CN106646397A - 一种大地背景下风电机雷达回波求解方法 - Google Patents

Abstract

一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，利用电磁波传播的能量衰减原理，确定电磁波的传播路线，来引入大地散射雷达电磁波对风电机雷达回波的影响。首先，运用电磁波传播的能量衰减原理，确定大地背景下风电机雷达回波传播线路；其次，利用镜像原理分别求解平地背景下4条线路的风电机雷达回波，再利用叠加原理求解平地背景下风电机雷达回波；最后，利用镜像原理和坐标旋转原理分别求解斜坡背景下4条线路的风电机雷达回波，并利用叠加原理求解斜坡背景下风电机雷达回波。本发明可以为雷达台站对风电机目标进行更有效的识别提供方法，进一步为后续风电机杂波特征提取及其抑制提供理论依据。

Description

一种大地背景下风电机雷达回波求解方法

技术领域

本发明一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，属于风电场与雷达系统的电磁兼容领域。

背景技术

随着风能的大力发展，日益增多的风电场对邻近的各型雷达台站的电磁干扰也越显突出，特别是叶片旋转时相对于雷达会发生实时、持续性的位置迁移，从而向外部空间散射出独特性的具有多普勒频移的雷达回波。因此，准确获取含有完整多普勒特征的风电机雷达回波是雷达侧风电机杂波滤除的有效途径。

现有获取风电机雷达回波的方法主要有四类：缩比模型实验的方法、基于射线追踪技术的高频近似算法、基于快速多极子等方法的数值计算方法，以及基于点散射模型的方法。缩比模型实验的方法求解风电机雷达回波通用性不强，故该方法主要用于实验验证。目前，现有研究主要利用基于射线追踪技术的高频近似算法、基于快速多极子等方法的数值计算方法，以及基于点散射模型的方法求解风电机雷达回波。高频近似算法和数值计算方法得到的风电机回波较为精确，但计算所需时间和资源较大；相比之下，采用基于点散射模型的算法得到的回波精度相对较差，但其优点在于建模简单，计算速度快，且仍能较完整地保留风电机回波的多普勒特征，因此，在风电机雷达回波的多普勒特征研究中，通常采用点散射模型。然而截止当前，上述研究均未提到大地的存在对风电机回波多普勒特征的影响。

实际上，在对风电机雷达散射截面(RCS，radar cross section)进行研究时，就已经发现大地对风电机RCS影响极大。根据RCS的定义，RCS值与风电机入射电场和散射电场的比值有关，而大地存在时，风电机周围的散射电场将会发生严重畸变，且随着地形的不同，其产生的畸变也存在差异，进而影响风电机RCS。显然，在风电机回波多普勒特征的研究中，无法避开大地的影响。并且，目前尚无有关考虑大地影响的风电机叶片雷达回波求解方法的相关专利。所以，需要针对性的提出一种方法，以求解大地背景下的风电机雷达回波。

发明内容

本发明所要解决的问题时针对上述现有方法的不足，利用电磁波传播的能量衰减原理，确定电磁波的传播路线，以引入大地散射雷达电磁波对风电机雷达回波的影响，从而提出了一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，可以为雷达台站对风电机目标进行更有效的识别提供方法，进一步为后续风电机杂波特征提取及其抑制提供理论依据。

本发明采取的技术方案为：

一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，包括以下步骤：

步骤一：利用电磁波传播过程中的能量衰减原理，确定电磁波的传播线路。

考虑大地的存在时，大地会对雷达电磁波进行散射，此时电磁波传播线路中存在风电机和大地两个散射体。因此，雷达接受到的携带风电机信息的电磁波的线路，即风电机雷达回波线路也存在多种。随着散射次数的增加，电磁波的能量递减，对雷达目标识别的影响也随之减小，故只考虑散射次数不大于3次的风电机雷达回波线路。

