近海風電場障礙下海事雷達繞射損耗估算方法

王樹武，謝　磊,曹　臻,艾學杰,薛雙飛

(武漢理工大學a.智能交通系統(tǒng)研究中心；b.國家水運安全工程技術(shù)研究中心；c.能源與動力工程學院，武漢430063)

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近海風電場障礙下海事雷達繞射損耗估算方法

王樹武a,b,c，謝磊a,b,曹臻a,b,c,艾學杰a,b,c,薛雙飛a,b,c

(武漢理工大學a.智能交通系統(tǒng)研究中心；b.國家水運安全工程技術(shù)研究中心；c.能源與動力工程學院，武漢430063)

考慮到目前近海風電場對海事雷達的影響還沒有比較完善的理論模型。根據(jù)近海風電場周邊通航安全保障的需求，提出基于矩形屏蔽繞射的風電場繞射損耗模型，該模型對風電場簡化程度較小，與實際風機結(jié)果較為接近，估算結(jié)果較為可信，通過仿真計算給出特定參數(shù)下的風電場繞射損耗分布。

近海風電場；海事雷達；繞射損耗模型；矩形屏蔽繞射模型

近年來，海上風力發(fā)電越來越受到人們的關(guān)注，海上風電場的建設(shè)也帶來了一些比較突出的問題[1]。例如，海上風電場的建設(shè)對航海安全和海探測雷達等都會產(chǎn)生重大影響[2]。風電場的建設(shè)會改變附近船舶的航海路線，并且可能永久性改變該水域原有的通航環(huán)境和條件[3]。風電場對電磁波設(shè)備的影響主要有：風機發(fā)電過程中產(chǎn)生的電磁干擾，風機建筑結(jié)構(gòu)對電磁波的散射和繞射以及風機葉片轉(zhuǎn)動對移動目標探測設(shè)備的干擾[4]。

由于風機發(fā)電過程中產(chǎn)生的電磁干擾為低頻干擾，而雷達工作在高頻段，因此這種電磁干擾對雷達的影響不大[5]。具有移動目標探測功能的雷達，其原理是在兩次或多次掃描中得到目標的位移，從而實現(xiàn)運動目標檢測與跟蹤，因此風機葉片的轉(zhuǎn)動會影響這種雷達探測風機附近目標[6-7]。對于海事雷達而言，由于船舶一般不會在離風機很近的地方航行，風機葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的影響相對于風機建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的散射和繞射要小得多[5]。因此，研究風機繞射損耗估算方法對評估海上風電場對海事雷達的影響具有十分重要的工程應(yīng)用價值。目前，一部分研究是利用雷達性能參數(shù)和雷達繞射理論對風機回波特性進行了理論分析[8]，也有研究是針對單風機繞射損耗估算模型[9]，但尚未見到適用于整個風電場繞射損耗計算的模型。為此，對近海風電場障礙下海事雷達的繞射損耗進行建模和仿真分析。首先分析近海風電場障礙物特性，對單風機障礙物進行一定簡化和理想化；再提出適合風機障礙的繞射損耗估算模型；然后在單風機的基礎(chǔ)上提出整個風電場的繞射損耗估算方法；最后通過仿真，分析風電場繞射損耗特點。

1　風機障礙物特性分析

風力發(fā)電機主要由支塔、葉片等組成。與支塔相比，葉片的尺寸相對較小，并且葉片一般為非金屬輕質(zhì)材料，其對電磁波的干擾相對較小[10]。因此，在計算風力發(fā)電機繞射損耗時，將風機支塔作為障礙物進行繞射計算。

在考慮單部風機的影響時，將風機看作孤立的障礙物。為了簡化計算，通常將障礙物的形狀理想化。一種情況是，當障礙物的厚度相對較窄時可假定為刀刃形障礙物；另一種情況是，當障礙物的厚度相對較寬時可假定為平滑的物體，并在頂部可定義出曲率半徑，這種障礙物可假定為圓形障礙物[11]。

相對而言，將風機看作刀刃形障礙物更為合適，然而理想的刀刃形障礙物寬度是無限大的[11]，單純的刀刃形障礙物繞射損耗模型不適合風電障礙物。

R-REC-P.526-13建議書中提出了單個矩形屏蔽的繞射損耗計算模型[12]。該模型中矩形屏蔽的4個方向都當作刀刃形繞射處理，并且矩形屏蔽的任意一個方向或幾個方向可以無限延伸，得到新的計算模型。針對風力發(fā)電機支塔的形狀，可以將矩形屏蔽模型中某一個方向無限延伸，得到適合風力發(fā)電機繞射損耗計算的模型。

2　風機繞射損耗建模與計算方法

2.1矩形屏蔽繞射模型

如圖1所示，以電磁波發(fā)射機T和接收機R的連線為Z軸，Z軸與矩形屏蔽所在面的交點為原點，矩形屏蔽所在平面為XOY面，建立空間直角坐標系。那么，矩形屏障4個方向刀刃的位置可以記作x1、x2、y1和y2。

