率半径，这种障碍物可假定为圆形障碍物[5]。

考虑到风力发电机支塔的几何形状，可以在纵向上将其看做一种刀刃形障碍物。然而理想的刀刃形障碍物其宽度是无限大的[6]，单纯应用刀刃形障碍物绕射损耗进行计算会带来很大的误差。

ITU?R.P.526建议书中提出了有限宽度屏蔽的绕射损耗计算模型[7]。主要思想是将障碍物等效为三个孤立的刀刃形障碍物，也即屏蔽的顶部和两侧。风力发电机支塔的形状与ITU?R.P.526建议书中对有限宽度的屏蔽的要求较为吻合，因此将有限宽度屏蔽的绕射损耗计算模型应用于风力发电机绕射损耗估算方法的研究是合适的。

2 风力发电机绕射损耗估算方法

2.1 刀刃形障碍物绕射损耗估算方法

有限宽度的屏蔽将障碍物等效为三个孤立的刀刃形障碍物，因此应首先计算这三个障碍物的绕射损耗。

为了简化计算，工程上常采用近似公式计算绕射损耗。刃形绕射损耗[Ld]的近似计算公式如下[8]：

[Ld=6-6.9HcH0，-1

式中：[Hc]代表路径余隙（单位：m）；[H0]代表了自由空间余隙（单位：m）。

[Hc]可按下述公式计算：

[Hc=h1+（h2-h1）d1d-1 000d1d22Ka-hs] （2）

式（2）中各参数的定义如下：[h1]为发射天线与探测目标的标高较低者，[h2]发射天线与探测目标的标高较高者，两者单位均为m；[d1]为标高高的一端距风机的距离（单位：km）；[d]为发射天线与探测目标的距离（单位：km）；[d2=d-d1]（单位：km）；[a]为等效地球半径（单位：km）；[K]为等效地球半径系数，通常取[9]1.333；[hs]为障碍物标高（单位：m）。

[H0]可按下述公式计算[10]：

[H0=18.26λd1d2d] （3）

式中：[λ]为波长（单位：m）；其他参数含义同式（2）。

此处需要特别强调的是，式（2）用于屏蔽的顶部计算时，高度参数是各物体的垂直高程；对于屏蔽两侧的计算，可以认为电波在一个水平面上传播，因此此处所谓的高度应是水平“高程”，也就是物体的宽度。

2.2 有限宽度的屏蔽绕射损耗估算方法

通过将有限宽度的人为屏蔽横挡于电波传播方向上，能够在接收地点达到干扰抑制。此种场合，应考虑存在三个刀刃形障碍物，也即屏蔽的顶部和两侧，计算三个刀刃形障碍物的绕射损耗。三个独立的障碍物会同时产生建设性和破坏性的影响。

有限宽度的屏蔽绕射损耗估算步骤如下：

步骤1：应用式（1）估算三个刀刃形障碍物的绕射损耗[L1]，[L2]，[L3]。

步骤2：将每个绕射损耗按式（4）转化：

[Ji=10-0.1×Li] （4）

步骤3：计算综合绕射损耗：

[L=-10lgi=13Ji] （5）

[L]即为由风力发电机产生的绕射损耗估计值（单位：dB）。

3 仿真计算

3.1 典型风力发电机的参数

为了增加研究的针对性，具体计算中以上海东海大桥100 MW海上风电示范项目（以下简称上海风电工程）作为算例进行分析。

上海风电工程是我国上海风力发电的示范项目[11]，在东海大桥东侧的上海市海域安装34台单机容量为3 MW的风力发电机组，总装机容量为102 MW，每台风机直径均为5 m，高度为90 m，风机按照东西方向距离为500 m，南北方向距离为1 000 m排列在东海大桥以东附近海域。

下述计算过程中均假设风机支塔高度为90 m，直径为5 m。

3.2 对不同距离目标的影响

假设发射天线高度为100 m，天线水平宽度为10 m，距离某部风力发电机约10 km；目标高度为10 m，目标宽度为20 m，计算时取目标离风力发电机的距离为10～110 km，步进20 km；计算频率取3 GHz。

利用上述风力发电机绕射损耗估算方法可得到风机对不同距离上的目标的绕射损耗。计算结果见表1。

表1 风机对不同距离目标影响的计算结果

[目标离风机距离 /km＼&绕射损耗 /dB＼&10＼&1.51＼&30＼&0.77＼&50＼&-0.04＼&70＼&-0.86＼&90＼&-1.69＼&110＼&-2.52＼&]

