近海风电场障碍下海事雷达绕射损耗估算方法

王树武，谢　磊,曹　臻,艾学杰,薛双飞

(武汉理工大学a.智能交通系统研究中心；b.国家水运安全工程技术研究中心；c.能源与动力工程学院，武汉430063)



近海风电场障碍下海事雷达绕射损耗估算方法

王树武a,b,c，谢磊a,b,曹臻a,b,c,艾学杰a,b,c,薛双飞a,b,c

(武汉理工大学a.智能交通系统研究中心；b.国家水运安全工程技术研究中心；c.能源与动力工程学院，武汉430063)

考虑到目前近海风电场对海事雷达的影响还没有比较完善的理论模型。根据近海风电场周边通航安全保障的需求，提出基于矩形屏蔽绕射的风电场绕射损耗模型，该模型对风电场简化程度较小，与实际风机结果较为接近，估算结果较为可信，通过仿真计算给出特定参数下的风电场绕射损耗分布。

近海风电场；海事雷达；绕射损耗模型；矩形屏蔽绕射模型

近年来，海上风力发电越来越受到人们的关注，海上风电场的建设也带来了一些比较突出的问题[1]。例如，海上风电场的建设对航海安全和海探测雷达等都会产生重大影响[2]。风电场的建设会改变附近船舶的航海路线，并且可能永久性改变该水域原有的通航环境和条件[3]。风电场对电磁波设备的影响主要有：风机发电过程中产生的电磁干扰，风机建筑结构对电磁波的散射和绕射以及风机叶片转动对移动目标探测设备的干扰[4]。

由于风机发电过程中产生的电磁干扰为低频干扰，而雷达工作在高频段，因此这种电磁干扰对雷达的影响不大[5]。具有移动目标探测功能的雷达，其原理是在两次或多次扫描中得到目标的位移，从而实现运动目标检测与跟踪，因此风机叶片的转动会影响这种雷达探测风机附近目标[6-7]。对于海事雷达而言，由于船舶一般不会在离风机很近的地方航行，风机叶片转动产生的影响相对于风机建筑结构产生的散射和绕射要小得多[5]。因此，研究风机绕射损耗估算方法对评估海上风电场对海事雷达的影响具有十分重要的工程应用价值。目前，一部分研究是利用雷达性能参数和雷达绕射理论对风机回波特性进行了理论分析[8]，也有研究是针对单风机绕射损耗估算模型[9]，但尚未见到适用于整个风电场绕射损耗计算的模型。为此，对近海风电场障碍下海事雷达的绕射损耗进行建模和仿真分析。首先分析近海风电场障碍物特性，对单风机障碍物进行一定简化和理想化；再提出适合风机障碍的绕射损耗估算模型；然后在单风机的基础上提出整个风电场的绕射损耗估算方法；最后通过仿真，分析风电场绕射损耗特点。

1　风机障碍物特性分析

风力发电机主要由支塔、叶片等组成。与支塔相比，叶片的尺寸相对较小，并且叶片一般为非金属轻质材料，其对电磁波的干扰相对较小[10]。因此，在计算风力发电机绕射损耗时，将风机支塔作为障碍物进行绕射计算。

在考虑单部风机的影响时，将风机看作孤立的障碍物。为了简化计算，通常将障碍物的形状理想化。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；另一种情况是，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[11]。

相对而言，将风机看作刀刃形障碍物更为合适，然而理想的刀刃形障碍物宽度是无限大的[11]，单纯的刀刃形障碍物绕射损耗模型不适合风电障碍物。

R-REC-P.526-13建议书中提出了单个矩形屏蔽的绕射损耗计算模型[12]。该模型中矩形屏蔽的4个方向都当作刀刃形绕射处理，并且矩形屏蔽的任意一个方向或几个方向可以无限延伸，得到新的计算模型。针对风力发电机支塔的形状，可以将矩形屏蔽模型中某一个方向无限延伸，得到适合风力发电机绕射损耗计算的模型。

2　风机绕射损耗建模与计算方法

2.1矩形屏蔽绕射模型

如图1所示，以电磁波发射机T和接收机R的连线为Z轴，Z轴与矩形屏蔽所在面的交点为原点，矩形屏蔽所在平面为XOY面，建立空间直角坐标系。那么，矩形屏障4个方向刀刃的位置可以记作x1、x2、y1和y2。

图1　矩形屏蔽绕射模型

假设电磁波传播平行于Z轴，发射机T和接收机R两者离屏蔽面的距离分别为d1和d2。则接收机上的场强为：

(1)