步骤二：利用镜像原理，确定某时刻下平地上风电机各散射中心所有线路回波，进而叠加得到平地背景下风电机雷达回波。

该求解方法首先将风电机叶片和塔架等效为圆柱体，再对各圆柱体沿各自轴线分割成尽可能多的薄圆片，用各个薄圆片的圆心等效为该薄圆片的散射中心，因此，风电机可以用点模型表示。然后，将风电机做镜像，此时风电机塔架及其镜像的连线、雷达到风电机旋转中心的连线以及雷达到风电机旋转中心镜像的连线，组成了一个三角形，从而可确定雷达相对于镜像风电机的位置。此时雷达发射电磁波经地面散射后传播到风电机上任一散射中心的路程，可由雷达与该散射中心对应镜像点的直线距离确定。此时，分别在所确定的回波线路下，求取风电机叶片和塔架上各个散射中心回波线路长度，进而基于点散射雷达回波公式，求取叶片和塔架上各个散射中心雷达回波。分别对各线路下风电机上所有散射中心雷达回波进行叠加，即可得到各线路下风电机雷达回波。最后将所有线路下风电机雷达回波进行叠加，即可得到平底背景下风电机雷达回波。

步骤三：利用镜像原理和坐标旋转理论，确定某时刻下斜坡上风电机各散射中心所有线路回波，进而叠加得到斜坡背景下风电机雷达回波。

该求解方法首先对风电机建立点模型。然后，将风电机做镜像，此时在风电机塔架底部建立坐标系，根据坐标运算确定雷达相对于镜像风电机的位置。此时雷达发射电磁波经地面散射后传播到风电机上任一散射中心的路程，可由雷达与该散射中心对应镜像点的直线距离确定。此时，分别在所确定的回波线路下，求取风电机叶片和塔架上各个散射中心回波线路长度，进而基于点散射雷达回波公式，求取叶片和塔架上各个散射中心雷达回波。分别对各线路下风电机上所有散射中心雷达回波进行叠加，即可得到各线路下风电机雷达回波。最后将所有线路下风电机雷达回波进行叠加，即可得到斜坡背景下风电机雷达回波。上述步骤求解大地背景下风电机雷达回波的理论基础是电磁波传播的能量衰减原理。通过该理论技术求解风电机雷达回波可以引入大地和地形风电机雷达回波的影响。由于风电机通常都位于陆地之上，大地对电磁波的散射作用将会导致风电机回波的组成变化，而地形的变化还会导致风电机回波的频率有所改变。因此，通过该理论基础求解的大地背景下风电机雷达回波，将更符合实际需求，将为后续风电机杂波抑制提出更为有效的依据。

步骤一确定风电机雷达回波线路根据的是电磁波传播的能量衰减原理。由于引入了大地的影响，雷达电磁波会在大地与风电机之间进行多重散射，使得雷达接收到的携带有风电机信息的雷达电磁波，即大地背景下风电机雷达回波也更为复杂。为求解该回波，根据雷达回波公式，需要求解回波的传播路程，而该回波中包含的子回波的传播路程均存在差异。为此，需要根据能量衰减原理，将风电机的子回波根据传播过程进行分类，确定风电机雷达回波线路，从而分线路求解风电机雷达回波，最终达到求解大地背景下风电机雷达回波的目的。

步骤二计算平地背景下各线路风电机雷达回波利用的是镜像原理。计算各线路下风电机雷达回波，则需计算风电机上散射中心的各线路长度，而确定各线路长度时又必须确定雷达发射电磁波经地面散射后传播到风电机上任一散射中心的路程。为简单求解该路程，就需要利用镜像原理，将风电机做镜像，此时雷达发射电磁波经地面散射后传播到风电机上任一散射中心的路程可由雷达与该散射中心对应镜像点的直线距离确定。该路程确定后，风电机上散射中心的各线路长度也能较易得到，进而可以求取各线路下风电机雷达回波。