3.3 对不同高度目标的影响

假设发射天线高度为100 m，天线水平宽度为10 m，距离某部风力发电机约10 km；目标高度在10～90 m变化，计算步进20 m，目标宽度为20 m，计算时取目标离风力发电机的距离为50 km；计算频率取3 GHz。计算结果见表2。

表2 风机对不同高度目标影响的计算结果

[目标高度 /m＼&绕射损耗 /dB＼&10＼&-0.04＼&30＼&-0.05＼&50＼&-0.06＼&70＼&-0.08＼&90＼&-0.15＼&]

3.4 仿真计算结果分析

从表1看来，风机对不同距离上的目标其影响是不一样的，近距离的目标上，风机会对信号产生一定的绕射损耗；但是在较远距离的目标上，反而出现了负损耗也即产生了一定的信号增益。

上述“负损耗”其实是一种障碍增益，一般在障碍物高出收发连线时出现。在一些极端条件下，障碍增益甚至可以达到几十个dB[12]。产生这种现象的原因可能有：通过顶部刀刃绕射的信号由于相当于提高了发射天线高度，地面衰减随之变小；通过顶部刀刃绕射的信号可以通过直射或地面反射到达目标；通过两侧绕射也有两路信号，在极端条件下会收到四条近于同相相加的信号，导致信号出现一定程度的增强。

表2在所有目标高度上也出现了上述增益现象，并且目标高度越高，增益稍强。

表2同时反映了风机对低高度目标影响较弱，相对的，发射天线高度越高，风机对同一高度目标影响也会较弱；这主要是因为收发高度提高之后，障碍物对第一菲涅尔区的遮挡效应相应减弱。

风机可能会对信号产生衰减，可能会导致雷达漏警；但同时绝对不能认为上述“负损耗”现象是一种有益增益，因为这种增益很可能建立在多径传播基础之上，回波信号在幅度增强的同时相位会发生畸变，对雷达系统而言，很可能会导致雷达虚警误报或计算目标运行速度时产生严重偏差。

4 结 语

风电作为绿色可再生能源，随着社会的经济发展水平的提高会得到大量普及。但是上述计算表明，对于对海探测雷达而言，若风电场在探测覆盖区内，会导致漏警率或虚警率的提高。因此在建设风电设施时必须对其对周边电子系统的影响进行充分的评估，减少不必要的经济损失。

参考文献

[1] 葛川，何炎平，叶宇，等.海上风电场的发展、构成和基础形式[J].中国海洋平台，2008，23（6）：32?35.

[2] 宋础，刘汉中.海上风力发电场开发现状及趋势[J].新能源，2006（2）：57?58.

[3] 刘克中，张金奋，严新平，等.海上风电场对航海雷达探测性能影响研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2010，34（3）：34?36.

[4] 焦培南.雷达环境与电波传播特性[M].北京：电子工业出版社，2006.

[5] 熊皓.电磁波传播与空间环境[M].北京：电子工业出版社，2004.

[6] 谢益溪.无线电波传播?原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[7] ITU. R.P?526?9 Propagation by diffraction [S]. USA： ITU， 2009.

[8] 国家技术监督局.GB/T13619?1992微波接力通信系统干扰计算方法[S].北京：中国标准出版社，2009.

[9] 熊皓.关于等效地球半径的概念和定义问题[J].电波科学学报，1997（1）：10?14.

[10] 汪茂光.几何绕射理论[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1989.

[11] 刘彤.航海雷达电磁波绕射仿真模型及其应用[J].计算机仿真，2002（5）：86?87.

[12] 熊皓.无线电波传播[M].北京：电子工业出版社，1998.

