海上风电场对岸基警戒雷达遮挡影响计算分析

郭徽东

(海军92403部队51分队,福州 350007)



海上风电场对岸基警戒雷达遮挡影响计算分析

郭徽东

(海军92403部队51分队,福州 350007)

摘要:海上风电场的建设会对岸基雷达海上目标探测造成一定的影响。利用雷达性能参数和雷达绕射理论定量分析风电机对岸基雷达方位、距离和高度探测的遮挡影响。计算结果表明,距离远近和地球曲率是距离遮挡影响的主要因素,雷达部署高度、风机高度是高度遮挡的主要影响因素,方位遮挡对雷达观测的影响较小。

关键词:海上风电场;岸基雷达;绕射;遮挡

0引言

海上风电场的开发建设将促进风电产业链快速发展,推动国内风机制造业在产品研发、行业管理、能力建设上日趋发展和完善[1]。但是,风电场中风机的分布比较集中,风电场的建设有可能改变周围岸基雷达海上目标环境。对于对海探测雷达而言,风电场产生的物标遮挡、绕射等对雷达而言都是非常不利的因素。因此,研究风力发电机对雷达的方位、距离和高度等方面遮挡衰减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[2-4]。

1雷达电磁波绕射模型

雷达遮蔽角指从雷达天线中心点和该点所在水平面上算起的雷达电波信号被地形物遮挡的垂直张角,即雷达在某个方向上发现目标的最小高低角。当雷达天线的高低角小于这个角度时,由于山、森林、建筑物等地物或地形的遮挡,雷达将难于发现目标。当雷达发射的电磁波波长远小于障碍物的尺寸时,电磁波越过障碍物的现象称为绕射[2-3]。电磁波的绕射根据障碍物的不同可以分为刃峰绕射和圆顶峰绕射。当障碍物的曲率半径与电磁波相差不大时,电磁波的绕射为刃峰绕射,如图1所示;而当障碍物尺度较大、曲率半径与电波波长相差较大时则为圆顶峰绕射,如图2所示。具体判断方法是当障碍物的曲率半径r及电波波长λ满足(r/λ)<2/(10θ)3时,电磁波的绕射为刃峰绕射,否则为圆顶峰绕射。

电磁波为单刃峰绕射时电磁波的绕射衰减量A(dB)与几何尺度因子μ0之间的关系可用下式表示:

图1　雷达单刃峰绕射

图2　雷达单圆顶峰绕射

(1)

(2)

式中,Re为地球半径(m),h为障碍物海拔高度(m),d1为发射点至障碍物顶点的距离(m),d2为目标至障碍物顶点的距离(m),d为收发距离(m),h1发射点的海拔高度(m),h2为接收点的海拔高度(m)。

当电磁波为单圆顶绕射时,电磁波的绕射衰减量A(dB)为

(3)

式中,J(μ0)是以障碍物顶点为刃峰顶点的绕射损耗,计算方法同公式(1),而T(m,n)是由于障碍物曲率导致的额外衰减,计算公式如下[5]:

(4)

其中

式中,h为圆顶顶点至雷达目标连线的垂直距离(m),d1为发射点至障碍物顶点的距离(m),d2为目标至障碍物顶点的距离(m),d为收发距离(m),r为障碍物顶部等效曲率半径(m)。

2海上风电机对雷达遮挡影响分析

风电场对雷达遮挡影响的理论计算分析主要是指利用雷达波绕射模型计算雷达的遮挡衰减值,然后从距离、方位和高度等3个方面计算分析遮挡影响的结果。雷达电磁波绕射模型主要应用于理论计算过程,目的是通过雷达电磁波绕射模型计算风电机对雷达信号的遮挡衰减值,可以为定量分析风电机的遮挡影响提供数据支撑,从而评估风电场工程建设对雷达系统的遮挡影响效果。

2.1距离遮挡计算

计算雷达距离上的遮挡影响时,假设雷达主波束一直对着最远探测距离处不变,雷达对着目标的探测主要靠主瓣来实现。因此,遮挡影响主要分析对主瓣信号的衰减量来确定,具体衰减量允许值需要结合主瓣增益及实际情况确定。假设雷达探测目标距离为R,而风电场的风电机位于雷达与目标的连线之间,风电机的轮叶正对雷达波束方向,这时对雷达信号的遮挡影响最大。根据雷达、目标和风电机三者的距离关系及各自高度,利用式(1)可计算出风电机对雷达信号的遮挡衰减A1。考虑到雷达回波双程传输,因此雷达回波信号的遮挡衰减值为2A1。由雷达方程可知,雷达探测目标距离R时的回波功率P与雷达最大探测距离Rmax时的最小可检测功率Pmin满足下面关系:

(5)

(6)