式中：ea——穿过矩形屏蔽到达接收机上的场强。

ea(x1,x2,x3,x4)=0.5(CxSy+SxCy)-

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：C(ν)和S(ν)——菲涅尔积分；

ν——几何参数，与障碍物所在处第一菲涅尔半径F1有关。

(7)

(8)

(9)

(10)

其中：λ——电磁波波长；

h——刀刃形绕射中的高程。

对于标准的矩形屏蔽模型，矩形屏蔽在平面XOY内，并且垂直于Z轴，因此可以直接将x1、x2、y1和y2代替式(8)中的h得到矩形屏蔽4个方向上的几何参数，从而最终求得接收机上的场强es。工程上一般要求获得障碍物绕射衰减，单位为dB，因此，绕射衰减的最终计算式为

L=-20lges

(11)

然而，实际的风机障碍物并不完全符合标准矩形屏蔽模型。一方面，风机只是在3个方向上为有限宽度，有一个方向应被看作无限宽度，并且风机顶端一般高出发射机和接收机连线很多，在某些情况下风机顶端也可以视为无限宽度；另一方面，在实际计算，发射机、接收机以及风机障碍物不是在直角坐标系中给出，其所在的坐标系为地球坐标系，并且发射机和接收机的连线不一定与风机障碍所在平面垂直，因此需要对标准矩形屏蔽模型进行适当修改，以使其适应于风机障碍物的绕射衰减计算。

对于障碍物某一方向或多方向为无限宽度，可以推出ν→∞。也就是需要得到C(∞)和S(∞)的值，而菲涅尔积分有如下性质：

(12)

(13)

(14)

针对风机障碍物的特点，可以将风机障碍作为y1方向或者y1和y2两个方向趋于无穷的矩形屏蔽，从而可以作为矩形屏蔽的一种特殊形式计算。前者(仿真中称为3点模型)中C(vy1)=S(νy1)=-0.5，适用于发射机和接收机连线离风机顶端距离较近的情况；后者(仿真中称为两点模型)中C(vy1)=S(νy1)=-0.5并且C(vy2)=S(νy2)=0.5，适用于风机顶端远远高于发射机和接收机的连线。将上式代入标准矩形屏蔽模型即可以用于风机障碍物绕射损耗计算。

另外，在使用式(12)计算各方向上的几何参数时，垂直高程的高度参数需要考虑地球的曲率，其计算如下式(15)所示[13]；而对于屏蔽两侧的计算，可以认为电波在一个水平面上传播，不需要考虑地球的曲率影响，即不需要下式中最后一项。

(10)

式中：hs——风机高度，m；

h1，h2——发射机和接收机高度，并且h1≤h2，m；

d1——发射机和接收机中高度低者离障碍物的距离，m；

d——发射机和接收机之间的距离，m；

d2=d-d1；

a——地球半径，m；

K——等效地球半径系数。

2.2多障碍绕射模型

当计算多个风机绕射损耗时，需要一种用于计算组合障碍物下的绕射损耗模型。考虑到风机之间的距离一般较大，发射机和接收机距离风机的距离也较大，而风机的尺寸相对较小，这里假设电磁波绕过风机一定距离之后，不影响原电磁场的分布，也就是说，各风机的遮挡影响是独立的，可以分开计算。当然，这是一种近似，但是，这为风电场整体绕射衰减计算提供了一个简单易行的估算方法，为风电场的整体布局设计以及风机绕射损耗修补提供了一定的参考。

如图2所示，发射机和接收机之间有2台风机，使用2.1中介绍的矩形屏蔽绕射模型可以分别计算出风机A和风机B的绕射损耗LA和LB，则总的绕射损耗为两损耗相加。

图2　多风机绕射模型

风电场的绕射损耗估算步骤如下。

步骤1。对风电场所有风机进行位置判定，确定存在绕射影响的风机序列A1，A2，A3，…，An。

步骤2。使用2.1中的矩形屏蔽绕射模型计算风机对雷达波的绕射损耗LA1，LA2，LA3，…，LAn。

步骤3。风电场对雷达波总的绕射损耗L：

(16)

3　仿真计算

3.1典型风机参数

将上海东海大桥100 MW海上风电示范项目作为算例。

东海大桥近海风电场一期工程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，每台风力发电机的直径均为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。

以下仿真计算过程中均假设风机支塔高度为90 m，风机直径为5 m。

3.2船-船仿真

风电场会对其附近的船舶产生影响，使得船载雷达产生绕射损耗，影响船载雷达对其附近船舶进行探测。这种影响可能使得船舶探测不到风电场背后的船舶，出现碰撞事故。

这种情况的特点是：发射机和接收机的高度都不会很高。假设发射机和接收机的高度都为20 m，发射机距离某部风机的距离为1 000 m，分别取电磁波波长为0.1 m和0.03 m进行计算，使用3点模型，得到接收机和风机不同距离下的绕射损耗见图3。