[Hc=h1+（h2-h1）d1d-1 000d1d22Ka-hs] （2）

式（2）中各参数的定义如下：[h1]为发射天线与探测目标的标高较低者，[h2]发射天线与探测目标的标高较高者，两者单位均为m；[d1]为标高高的一端距风机的距离（单位：km）；[d]为发射天线与探测目标的距离（单位：km）；[d2=d-d1]（单位：km）；[a]为等效地球半径（单位：km）；[K]为等效地球半径系数，通常取[9]1.333；[hs]为障碍物标高（单位：m）。

[H0]可按下述公式计算[10]：

[H0=18.26λd1d2d] （3）

式中：[λ]为波长（单位：m）；其他参数含义同式（2）。

此处需要特别强调的是，式（2）用于屏蔽的顶部计算时，高度参数是各物体的垂直高程；对于屏蔽两侧的计算，可以认为电波在一个水平面上传播，因此此处所谓的高度应是水平“高程”，也就是物体的宽度。

2.2 有限宽度的屏蔽绕射损耗估算方法

通过将有限宽度的人为屏蔽横挡于电波传播方向上，能够在接收地点达到干扰抑制。此种场合，应考虑存在三个刀刃形障碍物，也即屏蔽的顶部和两侧，计算三个刀刃形障碍物的绕射损耗。三个独立的障碍物会同时产生建设性和破坏性的影响。

有限宽度的屏蔽绕射损耗估算步骤如下：

步骤1：应用式（1）估算三个刀刃形障碍物的绕射损耗[L1]，[L2]，[L3]。

步骤2：将每个绕射损耗按式（4）转化：

[Ji=10-0.1×Li] （4）

步骤3：计算综合绕射损耗：

[L=-10lgi=13Ji] （5）

[L]即为由风力发电机产生的绕射损耗估计值（单位：dB）。

3 仿真计算

3.1 典型风力发电机的参数

为了增加研究的针对性，具体计算中以上海东海大桥100 MW海上风电示范项目（以下简称上海风电工程）作为算例进行分析。

上海风电工程是我国上海风力发电的示范项目[11]，在东海大桥东侧的上海市海域安装34台单机容量为3 MW的风力发电机组，总装机容量为102 MW，每台风机直径均为5 m，高度为90 m，风机按照东西方向距离为500 m，南北方向距离为1 000 m排列在东海大桥以东附近海域。

下述计算过程中均假设风机支塔高度为90 m，直径为5 m。

3.2 对不同距离目标的影响

假设发射天线高度为100 m，天线水平宽度为10 m，距离某部风力发电机约10 km；目标高度为10 m，目标宽度为20 m，计算时取目标离风力发电机的距离为10～110 km，步进20 km；计算频率取3 GHz。

利用上述风力发电机绕射损耗估算方法可得到风机对不同距离上的目标的绕射损耗。计算结果见表1。

表1 风机对不同距离目标影响的计算结果

[目标离风机距离 /km＼&绕射损耗 /dB＼&10＼&1.51＼&30＼&0.77＼&50＼&-0.04＼&70＼&-0.86＼&90＼&-1.69＼&110＼&-2.52＼&]

3.3 对不同高度目标的影响

假设发射天线高度为100 m，天线水平宽度为10 m，距离某部风力发电机约10 km；目标高度在10～90 m变化，计算步进20 m，目标宽度为20 m，计算时取目标离风力发电机的距离为50 km；计算频率取3 GHz。计算结果见表2。

表2 风机对不同高度目标影响的计算结果

[目标高度 /m＼&绕射损耗 /dB＼&10＼&-0.04＼&30＼&-0.05＼&50＼&-0.06＼&70＼&-0.08＼&90＼&-0.15＼&]

3.4 仿真计算结果分析

从表1看来，风机对不同距离上的目标其影响是不一样的，近距离的目标上，风机会对信号产生一定的绕射损耗；但是在较远距离的目标上，反而出现了负损耗也即产生了一定的信号增益。

上述“负损耗”其实是一种障碍增益，一般在障碍物高出收发连线时出现。在一些极端条件下，障碍增益甚至可以达到几十个dB[12]。产生这种现象的原因可能有：通过顶部刀刃绕射的信号由于相当于提高了发射天线高度，地面衰减随之变小；通过顶部刀刃绕射的信号可以通过直射或地面反射到达目标；通过两侧绕射也有两路信号，在极端条件下会收到四条近于同相相加的信号，导致信号出现一定程度的增强。

表2在所有目标高度上也出现了上述增益现象，并且目标高度越高，增益稍强。

表2同时反映了风机对低高度目标影响较弱，相对的，发射天线高度越高，风机对同一高度目标影响也会较弱；这主要是因为收发高度提高之后，障碍物对第一菲涅尔区的遮挡效应相应减弱。