步骤二计算平地背景下风电机雷达回波利用的是叠加原理。由于整体求解平地背景下的风电机雷达回波较为困难，步骤一中利用能量衰减原理将该回波进行了分类，步骤二中分线路确定了风电机雷达回波。雷达接收到的风电机雷达回波是多线路回波作用的结果，因此利用叠加原理将所求各线路下风电机雷达回波进行叠加，进而可以得到平地背景下风电机雷达回波。

步骤三计算斜坡背景下各线路风电机雷达回波利用的是镜像原理。计算该回波的基本原理与平地背景下各线路风电机雷达回波类似，同样在确定各线路长度时必须确定雷达发射电磁波经地面散射后传播到风电机上任一散射中心的路程。因此，同样可以利用镜像原理求解。

步骤三计算斜坡背景下各线路风电机雷达回波利用的是坐标旋转理论。计算斜坡背景下各线路风电机雷达回波时，当对风电机做镜像之后，雷达相对于镜像风电机的位置与斜坡的倾角有关。为了增加该算法的适用性，对风电机塔架底端为圆心建立坐标系，则可以通过含倾角参量的表达式来计算雷达相对于镜像风电机位置。计算出位置信息后，即可得到风电机上散射中心的各线路长度，最终可以确定斜坡背景下各线路风电机雷达回波。

步骤三计算斜坡背景下风电机雷达回波利用的是叠加原理。由于求解该回波方法与平地背景下风电机雷达回波一样，也是基于电磁波传播的能量衰减原理。因此利用叠加原理将所求各线路下风电机雷达回波进行叠加，即可得到斜坡背景下风电机雷达回波。

本发明一种风电机叶片雷达回波多普勒频谱求解方法，有益效果如下：

1)、通过将大地影响引入风电机雷达回波计算，更加贴合实际，因此可使雷达对风电机目标的识别更加优化，同时也为后续研究雷达对风电机杂波抑制措施提供更加可靠的依据。

2)、根据求得的大地背景下风电机雷达回波，对其进行时频分析，从多普勒闪烁宽度以及出现的时间可以为风电机叶片长度、叶片转速、叶片个数等参数的辨识提供相应的基础及方法。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

图1为风电机点模型。

图2(a)为线路(1)示意图。

图2(b)为线路(2)示意图。

图2(c)为线路(3)示意图。

图2(d)为线路(4)示意图。

图3为平地上风电机回波求解示意图。

图4为斜坡上风电机回波求解示意图。

图5为无大地时风电机回波时频图。

图6为平地背景下的风电机回波时频图。

图7为斜坡上的风电机回波时频图。

具体实施方式

一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，基于电磁波传播的衰减原理，用于雷达台站的风电场杂波识别及其抑制。包含以下步骤：

