海上風電場對岸基警戒雷達遮擋影響計算分析

郭徽東

(海軍92403部隊51分隊,福州 350007)

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海上風電場對岸基警戒雷達遮擋影響計算分析

郭徽東

(海軍92403部隊51分隊,福州 350007)

摘要:海上風電場的建設會對岸基雷達海上目標探測造成一定的影響。利用雷達性能參數(shù)和雷達繞射理論定量分析風電機對岸基雷達方位、距離和高度探測的遮擋影響。計算結果表明,距離遠近和地球曲率是距離遮擋影響的主要因素,雷達部署高度、風機高度是高度遮擋的主要影響因素,方位遮擋對雷達觀測的影響較小。

關鍵詞:海上風電場;岸基雷達;繞射;遮擋

0引言

海上風電場的開發(fā)建設將促進風電產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展,推動國內(nèi)風機制造業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)、行業(yè)管理、能力建設上日趨發(fā)展和完善[1]。但是,風電場中風機的分布比較集中,風電場的建設有可能改變周圍岸基雷達海上目標環(huán)境。對于對海探測雷達而言,風電場產(chǎn)生的物標遮擋、繞射等對雷達而言都是非常不利的因素。因此,研究風力發(fā)電機對雷達的方位、距離和高度等方面遮擋衰減估算方法對評估海上風電場對雷達的影響具有十分重要的工程應用價值[2-4]。

1雷達電磁波繞射模型

雷達遮蔽角指從雷達天線中心點和該點所在水平面上算起的雷達電波信號被地形物遮擋的垂直張角,即雷達在某個方向上發(fā)現(xiàn)目標的最小高低角。當雷達天線的高低角小于這個角度時,由于山、森林、建筑物等地物或地形的遮擋,雷達將難于發(fā)現(xiàn)目標。當雷達發(fā)射的電磁波波長遠小于障礙物的尺寸時,電磁波越過障礙物的現(xiàn)象稱為繞射[2-3]。電磁波的繞射根據(jù)障礙物的不同可以分為刃峰繞射和圓頂峰繞射。當障礙物的曲率半徑與電磁波相差不大時,電磁波的繞射為刃峰繞射,如圖1所示;而當障礙物尺度較大、曲率半徑與電波波長相差較大時則為圓頂峰繞射,如圖2所示。具體判斷方法是當障礙物的曲率半徑r及電波波長λ滿足(r/λ)<2/(10θ)3時,電磁波的繞射為刃峰繞射,否則為圓頂峰繞射。

電磁波為單刃峰繞射時電磁波的繞射衰減量A(dB)與幾何尺度因子μ0之間的關系可用下式表示:

圖1　雷達單刃峰繞射

圖2　雷達單圓頂峰繞射

(1)

(2)

式中,Re為地球半徑(m),h為障礙物海拔高度(m),d1為發(fā)射點至障礙物頂點的距離(m),d2為目標至障礙物頂點的距離(m),d為收發(fā)距離(m),h1發(fā)射點的海拔高度(m),h2為接收點的海拔高度(m)。

當電磁波為單圓頂繞射時,電磁波的繞射衰減量A(dB)為

(3)

式中,J(μ0)是以障礙物頂點為刃峰頂點的繞射損耗,計算方法同公式(1),而T(m,n)是由于障礙物曲率導致的額外衰減,計算公式如下[5]:

(4)

其中

式中,h為圓頂頂點至雷達目標連線的垂直距離(m),d1為發(fā)射點至障礙物頂點的距離(m),d2為目標至障礙物頂點的距離(m),d為收發(fā)距離(m),r為障礙物頂部等效曲率半徑(m)。

2海上風電機對雷達遮擋影響分析

風電場對雷達遮擋影響的理論計算分析主要是指利用雷達波繞射模型計算雷達的遮擋衰減值,然后從距離、方位和高度等3個方面計算分析遮擋影響的結果。雷達電磁波繞射模型主要應用于理論計算過程,目的是通過雷達電磁波繞射模型計算風電機對雷達信號的遮擋衰減值,可以為定量分析風電機的遮擋影響提供數(shù)據(jù)支撐,從而評估風電場工程建設對雷達系統(tǒng)的遮擋影響效果。

2.1距離遮擋計算

計算雷達距離上的遮擋影響時,假設雷達主波束一直對著最遠探測距離處不變,雷達對著目標的探測主要靠主瓣來實現(xiàn)。因此,遮擋影響主要分析對主瓣信號的衰減量來確定,具體衰減量允許值需要結合主瓣增益及實際情況確定。假設雷達探測目標距離為R,而風電場的風電機位于雷達與目標的連線之間,風電機的輪葉正對雷達波束方向,這時對雷達信號的遮擋影響最大。根據(jù)雷達、目標和風電機三者的距離關系及各自高度,利用式(1)可計算出風電機對雷達信號的遮擋衰減A1。考慮到雷達回波雙程傳輸,因此雷達回波信號的遮擋衰減值為2A1。由雷達方程可知,雷達探測目標距離R時的回波功率P與雷達最大探測距離Rmax時的最小可檢測功率Pmin滿足下面關系:

(5)

(6)

其中A2為探測目標回波功率大于最大探測距離上的最小可檢測功率的值,由于R≤Rmax,則A2≥0。因此,當目標在距離雷達為R的位置時,雖然風電機對雷達信號產(chǎn)生遮擋衰減,衰減值為2A1,但由于此時目標的回波信號功率也將增加,增加值為A2。當A2≥2A1時,則目標回波信號經(jīng)遮擋衰減后的功率值大于或等于最大作用距離時的最小可檢測功率,此時目標仍可被檢測出來。而當A2<2A1時,回波信號功率將小于最小可檢測功率,雷達將無法檢測到目標。通過遮擋衰減值和回波信號功率增加值的對比,可最終得出風電機在距離上對雷達的遮擋影響效果。

2.2方位遮擋計算

風電機在方位上對雷達的遮擋影響主要是在風電機后方形成一定寬度的陰影區(qū)。在該陰影區(qū)內(nèi)雷達信號同樣也會受風電機在距離上的遮擋影響,形成由方位和距離構成的雷達監(jiān)測盲區(qū)(如圖3所示),使雷達檢測能力下降,影響雷達正常工作。

圖3　單個風電機在距離和方位上的遮擋影響陰影區(qū)

假設方位上的遮擋衰減值為A,則根據(jù)公式(1)可計算出相應的μ0值。表1給出了不同衰減時的μ0計算結果。然后,根據(jù)遮擋物的曲率半徑可求出雷達波不同繞射衰減時的遮擋角度,如圖4所示。圖中給出了0dB衰減(又稱靈敏度降低弧)、3dB衰減區(qū)和12dB衰減區(qū)的范圍,并且3dB衰減區(qū)和12dB衰減區(qū)都包含在0dB衰減區(qū)內(nèi),且當μ0<0時遮擋區(qū)在遮擋物曲率半徑以外,μ0>0時遮擋區(qū)在遮擋物曲率半徑以內(nèi)。同樣,當采用3dB的雷達雙程衰減保護要求,即遮擋衰減A取值為1.5dB時則認為進入了雷達的遮擋方位陰影區(qū)。

表1　風電機對雷達信號的遮擋衰減值A及μ0值

圖4　不同衰減值下的雷達遮擋角度示意圖

當A=1.5dB時,由表1可知μ0=-0.52,則可計算出繞射傳播余隙為

(7)

當風電機曲率半徑r已知時,可以求出在繞射作用下雷達陰影區(qū)的方位角大小為

(8)

由上式可最終得出風電機在方位上對雷達的遮擋影響效果。方位遮擋計算方法主要應用于理論計算過程,目的是評估風電機對雷達探測方位的遮擋影響效果。以方位遮擋衰減A=1.5dB,作為陰影區(qū)的邊緣衰減要求,以此計算風電機對雷達遮擋后形成的陰影區(qū)角度。

2.3高度遮擋計算

高度遮擋計算目的是評估風電機對雷達探測高度的遮擋影響效果,明確雷達在受到風電機遮擋后所能探測的最低高度。當目標在不同高度時,風電機對雷達的遮擋影響也將不同,目標高度越高,遮擋衰減越小,影響也越小,反之則影響越大。因此,在分析距離上的衰減影響時,也需同時考慮高度上的影響變化。分析方法主要是先將目標高度設置在最低的海平面高度上,當目標逐漸靠近雷達和風電機時,遮擋影響會隨之出現(xiàn)并逐漸增強。根據(jù)保護要求,當遮擋衰減大于1.5dB時,雷達將無法在此高度上檢測到目標。為了減小或消除遮擋影響,可以通過增加目標高度的方法實現(xiàn)。具體計算方法與距離上的遮擋影響計算法基本相同。當目標高度增加時,通過公式(1)計算遮擋衰減值,然后與1.5dB進行比較。當兩者相等時,此時的高度是目標在某一距離上的最小探測高度。以此類推,最終得出風電機在高度上對雷達的遮擋影響效果。

2.4風電機的高度等效計算

風電機高度等效計算的目的是明確遮擋影響計算時的風電機高度參數(shù)。風電機主要由塔筒、輪轂和風輪葉片3部分組成,其中風輪葉片有3個,每個葉片包括根部、外殼和龍骨3個部分。根部為金屬材料,其他兩部分為玻璃鋼和玻璃纖維復合材料。根據(jù)國外文獻報道,風電機對雷達電磁波的散射80%來自風電機塔筒,每個葉片對電磁波的散射僅占散射量的5%,而且是出現(xiàn)在雷達位于風電機正面或背面情況下。因此,風電機對雷達的遮擋影響大部分是由于塔筒造成的。風電機除了根部是金屬材料外,其余絕大部分是玻璃纖維復合材料,因此葉片產(chǎn)生遮擋和反射的主體時根部位置?；谝陨峡紤],可將葉片的影響等效折算到塔筒上,使產(chǎn)生遮擋影響的塔筒高度增加,且增加的高度可以近似等于風葉半徑長度的一半(仿真中,風機等效高度約為120～125m)。