风机可能会对信号产生衰减，可能会导致雷达漏警；但同时绝对不能认为上述“负损耗”现象是一种有益增益，因为这种增益很可能建立在多径传播基础之上，回波信号在幅度增强的同时相位会发生畸变，对雷达系统而言，很可能会导致雷达虚警误报或计算目标运行速度时产生严重偏差。

4 结 语

风电作为绿色可再生能源，随着社会的经济发展水平的提高会得到大量普及。但是上述计算表明，对于对海探测雷达而言，若风电场在探测覆盖区内，会导致漏警率或虚警率的提高。因此在建设风电设施时必须对其对周边电子系统的影响进行充分的评估，减少不必要的经济损失。

参考文献

[1] 葛川，何炎平，叶宇，等.海上风电场的发展、构成和基础形式[J].中国海洋平台，2008，23（6）：32?35.

[2] 宋础，刘汉中.海上风力发电场开发现状及趋势[J].新能源，2006（2）：57?58.

[3] 刘克中，张金奋，严新平，等.海上风电场对航海雷达探测性能影响研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2010，34（3）：34?36.

[4] 焦培南.雷达环境与电波传播特性[M].北京：电子工业出版社，2006.

[5] 熊皓.电磁波传播与空间环境[M].北京：电子工业出版社，2004.

[6] 谢益溪.无线电波传播?原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[7] ITU. R.P?526?9 Propagation by diffraction [S]. USA： ITU， 2009.

[8] 国家技术监督局.GB/T13619?1992微波接力通信系统干扰计算方法[S].北京：中国标准出版社，2009.

[9] 熊皓.关于等效地球半径的概念和定义问题[J].电波科学学报，1997（1）：10?14.

[10] 汪茂光.几何绕射理论[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1989.

[11] 刘彤.航海雷达电磁波绕射仿真模型及其应用[J].计算机仿真，2002（5）：86?87.

[12] 熊皓.无线电波传播[M].北京：电子工业出版社，1998.

[Hc=h1+（h2-h1）d1d-1 000d1d22Ka-hs] （2）

式（2）中各参数的定义如下：[h1]为发射天线与探测目标的标高较低者，[h2]发射天线与探测目标的标高较高者，两者单位均为m；[d1]为标高高的一端距风机的距离（单位：km）；[d]为发射天线与探测目标的距离（单位：km）；[d2=d-d1]（单位：km）；[a]为等效地球半径（单位：km）；[K]为等效地球半径系数，通常取[9]1.333；[hs]为障碍物标高（单位：m）。

[H0]可按下述公式计算[10]：

[H0=18.26λd1d2d] （3）

式中：[λ]为波长（单位：m）；其他参数含义同式（2）。

此处需要特别强调的是，式（2）用于屏蔽的顶部计算时，高度参数是各物体的垂直高程；对于屏蔽两侧的计算，可以认为电波在一个水平面上传播，因此此处所谓的高度应是水平“高程”，也就是物体的宽度。

2.2 有限宽度的屏蔽绕射损耗估算方法

通过将有限宽度的人为屏蔽横挡于电波传播方向上，能够在接收地点达到干扰抑制。此种场合，应考虑存在三个刀刃形障碍物，也即屏蔽的顶部和两侧，计算三个刀刃形障碍物的绕射损耗。三个独立的障碍物会同时产生建设性和破坏性的影响。

有限宽度的屏蔽绕射损耗估算步骤如下：

步骤1：应用式（1）估算三个刀刃形障碍物的绕射损耗[L1]，[L2]，[L3]。

步骤2：将每个绕射损耗按式（4）转化：

[Ji=10-0.1×Li] （4）

步骤3：计算综合绕射损耗：

[L=-10lgi=13Ji] （5）

[L]即为由风力发电机产生的绕射损耗估计值（单位：dB）。

3 仿真计算

3.1 典型风力发电机的参数

为了增加研究的针对性，具体计算中以上海东海大桥100 MW海上风电示范项目（以下简称上海风电工程）作为算例进行分析。

上海风电工程是我国上海风力发电的示范项目[11]，在东海大桥东侧的上海市海域安装34台单机容量为3 MW的风力发电机组，总装机容量为102 MW，每台风机直径均为5 m，高度为90 m，风机按照东西方向距离为500 m，南北方向距离为1 000 m排列在东海大桥以东附近海域。