步骤一：利用电磁波传播的能量衰减原理，确定风电机雷达回波的线路。

步骤二：利用镜像原理，确定某时刻下平地上风电机各散射中心所有线路回波，进而叠加得到平地背景下风电机雷达回波。

步骤三：利用镜像原理和坐标旋转理论，确定某时刻下斜坡上风电机各散射中心所有线路回波，进而叠加得到斜坡背景下风电机雷达回波。

上述步骤求解大地背景下风电机雷达回波的理论基础是电磁波传播的能量衰减原理。

步骤一确定风电机雷达回波线路根据的是电磁波传播的能量衰减原理。

步骤二计算平地背景下各线路风电机雷达回波利用的是镜像原理。

步骤二计算平地背景下风电机雷达回波利用的是叠加原理。

步骤三计算斜坡背景下各线路风电机雷达回波利用的是镜像原理。

步骤三计算斜坡背景下各线路风电机雷达回波利用的是坐标旋转理论。

步骤三计算斜坡背景下风电机雷达回波利用的是叠加原理。

具体来讲，如附图2所示，一种风电机叶片雷达回波多普勒频谱求解方法，包括以下步骤：

步骤一：利用电磁波传播的能量衰减原理，确定风电机雷达回波的线路。

步骤二：利用镜像原理，确定某时刻下平地上风电机各散射中心所有线路回波，进而叠加得到平地背景下风电机雷达回波。

步骤三：利用镜像原理和坐标旋转理论，确定某时刻下斜坡上风电机各散射中心所有线路回波，进而叠加得到斜坡背景下风电机雷达回波。

进一步，上述步骤求解大地背景下风电机雷达回波的理论基础是电磁波传播的能量衰减原理，其推导过程会在下面详细介绍。

进一步，步骤一确定风电机雷达回波线路根据的是电磁波传播的能量衰减原理：

对于风电机任一散射中心的回波而言，由于引入大地之后，电磁波会在散射中心和地面之间进行多重散射，因此，电磁波传播线路将会发生变化，从而造成电磁波传播总路程和散射情况均存在差异。当电磁波在每次散射中均伴随有能量的损失，散射次数越多，雷达接收到的信号越弱，对雷达工作性能的影响也就越小。因此，利用电磁波传播的能量衰减原理，将这些电磁波根据散射次数进行分类，并忽略3次以上的散射影响，则可确定存在以下4种线路：

(1)：雷达——风电机——雷达；

(2)：雷达——风电机——地面——雷达；

(3)：雷达——地面——风电机——雷达；

(4)：雷达——地面——风电机——地面——雷达。

进一步，步骤二计算平地背景下各线路风电机雷达回波利用的是镜像原理：

引入风电机对大地的镜像，可得如图3所示的几何关系图。利用风电机塔架及其镜像的连线OO′、雷达到风电机旋转中心的连线OR以及雷达到风电机旋转中心镜像的连线O′R，组成的一个三角形来计算雷达相对于镜像风电机的位置参数：距离r′、俯仰角β′以及方位角α′，上述3个参量可根据雷达到风电机旋转中心O的距离r、风电机塔架高度H、雷达相对于风电机的方位角α和俯仰角β求得：

α′＝α

r′，β′，α′3个参量确定后，则可以求解平地背景下4条线路风电机任一散射中心雷达回波的线路距离，再带入散射点雷达回波公式，可以得到4种线路下该散射中心的雷达回波，再对各线路下所有散射中心雷达回波进行叠加，即可得到平地背景下4中线路的风电机雷达回波。

对于线路(1)，风电机雷达回波可以看作是不考虑大地的回波信号，因此，线路(1)的风电机雷达回波Z₁(t)：

式中：Z_b(t)为风电机叶片回波，Z_t(t)为风电机塔架回波，L为叶片长度，δ_k(t)为第k个叶片与x轴的夹角，λ为雷达电磁波波长。

对于线路(2)，任一散射中心雷达回波线路长度为雷达到该散射中心距离和雷达到该散射中心镜像距离之和，将其代入点散射回波公式，再将所有散射中心雷达回波叠加，求解得到线路(2)的风电机雷达回波Z₂(t)：

式中，δ_k′(t)为第k个叶片的镜像与连线O′R的夹角：

cosδ_k′(t)＝cosθ_k′(t)sinα′sinβ′+sinθ_k′(t)cosβ′

式中，θ_k′(t)为第k个叶片的镜像与y轴的镜像y′轴的夹角。

由于镜像风电机叶片旋转角度与风电机叶片旋转角度是互补的，故第k个叶片的镜像与y′轴所成角度为θ_k′(t)＝2π-θ_k(t)。

对于线路(3)的风电机雷达回波信号，与线路(2)相比，虽然两线路中风电机上同一散射中心的回波信号传播方向相反，但是其传播轨迹相同，因此两线路同一散射中心的雷达回波相等。故线路(3)的回波信号Z₃(t)＝Z₂(t)。

线路(4)的风电机雷达回波信号可以视为镜像风电机在自由空间中的雷达回波。需要注意的是，镜像风电机的塔架方向朝上，与z轴方向一致，因此镜像风电机叶片回波信号为Z₄(t)：