3仿真計算

仿真中,風電場風電機擬采用容量5MW、轉(zhuǎn)輪直徑128m的風電機組為代表機型,輪轂高度90m,尺寸是3.19m×2.3m×2.8m(L×W×H),葉片長度64m。假設有兩個不同高度的雷達地址,地址1高度440m,距離風機80km;地址2高度600m,距離風機15.5km。為簡單起見,假設站址與風電機視線上無自然山峰遮擋。根據(jù)第2節(jié)提出的遮擋影響計算方法及步驟,給出輪轂半徑r=2.3m以及μ0=-0.52,并結合相關仿真參數(shù),可以計算出海上風電場風電機在不同距離上對不同雷達所形成的距離、方位和高度遮擋影響。

圖5～圖6分別為地址1和地址2至風電機的距離遮擋計算結果。遮擋衰減值主要服從以下變化趨勢:(1)遮擋衰減值將隨距離的減小而緩慢減小,主要原因是受地球曲率的影響。遠距離時,曲率影響較大,風電機對雷達的視線阻礙較大,遮擋影響較強;而隨距離的減小,曲率影響變小,風電機對雷達視線阻礙也變小,遮擋影響減弱;(2)視距附近,遮擋衰減值隨距離的減小而緩慢增大,主要原因是此時地球曲率影響已減弱,對遮擋影響起主要作用的是目標與雷達的水平距離。當目標靠近風電機時,風電機對雷達視線的影響逐漸增大,遮擋影響也增強;(3)視距內(nèi),遮擋衰減影響急劇增大,主要原因是由于目標離風電機較近,雷達電磁波滿足單圓頂繞射模型條件。因此,在遮擋衰減值將按照單圓頂繞射模型進行計算,其衰減量急劇增加;(4)地址2距離風電機較近為10km左右,遮擋影響大,雷達電磁波滿足單圓頂繞射模型條件,其衰減量急劇增加。

圖5　風機與地址1雷達的遮擋影響距離關系

圖6　風機與地址2雷達的遮擋影響距離關系

由圖7～圖8可知,風電機離雷達較遠距離建設時,風電機對雷達遮擋的方位較小,且隨距離的增大遮擋方位角緩慢變大,而波長越短,頻率越高,遮擋角也越大。地址1雷達受風機的最大遮擋角度小于0.01°,地址2雷達受風機視線上最大遮擋角度為0.025°,最小遮擋角度為0.01°。

圖7　風機對地址1雷達的遮擋方位

圖8　風機對地址2雷達的遮擋方位

圖9～圖10為風機遮擋后最低探測高度的仿真計算結果。由計算結果可知,地址1雷達距離風電場較遠,受風電機遮擋后的最低探測高度主要由遮擋衰減值和地球曲率兩個因素決定;地址2雷達距離風電場距離較近,受風電場遮擋后的最低探測高度主要由遮擋衰減值決定。在風機距離較近時,雷達部署高度、風機高度是決定最低探測高度的主要影響因素;風機距離較遠時,隨著目標距離逐漸增大,地球曲率的影響將逐漸增大,最低探測高度將逐漸增大。不同雷達最低探測高度的不同主要由不同雷達的波長及天線高度決定。

圖9　風機對地址1雷達繞射高度的影響

圖10　風機對地址2雷達繞射高度的影響

4結束語

風電機對岸基雷達的遮擋衰減值將隨距離的減小而緩慢減小,主要原因是受地球曲率的影響。遠距離時,曲率影響較大,風電機對雷達的視線阻礙較大,遮擋影響較強;視距內(nèi),遮擋衰減影響急劇增大,主要原因是由于目標離風電機較近,雷達電磁波滿足單圓頂繞射模型條件。風電機遮擋后的最低探測高度主要由遮擋衰減值和地球曲率兩個因素決定。在風機距離較近時,雷達部署高度、風機高度是決定最低探測高度的主要影響因素。風電機對雷達遮擋的方位較小,且隨距離和頻率的增加,遮擋方位角緩慢變大。由于大型海上風電場正在建設過程中,其對岸基雷達影響的研究仍處于理論分析階段,需要在風電場建成后對其進行更深入的研究和定量分析。

參考文獻:

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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

中圖分類號:TN953.5

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)01-0006-05

作者簡介:郭徽東(1976-),男,工程師,博士,研究方向:雷達數(shù)據(jù)處理。

收稿日期:2015-11-12;修回日期:2015-12-03