圖1　矩形屏蔽繞射模型

假設(shè)電磁波傳播平行于Z軸，發(fā)射機T和接收機R兩者離屏蔽面的距離分別為d1和d2。則接收機上的場強為：

(1)

式中：ea——穿過矩形屏蔽到達接收機上的場強。

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

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：C(ν)和S(ν)——菲涅爾積分；

ν——幾何參數(shù)，與障礙物所在處第一菲涅爾半徑F1有關(guān)。

(7)

(8)

(9)

(10)

其中：λ——電磁波波長；

h——刀刃形繞射中的高程。

對于標準的矩形屏蔽模型，矩形屏蔽在平面XOY內(nèi)，并且垂直于Z軸，因此可以直接將x1、x2、y1和y2代替式(8)中的h得到矩形屏蔽4個方向上的幾何參數(shù)，從而最終求得接收機上的場強es。工程上一般要求獲得障礙物繞射衰減，單位為dB，因此，繞射衰減的最終計算式為

L=-20lges

(11)

然而，實際的風機障礙物并不完全符合標準矩形屏蔽模型。一方面，風機只是在3個方向上為有限寬度，有一個方向應(yīng)被看作無限寬度，并且風機頂端一般高出發(fā)射機和接收機連線很多，在某些情況下風機頂端也可以視為無限寬度；另一方面，在實際計算，發(fā)射機、接收機以及風機障礙物不是在直角坐標系中給出，其所在的坐標系為地球坐標系，并且發(fā)射機和接收機的連線不一定與風機障礙所在平面垂直，因此需要對標準矩形屏蔽模型進行適當修改，以使其適應(yīng)于風機障礙物的繞射衰減計算。

對于障礙物某一方向或多方向為無限寬度，可以推出ν→∞。也就是需要得到C(∞)和S(∞)的值，而菲涅爾積分有如下性質(zhì)：

(12)

(13)

(14)

針對風機障礙物的特點，可以將風機障礙作為y1方向或者y1和y2兩個方向趨于無窮的矩形屏蔽，從而可以作為矩形屏蔽的一種特殊形式計算。前者(仿真中稱為3點模型)中C(vy1)=S(νy1)=-0.5，適用于發(fā)射機和接收機連線離風機頂端距離較近的情況；后者(仿真中稱為兩點模型)中C(vy1)=S(νy1)=-0.5并且C(vy2)=S(νy2)=0.5，適用于風機頂端遠遠高于發(fā)射機和接收機的連線。將上式代入標準矩形屏蔽模型即可以用于風機障礙物繞射損耗計算。

另外，在使用式(12)計算各方向上的幾何參數(shù)時，垂直高程的高度參數(shù)需要考慮地球的曲率，其計算如下式(15)所示[13]；而對于屏蔽兩側(cè)的計算，可以認為電波在一個水平面上傳播，不需要考慮地球的曲率影響，即不需要下式中最后一項。

(10)

式中：hs——風機高度，m；

h1，h2——發(fā)射機和接收機高度，并且h1≤h2，m；

d1——發(fā)射機和接收機中高度低者離障礙物的距離，m；

d——發(fā)射機和接收機之間的距離，m；

d2=d-d1；

a——地球半徑，m；

K——等效地球半徑系數(shù)。

2.2多障礙繞射模型

當計算多個風機繞射損耗時，需要一種用于計算組合障礙物下的繞射損耗模型?？紤]到風機之間的距離一般較大，發(fā)射機和接收機距離風機的距離也較大，而風機的尺寸相對較小，這里假設(shè)電磁波繞過風機一定距離之后，不影響原電磁場的分布，也就是說，各風機的遮擋影響是獨立的，可以分開計算。當然，這是一種近似，但是，這為風電場整體繞射衰減計算提供了一個簡單易行的估算方法，為風電場的整體布局設(shè)計以及風機繞射損耗修補提供了一定的參考。

如圖2所示，發(fā)射機和接收機之間有2臺風機，使用2.1中介紹的矩形屏蔽繞射模型可以分別計算出風機A和風機B的繞射損耗LA和LB，則總的繞射損耗為兩損耗相加。

圖2　多風機繞射模型

風電場的繞射損耗估算步驟如下。

步驟1。對風電場所有風機進行位置判定，確定存在繞射影響的風機序列A1，A2，A3，…，An。

步驟2。使用2.1中的矩形屏蔽繞射模型計算風機對雷達波的繞射損耗LA1，LA2，LA3，…，LAn。

步驟3。風電場對雷達波總的繞射損耗L：

(16)

3　仿真計算

3.1典型風機參數(shù)

將上海東海大橋100 MW海上風電示范項目作為算例。

東海大橋近海風電場一期工程在東海大橋東側(cè)的上海市海域安裝34臺單機容量為3 MW的風力發(fā)電機組，總裝機容量為102 MW，每臺風力發(fā)電機的直徑均為5 m，高度為90 m，風機按照東西方向距離為500 m，南北方向距離為1 000 m排列在東海大橋以東附近海域。