式中：Z_b″(t)为镜像风电机叶片回波，Z_t″为镜像风电机塔架回波，δ_k′(t)为镜像风电机第k个叶片与x轴的夹角。

进一步，步骤二计算平地背景下风电机雷达回波利用的是叠加原理。将求解得到的平地背景下4种线路下风电机雷达回波进行叠加，即可得到平地背景下风电机雷达回波Z_f：

Z_f(t)＝Z₁(t)+Z₂(t)+Z₃(t)+Z₄(t)。

进一步，步骤三计算斜坡背景下各线路风电机雷达回波利用的是镜像原理。由于在求解线路(2)、(3)风电机雷达回波时，仍然需要求解雷达发射电磁波经地面散射后传播到风电机上任一散射中心的路程，引入风电机镜像后，该路程等于任雷达到该散射中心距离和雷达到该散射中心镜像距离之和。

进一步，步骤三计算斜坡背景下各线路风电机雷达回波利用的是坐标旋转理论。当风电机所处平面存在一定的倾斜角γ时，雷达相对于风电机的位置不变，但相对于镜像风电机位置则发生改变，步骤二中求解雷达相对于镜像风电机的位置参数的三角形不再存在，故需重新找寻求解方法。此时，利用坐标旋转理论，对风电机塔架底部建立坐标系，利用坐标运算得雷达相对于镜像风电机的位置参数：距离r′、俯仰角β′以及方位角α′，如下

r′＝sqrt[(-rsinβcosα)²+(-rsinβsinα-Hsin2γ)²+(M+rcosβ+Hcos2γ)²]

β′＝arccos[Hsin2γ(-rsinβsinα-Hsin2γ)-Hcos2γ(H+rcosβ+Hcos2γ)]/(H·r₁)

α′＝arccos[(-rsinβcosα)/sqrt((-rsinβcosα)²+(-rsinβsinα-Hsin2γ)²]

由于斜坡背景下风电机雷达回波求解与平地情况相比，仅存在上述三个参数的差别。因此，求解出这三个参数后，带入步骤二中4条线路下风电机雷达回波求解公式，即可得到斜坡背景下4条线路的风电机雷达回波。

进一步，步骤三计算斜坡背景下风电机雷达回波利用的是叠加原理。求解出斜坡背景下4条线路的风电机雷达回波后，将结果进行叠加，即可得到斜坡背景下风电机雷达回波。

实施例：

按照上述步骤对某一风电机进行背景下风电机雷达回波求解。该风电机叶片长度26m，塔架高度55m，叶片数为3，旋转角速度20rad/min，叶片中心到雷达的距离10km，在t＝0时刻，令任一叶片位于水平朝右方向。雷达发射信号频率1GHz，脉冲重复频率1000Hz，脉冲宽度1μs。为更清晰分析存在平地、斜坡情况下的风电机回波，故取方位角α＝π/6，俯仰角β＝π/7，斜坡与水平面夹角为γ＝π/6。分别得到无大地时风电机雷达回波时频图、平地背景下风电机雷达回波时频图和斜坡背景下风电机雷达回波时频图，分别如图5、图6和图7所示。

根据图5，6次多普勒闪烁出现的时刻均为δ＝π/2的时刻。由于风电机叶片为单数，故在任意时刻最多只存在一个叶片与雷达视线垂直，且叶片垂直迎向雷达运动和垂直背离雷达运动的情况交替出现，因此，时频图中一次只出现1个多普勒闪烁，且正、负多普勒闪烁也相应交替出现。

最大多普勒频率f_max与叶尖相对于雷达视线的最大速度v_max有关，经过计算可得：

因此，叶片回波的最大多普勒频率为：

通过上式求得的最大多普勒频率与时频图中结果相符。

根据图6，平地上的风电机单叶片的回波总是3个多普勒闪烁一组的出现，与无大地时风电机回波相比，增加了2个多普勒闪烁。这是由于考虑大地时，雷达电磁波传播线路相比无大地额外增加了3种，但由于线路(2)和线路(3)的风电机回波相等，故其多普勒闪烁时刻相同，在时频图中表现为多普勒闪烁重叠，从而造成时频图中共显示3个多普勒闪烁。