下述计算过程中均假设风机支塔高度为90 m，直径为5 m。

3.2 对不同距离目标的影响

假设发射天线高度为100 m，天线水平宽度为10 m，距离某部风力发电机约10 km；目标高度为10 m，目标宽度为20 m，计算时取目标离风力发电机的距离为10～110 km，步进20 km；计算频率取3 GHz。

利用上述风力发电机绕射损耗估算方法可得到风机对不同距离上的目标的绕射损耗。计算结果见表1。

表1 风机对不同距离目标影响的计算结果

[目标离风机距离 /km＼&绕射损耗 /dB＼&10＼&1.51＼&30＼&0.77＼&50＼&-0.04＼&70＼&-0.86＼&90＼&-1.69＼&110＼&-2.52＼&]

3.3 对不同高度目标的影响

假设发射天线高度为100 m，天线水平宽度为10 m，距离某部风力发电机约10 km；目标高度在10～90 m变化，计算步进20 m，目标宽度为20 m，计算时取目标离风力发电机的距离为50 km；计算频率取3 GHz。计算结果见表2。

表2 风机对不同高度目标影响的计算结果

[目标高度 /m＼&绕射损耗 /dB＼&10＼&-0.04＼&30＼&-0.05＼&50＼&-0.06＼&70＼&-0.08＼&90＼&-0.15＼&]

3.4 仿真计算结果分析

从表1看来，风机对不同距离上的目标其影响是不一样的，近距离的目标上，风机会对信号产生一定的绕射损耗；但是在较远距离的目标上，反而出现了负损耗也即产生了一定的信号增益。

上述“负损耗”其实是一种障碍增益，一般在障碍物高出收发连线时出现。在一些极端条件下，障碍增益甚至可以达到几十个dB[12]。产生这种现象的原因可能有：通过顶部刀刃绕射的信号由于相当于提高了发射天线高度，地面衰减随之变小；通过顶部刀刃绕射的信号可以通过直射或地面反射到达目标；通过两侧绕射也有两路信号，在极端条件下会收到四条近于同相相加的信号，导致信号出现一定程度的增强。

表2在所有目标高度上也出现了上述增益现象，并且目标高度越高，增益稍强。

表2同时反映了风机对低高度目标影响较弱，相对的，发射天线高度越高，风机对同一高度目标影响也会较弱；这主要是因为收发高度提高之后，障碍物对第一菲涅尔区的遮挡效应相应减弱。

风机可能会对信号产生衰减，可能会导致雷达漏警；但同时绝对不能认为上述“负损耗”现象是一种有益增益，因为这种增益很可能建立在多径传播基础之上，回波信号在幅度增强的同时相位会发生畸变，对雷达系统而言，很可能会导致雷达虚警误报或计算目标运行速度时产生严重偏差。

4 结 语

风电作为绿色可再生能源，随着社会的经济发展水平的提高会得到大量普及。但是上述计算表明，对于对海探测雷达而言，若风电场在探测覆盖区内，会导致漏警率或虚警率的提高。因此在建设风电设施时必须对其对周边电子系统的影响进行充分的评估，减少不必要的经济损失。

参考文献

[1] 葛川，何炎平，叶宇，等.海上风电场的发展、构成和基础形式[J].中国海洋平台，2008，23（6）：32?35.

[2] 宋础，刘汉中.海上风力发电场开发现状及趋势[J].新能源，2006（2）：57?58.

[3] 刘克中，张金奋，严新平，等.海上风电场对航海雷达探测性能影响研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2010，34（3）：34?36.

[4] 焦培南.雷达环境与电波传播特性[M].北京：电子工业出版社，2006.

[5] 熊皓.电磁波传播与空间环境[M].北京：电子工业出版社，2004.

[6] 谢益溪.无线电波传播?原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[7] ITU. R.P?526?9 Propagation by diffraction [S]. USA： ITU， 2009.

[8] 国家技术监督局.GB/T13619?1992微波接力通信系统干扰计算方法[S].北京：中国标准出版社，2009.

[9] 熊皓.关于等效地球半径的概念和定义问题[J].电波科学学报，1997（1）：10?14.

[10] 汪茂光.几何绕射理论[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1989.

[11] 刘彤.航海雷达电磁波绕射仿真模型及其应用[J].计算机仿真，2002（5）：86?87.

[12] 熊皓.无线电波传播[M].北京：电子工业出版社，1998.