图3　面礼不同波长绕射损耗对比

针对2点模型和3点模型分别计算可以得到图4所示结果，取波长为0.1 m。

图4　2点模型和3点模型绕射损耗对比

3.3雷达站-船仿真

风电场同样会对其周边的雷达站产生绕射损耗，影响雷达站对周边海域的通航监管，使得某些船舶不能被雷达站探测到，留下安全隐患，特别是在交通繁忙的港口和码头。

这种情况的特点是：接收机的高度不会很高，但是发射机的高度一般比较高。这里以小洋山雷达站和东海大桥近海风电场作为仿真对象。假设发射机高度为190 m，接收机高度为20 m，发射机距离某部风机的距离为16 000 m，取电磁波波长为0.1 m和0.03 m，使用3点模型进行计算，得到接收机和风机不同距离下的绕射损耗见图5。

针对2点模型和3点模型分别计算可以得到图6所示结果，取波长为0.1 m。

图6　2点模型和3点模型绕射损耗对比

3.4仿真结果分析

由图3和图5可见，风机对雷达的损耗随着目标离风机距离的增大而减小。对于不同波长的电磁波，损耗是不一样的，波长较长时，损耗相对较小。另外，当发射机离风机距离不同时，损耗变化速率是不一样的，发射机离风机距离越远，绕射损耗随着目标与风机距离的增大衰减越快。

由图4和图6可见，发射机离风机不同距离下，以及发射机和接收机中有1或2个的高度相对风机高度低很多时，使用2点模型和3点模型计算得到的衰减相差不大。这可能是因为风机高度高出发射机和接收机的连线很多。但是，2点模型中绕射损耗随着目标离风机距离增大单调减小，3点模型中绕射损耗出现震荡衰减现象。

通过上述分析可知，近海风电场对海事雷达存在干扰，无论是对船载雷达还是对岸基海事监管雷达都存在一定影响。从图4和图6的仿真结果可以看出，3点模型和2点模型的差值在工程允许范围内，在粗略估算风电场绕射损耗时，可以使用两点模型进行计算，计算量可以减少1/3。

仿真得到风机周围绕射损耗分布见图7，该仿真使用了2点模型，取波长为0.1 m，发射机和接收机的高度都为20 m，设发射机的坐标为(-1 000，0)，风机的坐标为(0，0)，仿真范围为x方向上-100～1 000 m，y方向上-500～500 m。由图7可见，当风机障碍离发射机和接收机连线距离增大时，绕射损耗并不是随之单调减小，而是出现了明显的震荡。

图7　风机附近绕射损耗分布

4　结束语

发射机距离风电场越远，绕射损耗减小速度越快，接收机距离风电场越远，绕射损耗越小，同时雷达波长越长，绕射损耗相对较小。与已有绕射损耗计算方法相比，本方法对风机障碍简化程度小，估算精度较高，并且可以得到整个风电场的绕射损耗分布。在风电场建设对海事雷达影响评估时，与到现场测试相比，本方法具有较高经济性的同时，可以为风电场对雷达的影响修复工作提供理论指导。

本方法的不足之处在于，风机障碍的形状不完全符合矩形屏蔽模型要求，应用矩形屏蔽模型计算存在误差，下一步的研究将对本文的模型进行修正，以期得到更加准确的绕射损耗计算方法。

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Estimation Method of Diffraction Loss over Offshore Wind Farm Obstacles on Maritime Radar

WANG Shu-wua,b,c, XIE Leia,b, CAO Zhena,b,c, AI Xue-jiea,b,c, XUE Shuang-feia,b,c

(Wuhan University of Technology a Intelligent Transport System Research Center;b National Engineering Research Center for Water Transport Safety;c School of Energy and Power Engineering, Wuhan, 430063)

At present, there is still no suitable model used to describe the effects of offshore wind farm on maritime radar. According to the demands of navigation security surrounding the offshore wind farm, a model to estimate the diffraction loss based on diffraction by rectangular screen model is presented. The simplification of model is low degree, and close to the reality, so the estimation is reliable. Based on simulation, the distribution of diffraction loss is given in specific parameters.

offshore wind farm; maritime radar; diffraction loss model; diffraction by rectangular screen model

2016-03-01

2016-04-20

国家自然科学基金项目(51479158)

王树武(1992—)，男，硕士生

U675.74；X951

A

1671-7953(2016)04-0072-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.018

研究方向:近海风电场对雷达的影响机理

E-mail:wangshuwu@whut.edu.cn