其中A2为探测目标回波功率大于最大探测距离上的最小可检测功率的值,由于R≤Rmax,则A2≥0。因此,当目标在距离雷达为R的位置时,虽然风电机对雷达信号产生遮挡衰减,衰减值为2A1,但由于此时目标的回波信号功率也将增加,增加值为A2。当A2≥2A1时,则目标回波信号经遮挡衰减后的功率值大于或等于最大作用距离时的最小可检测功率,此时目标仍可被检测出来。而当A2<2A1时,回波信号功率将小于最小可检测功率,雷达将无法检测到目标。通过遮挡衰减值和回波信号功率增加值的对比,可最终得出风电机在距离上对雷达的遮挡影响效果。

2.2方位遮挡计算

风电机在方位上对雷达的遮挡影响主要是在风电机后方形成一定宽度的阴影区。在该阴影区内雷达信号同样也会受风电机在距离上的遮挡影响,形成由方位和距离构成的雷达监测盲区(如图3所示),使雷达检测能力下降,影响雷达正常工作。

图3　单个风电机在距离和方位上的遮挡影响阴影区

假设方位上的遮挡衰减值为A,则根据公式(1)可计算出相应的μ0值。表1给出了不同衰减时的μ0计算结果。然后,根据遮挡物的曲率半径可求出雷达波不同绕射衰减时的遮挡角度,如图4所示。图中给出了0dB衰减(又称灵敏度降低弧)、3dB衰减区和12dB衰减区的范围,并且3dB衰减区和12dB衰减区都包含在0dB衰减区内,且当μ0<0时遮挡区在遮挡物曲率半径以外,μ0>0时遮挡区在遮挡物曲率半径以内。同样,当采用3dB的雷达双程衰减保护要求,即遮挡衰减A取值为1.5dB时则认为进入了雷达的遮挡方位阴影区。

表1　风电机对雷达信号的遮挡衰减值A及μ0值

图4　不同衰减值下的雷达遮挡角度示意图

当A=1.5dB时,由表1可知μ0=-0.52,则可计算出绕射传播余隙为

(7)

当风电机曲率半径r已知时,可以求出在绕射作用下雷达阴影区的方位角大小为

(8)

由上式可最终得出风电机在方位上对雷达的遮挡影响效果。方位遮挡计算方法主要应用于理论计算过程,目的是评估风电机对雷达探测方位的遮挡影响效果。以方位遮挡衰减A=1.5dB,作为阴影区的边缘衰减要求,以此计算风电机对雷达遮挡后形成的阴影区角度。

2.3高度遮挡计算

高度遮挡计算目的是评估风电机对雷达探测高度的遮挡影响效果,明确雷达在受到风电机遮挡后所能探测的最低高度。当目标在不同高度时,风电机对雷达的遮挡影响也将不同,目标高度越高,遮挡衰减越小,影响也越小,反之则影响越大。因此,在分析距离上的衰减影响时,也需同时考虑高度上的影响变化。分析方法主要是先将目标高度设置在最低的海平面高度上,当目标逐渐靠近雷达和风电机时,遮挡影响会随之出现并逐渐增强。根据保护要求,当遮挡衰减大于1.5dB时,雷达将无法在此高度上检测到目标。为了减小或消除遮挡影响,可以通过增加目标高度的方法实现。具体计算方法与距离上的遮挡影响计算法基本相同。当目标高度增加时,通过公式(1)计算遮挡衰减值,然后与1.5dB进行比较。当两者相等时,此时的高度是目标在某一距离上的最小探测高度。以此类推,最终得出风电机在高度上对雷达的遮挡影响效果。

2.4风电机的高度等效计算

风电机高度等效计算的目的是明确遮挡影响计算时的风电机高度参数。风电机主要由塔筒、轮毂和风轮叶片3部分组成,其中风轮叶片有3个,每个叶片包括根部、外壳和龙骨3个部分。根部为金属材料,其他两部分为玻璃钢和玻璃纤维复合材料。根据国外文献报道,风电机对雷达电磁波的散射80%来自风电机塔筒,每个叶片对电磁波的散射仅占散射量的5%,而且是出现在雷达位于风电机正面或背面情况下。因此,风电机对雷达的遮挡影响大部分是由于塔筒造成的。风电机除了根部是金属材料外,其余绝大部分是玻璃纤维复合材料,因此叶片产生遮挡和反射的主体时根部位置。基于以上考虑,可将叶片的影响等效折算到塔筒上,使产生遮挡影响的塔筒高度增加,且增加的高度可以近似等于风叶半径长度的一半(仿真中,风机等效高度约为120～125m)。

3仿真计算

仿真中,风电场风电机拟采用容量5MW、转轮直径128m的风电机组为代表机型,轮毂高度90m,尺寸是3.19m×2.3m×2.8m(L×W×H),叶片长度64m。假设有两个不同高度的雷达地址,地址1高度440m,距离风机80km;地址2高度600m,距离风机15.5km。为简单起见,假设站址与风电机视线上无自然山峰遮挡。根据第2节提出的遮挡影响计算方法及步骤,给出轮毂半径r=2.3m以及μ0=-0.52,并结合相关仿真参数,可以计算出海上风电场风电机在不同距离上对不同雷达所形成的距离、方位和高度遮挡影响。