以下仿真計算過程中均假設(shè)風機支塔高度為90 m，風機直徑為5 m。

3.2船-船仿真

風電場會對其附近的船舶產(chǎn)生影響，使得船載雷達產(chǎn)生繞射損耗，影響船載雷達對其附近船舶進行探測。這種影響可能使得船舶探測不到風電場背后的船舶，出現(xiàn)碰撞事故。

這種情況的特點是：發(fā)射機和接收機的高度都不會很高。假設(shè)發(fā)射機和接收機的高度都為20 m，發(fā)射機距離某部風機的距離為1 000 m，分別取電磁波波長為0.1 m和0.03 m進行計算，使用3點模型，得到接收機和風機不同距離下的繞射損耗見圖3。

圖3　面禮不同波長繞射損耗對比

針對2點模型和3點模型分別計算可以得到圖4所示結(jié)果，取波長為0.1 m。

圖4　2點模型和3點模型繞射損耗對比

3.3雷達站-船仿真

風電場同樣會對其周邊的雷達站產(chǎn)生繞射損耗，影響雷達站對周邊海域的通航監(jiān)管，使得某些船舶不能被雷達站探測到，留下安全隱患，特別是在交通繁忙的港口和碼頭。

這種情況的特點是：接收機的高度不會很高，但是發(fā)射機的高度一般比較高。這里以小洋山雷達站和東海大橋近海風電場作為仿真對象。假設(shè)發(fā)射機高度為190 m，接收機高度為20 m，發(fā)射機距離某部風機的距離為16 000 m，取電磁波波長為0.1 m和0.03 m，使用3點模型進行計算，得到接收機和風機不同距離下的繞射損耗見圖5。

針對2點模型和3點模型分別計算可以得到圖6所示結(jié)果，取波長為0.1 m。

圖6　2點模型和3點模型繞射損耗對比

3.4仿真結(jié)果分析

由圖3和圖5可見，風機對雷達的損耗隨著目標離風機距離的增大而減小。對于不同波長的電磁波，損耗是不一樣的，波長較長時，損耗相對較小。另外，當發(fā)射機離風機距離不同時，損耗變化速率是不一樣的，發(fā)射機離風機距離越遠，繞射損耗隨著目標與風機距離的增大衰減越快。

由圖4和圖6可見，發(fā)射機離風機不同距離下，以及發(fā)射機和接收機中有1或2個的高度相對風機高度低很多時，使用2點模型和3點模型計算得到的衰減相差不大。這可能是因為風機高度高出發(fā)射機和接收機的連線很多。但是，2點模型中繞射損耗隨著目標離風機距離增大單調(diào)減小，3點模型中繞射損耗出現(xiàn)震蕩衰減現(xiàn)象。

通過上述分析可知，近海風電場對海事雷達存在干擾，無論是對船載雷達還是對岸基海事監(jiān)管雷達都存在一定影響。從圖4和圖6的仿真結(jié)果可以看出，3點模型和2點模型的差值在工程允許范圍內(nèi)，在粗略估算風電場繞射損耗時，可以使用兩點模型進行計算，計算量可以減少1/3。

仿真得到風機周圍繞射損耗分布見圖7，該仿真使用了2點模型，取波長為0.1 m，發(fā)射機和接收機的高度都為20 m，設(shè)發(fā)射機的坐標為(-1 000，0)，風機的坐標為(0，0)，仿真范圍為x方向上-100～1 000 m，y方向上-500～500 m。由圖7可見，當風機障礙離發(fā)射機和接收機連線距離增大時，繞射損耗并不是隨之單調(diào)減小，而是出現(xiàn)了明顯的震蕩。

圖7　風機附近繞射損耗分布

4　結(jié)束語

發(fā)射機距離風電場越遠，繞射損耗減小速度越快，接收機距離風電場越遠，繞射損耗越小，同時雷達波長越長，繞射損耗相對較小。與已有繞射損耗計算方法相比，本方法對風機障礙簡化程度小，估算精度較高，并且可以得到整個風電場的繞射損耗分布。在風電場建設(shè)對海事雷達影響評估時，與到現(xiàn)場測試相比，本方法具有較高經(jīng)濟性的同時，可以為風電場對雷達的影響修復工作提供理論指導。

本方法的不足之處在于，風機障礙的形狀不完全符合矩形屏蔽模型要求，應(yīng)用矩形屏蔽模型計算存在誤差，下一步的研究將對本文的模型進行修正，以期得到更加準確的繞射損耗計算方法。

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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

國家自然科學基金項目(51479158)

王樹武(1992—)，男，碩士生

U675.74；X951

A

1671-7953(2016)04-0072-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.018

研究方向:近海風電場對雷達的影響機理

E-mail:wangshuwu@whut.edu.cn