线路(1)与线路(4)对应的多普勒闪烁分别在δ＝π/2和δ’＝π/2的时刻出现。由于风电机叶片与雷达电磁波夹角和方位角、俯仰角以及风电机叶片旋转角度有关，故多普勒闪烁出现的时刻也和这3个因素有关。由于α与α’相等，β与β’不等，θ与θ’不等，因此，这2个多普勒闪烁的出现时间不同。当风电机转速不变时，其回波的最大多普勒频率只与方位角有关。由于风电机与镜像风电机转速恒定相等，且α＝α’，故线路(1)、(4)对应的最大多普勒频率相等。

线路(2)和线路(3)的多普勒闪烁重叠，其能量要大于单线路的多普勒闪烁的能量，因此其颜色较线路(1)、(4)深。通常线路(2)、(3)对应的多普勒闪烁出现时，风电机叶片与雷达视线并不垂直的，其叶片相对于电磁波的运动相对减小，故其最大多普勒频率也较线路(1)、(4)小。同时，线路(2)、(3)出现多普勒闪烁时，风电机叶片旋转角度与线路(1)、(4)中风电机叶片旋转角度不同，其出现的时刻也有别于线路(1)、(4)。

根据图7，镜像风电机旋转中心O′的位置会随倾斜角γ发生变化，从而造成α′与β′的变化。当α′、β′发生变化时，线路(2)、(3)、(4)所对应多普勒闪烁的出现时刻也会随之发生变化；严重时，不同线路的多普勒闪烁将会重合。此外，由于线路(2)、(3)、(4)对应的最大多普勒频率与α′有关，因此α′变化，这些最大多普勒频率也将发生变化。

由图5、图6和图7可以发现风电机雷达回波的多普勒闪烁将会明显增加，且随着地面倾斜角的变化，线路(2)、(3)、(4)所对应的多普勒闪烁出现的时间以及频率均会改变。显然，在对风电机回波的特征进行研究时，大地的影响必须加以考虑。因此，大地背景下的风电机雷达回波求解是必要的。

Claims (9)

1.一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，其特征在于，利用电磁波传播的能量衰减原理，确定电磁波的传播路线，从而引入大地散射雷达电磁波对风电机雷达回波的影响，最后实现大地背景下风电机雷达回波的求解。

2.一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：利用电磁波传播的能量衰减原理，确定电磁波的传播线路；

步骤二：利用镜像原理，确定平地上风电机各散射中心所有传播线路的回波，进而叠加得到平地背景下风电机雷达回波；

步骤三：利用镜像原理和坐标旋转理论，确定斜坡上风电机各散射中心所有传播线路的回波，进而叠加得到斜坡背景下风电机雷达回波。

3.根据权利要求2所述的一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，其特征在于，上述步骤求解大地背景下风电机雷达回波的理论基础，是基于大地对雷达电磁波的散射造成的电磁波能量衰减原理。

4.根据权利要求2所述的一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，其特征在于，步骤一确定大地上风电机雷达回波的传播线路，根据的是电磁波传播的能量衰减原理。

5.根据权利要求2所述的一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，其特征在于，步骤二计算平地上各线路的风电机雷达回波，利用的是镜像原理。

6.根据权利要求2所述的一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，其特征在于，步骤二计算的平地背景下风电机雷达回波，是通过叠加平地上风电机各散射中心的所有线路对应回波得到的。

7.根据权利要求2所述的一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，其特征在于，步骤三计算斜坡背景下各线路的风电机雷达回波，利用的是镜像原理。

8.根据权利要求2所述的一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，其特征在于，步骤三计算斜坡背景下风电机雷达回波，利用的是坐标旋转理论。

9.根据权利要求2所述的一种大地背景下风电机雷达回波求解方法，其特征在于，步骤三计算的斜坡背景下风电机雷达回波，是通过叠加斜坡上风电机各散射中心的所有线路对应回波得到的。