图5～图6分别为地址1和地址2至风电机的距离遮挡计算结果。遮挡衰减值主要服从以下变化趋势:(1)遮挡衰减值将随距离的减小而缓慢减小,主要原因是受地球曲率的影响。远距离时,曲率影响较大,风电机对雷达的视线阻碍较大,遮挡影响较强;而随距离的减小,曲率影响变小,风电机对雷达视线阻碍也变小,遮挡影响减弱;(2)视距附近,遮挡衰减值随距离的减小而缓慢增大,主要原因是此时地球曲率影响已减弱,对遮挡影响起主要作用的是目标与雷达的水平距离。当目标靠近风电机时,风电机对雷达视线的影响逐渐增大,遮挡影响也增强;(3)视距内,遮挡衰减影响急剧增大,主要原因是由于目标离风电机较近,雷达电磁波满足单圆顶绕射模型条件。因此,在遮挡衰减值将按照单圆顶绕射模型进行计算,其衰减量急剧增加;(4)地址2距离风电机较近为10km左右,遮挡影响大,雷达电磁波满足单圆顶绕射模型条件,其衰减量急剧增加。

图5　风机与地址1雷达的遮挡影响距离关系

图6　风机与地址2雷达的遮挡影响距离关系

由图7～图8可知,风电机离雷达较远距离建设时,风电机对雷达遮挡的方位较小,且随距离的增大遮挡方位角缓慢变大,而波长越短,频率越高,遮挡角也越大。地址1雷达受风机的最大遮挡角度小于0.01°,地址2雷达受风机视线上最大遮挡角度为0.025°,最小遮挡角度为0.01°。

图7　风机对地址1雷达的遮挡方位

图8　风机对地址2雷达的遮挡方位

图9～图10为风机遮挡后最低探测高度的仿真计算结果。由计算结果可知,地址1雷达距离风电场较远,受风电机遮挡后的最低探测高度主要由遮挡衰减值和地球曲率两个因素决定;地址2雷达距离风电场距离较近,受风电场遮挡后的最低探测高度主要由遮挡衰减值决定。在风机距离较近时,雷达部署高度、风机高度是决定最低探测高度的主要影响因素;风机距离较远时,随着目标距离逐渐增大,地球曲率的影响将逐渐增大,最低探测高度将逐渐增大。不同雷达最低探测高度的不同主要由不同雷达的波长及天线高度决定。

图9　风机对地址1雷达绕射高度的影响

图10　风机对地址2雷达绕射高度的影响

4结束语

风电机对岸基雷达的遮挡衰减值将随距离的减小而缓慢减小,主要原因是受地球曲率的影响。远距离时,曲率影响较大,风电机对雷达的视线阻碍较大,遮挡影响较强;视距内,遮挡衰减影响急剧增大,主要原因是由于目标离风电机较近,雷达电磁波满足单圆顶绕射模型条件。风电机遮挡后的最低探测高度主要由遮挡衰减值和地球曲率两个因素决定。在风机距离较近时,雷达部署高度、风机高度是决定最低探测高度的主要影响因素。风电机对雷达遮挡的方位较小,且随距离和频率的增加,遮挡方位角缓慢变大。由于大型海上风电场正在建设过程中,其对岸基雷达影响的研究仍处于理论分析阶段,需要在风电场建成后对其进行更深入的研究和定量分析。

参考文献:

[1]海上300MW风电工程预可行性研究报告[D].华东勘测设计研究院,2015.

[2]刘克中,张金奋,严新平,杨星.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(6):561-564.

[3]刘彤,金一丞,尹勇.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.

[4]张连迎,李川川.风机绕射损耗估算方法及对电子系统影响的分析[J].现代电子技术,2014(3):35-37.

[5]肖景明,王元坤.电波传播工程计算[M].西安:西安电子科技大学出版社,1989:25-29.

Calculation and analysis of occlusion effects of offshore wind farm on shore-based surveillance radars

GUO Hui-dong

(Team 51,Unit 92403 of the PLA Navy,Fuzhou 350007)

Abstract:The construction of the offshore wind farm has a certain effect on the surface target detection of the shore-based radars.The occlusion effects of the wind generators on radar azimuth,range and height detection are quantitatively analyzed through the performance parameters and the diffraction theory.The calculation results indicate that the range and the earth curvature as well as the height of radar and generators mainly impact radar range and height detection respectively.Nevertheless,the azimuth occlusion has little influence on radar detection.

Keywords:offshore wind farm;shore-based radar;diffraction;occlusion

中图分类号:TN953.5

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)01-0006-05

作者简介:郭徽东(1976-),男,工程师,博士,研究方向:雷达数据处理。

收稿日期:2015-11-12;修回日期:2015-12-03