CN108594220A - 近海风电场水域的海事雷达图像模拟系统及方法 - Google Patents

近海风电场水域的海事雷达图像模拟系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种近海风电场水域的海事雷达图像模拟系统，它的电子海图解析装置用于将输入的电子海图文件进行解析处理，得到陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息；海事雷达衰减模拟器用于对陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息进行模拟得到基础RCS地图；环境附加损耗模拟器和风机附加损耗模拟器用于对基础RCS地图环境附加损耗模拟和风机附加损耗模拟处理得到附加损耗的RCS地图，船舶RCS模拟器用于对附加损耗的RCS地图进行处理，得到海事雷达模拟RCS地图。本系统可以在风电场规划、选址时，预先对相关水域的雷达监管和通航安全情况进行评估，从而为相关工作提供数据支持。

Description

近海风电场水域的海事雷达图像模拟系统及方法
技术领域
本发明涉及海事雷达图像模拟技术领域，具体地指一种近海风电场水域的海事雷达图像模拟系统及方法。
背景技术
近年来，为了缓解经济发展与环境保护之间的矛盾，越来越多的国家开始大力发展可再生能源。风能作为潜力巨大的可再生能源之一，具有总储存量大、对环境污染小，发电量大等优点，因此得到了迅速发展。由于陆地资源有限，而海上风力更大，持续时间更长，从上世纪末期开始，海上风力发电迅速发展起来。
在海上风电场飞速发展之际，风机作为一种海上大型障碍物，其对航海安全所带来的不利影响也逐渐引起人们的重视，特别是对航海雷达的影响更是引起了人们的关注。风电场中风机的分布比较集中，其对雷达信号的阻挡，会在不同程度上影响雷达的探测性能和范围，使得雷达的阴影区变大，并导致雷达的跟踪性能和方位分辨力下降。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种近海风电场水域的海事雷达图像模拟系统及方法，该系统和方法用于模拟海事雷达在风电场水域的检测效果图，从而更加准确地评估其所受到的影响。
为实现此目的，本发明所设计的一种近海风电场水域的海事雷达图像模拟系统，它包括电子海图解析装置、海事雷达衰减模拟器、环境附加损耗模拟器、风机附加损耗模拟器、船舶RCS(Radar Cross Section，雷达散射截面积)模拟器，其中，所述电子海图解析装置用于将输入的电子海图文件进行解析处理，得到陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息；海事雷达衰减模拟器用于对陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息进行模拟得到基础RCS地图；环境附加损耗模拟器和风机附加损耗模拟器用于对基础RCS地图环境附加损耗模拟和风机附加损耗模拟处理得到附加损耗的RCS地图，船舶RCS模拟器用于对附加损耗的RCS地图进行处理，得到海事雷达模拟RCS地图。
一种上述系统的近海风电场水域的海事雷达图像模拟方法，它包括如下步骤：
步骤1：电子海图解析装置将输入的电子海图文件进行解析处理，得到陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息；
步骤2：海事雷达衰减模拟器对陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息进行模拟得到基础RCS地图；
步骤3：环境附加损耗模拟器和风机附加损耗模拟器对基础RCS地图环境附加损耗模拟和风机附加损耗模拟处理得到附加损耗的RCS地图；
步骤4：船舶RCS模拟器用于对附加损耗的RCS地图进行处理，得到海事雷达模拟RCS地图。
本发明提供的近海风电场水域的雷达模拟效果图与实际的雷达检测图像之间具有较高的相似性，能够直观、有效地模拟海事雷达在近海风电场水域受到的干扰程度及其影响范围。本系统可以在风电场规划、选址时，预先对相关水域的雷达监管和通航安全情况进行评估，从而为相关工作提供数据支持。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中格栅的示意图。
其中，1—电子海图解析装置、2—海事雷达衰减模拟器、3—环境附加损耗模拟器、4—风机附加损耗模拟器、5—船舶RCS模拟器、6—电子海图文件、7—陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息、8—基础RCS地图、9—附加损耗的RCS地图、10—海事雷达模拟RCS地图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明根据S57格式的电子海图文件和气象信息、风电场位置信息、风机布设信息、海事雷达位置及参数信息，以及不同类型的船舶信息，通过电子海图解析、海事雷达衰减模拟、环境附加损耗模拟、风机附加损耗模拟以及船舶RCS模拟，构建与电子海图对应的海事雷达模拟RCS地图；本发明的具体结构，如图1所示，它包括电子海图解析装置1、海事雷达衰减模拟器2、环境附加损耗模拟器3、风机附加损耗模拟器4、船舶RCS模拟器5，其中，所述电子海图解析装置1用于将输入的电子海图文件6(S57格式，即国际海道测量组织(IHO)水道测量数据交换标准下的电子海图)进行解析处理，得到陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息7；海事雷达衰减模拟器2用于对陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息7进行模拟得到基础RCS地图8；环境附加损耗模拟器3和风机附加损耗模拟器4用于对基础RCS地图8环境附加损耗模拟和风机附加损耗模拟处理得到附加损耗的RCS地图9，船舶RCS模拟器5用于对附加损耗的RCS地图9进行处理，得到海事雷达模拟RCS地图10。
上述技术方案中，所述电子海图解析装置1用于将输入的电子海图文件6依照高斯-克吕格投影换算方法对电子海图上的地理目标进行坐标转换处理，得到陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息7。
一种上述系统的近海风电场水域的海事雷达图像模拟方法，它包括如下步骤：
步骤1：电子海图解析装置1将输入的电子海图文件6进行解析处理，得到陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息7；
步骤2：海事雷达衰减模拟器2对陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息7进行模拟得到基础RCS地图8；
步骤3：环境附加损耗模拟器3和风机附加损耗模拟器4对基础RCS地图8环境附加损耗模拟和风机附加损耗模拟处理得到附加损耗的RCS地图9；
步骤4：船舶RCS模拟器5用于对附加损耗的RCS地图9进行处理，得到海事雷达模拟RCS地图10。
上述技术方案的步骤2中，所述海事雷达衰减模拟器2对前述得到的陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息7进行处理，以上述陆地、海面、风电场以及其他水上结构物的雷达截面积为图像亮度值，将其投影到海事雷达图像坐标系对应位置，得到基础RCS地图8，该处理包括如下步骤：
步骤2.1：选取陆地、海面的地理信息，计算其在海事雷达图像坐标系中的投影区域，以白色表示雷达反射率为1的陆地，黑色表示雷达反射率为0的海面，得到陆地和海面的雷达反射率地图；
步骤2.2：风电场中的风机主要由支塔、机舱和叶片组成，三部分对风机RCS都有贡献，将风机和水上结构物分成若干部分，假设每个部分反射的电磁波不存在相位差，然后计算各部分的反射场强矢量并进行叠加计算，从而得到风机和水上结构物RCS地图，针对上述有限元计算方法，可取风机平均雷达散射截面积(一般约为65dBm2)作为生成风机和水上结构物雷达反射率地图的基本参照；
步骤2.3：定义向海事雷达图像坐标系投影时的比例缩放因子为s，单位为米/像素，则雷达图像中每个像素点对应的面积为s2平方米，根据陆地、海面、风电场以及水上结构物的表面积，换算其在海事雷达图像坐标系的大小，同时，对其雷达散射截面积的数值进行归一化处理，以亮度的形式显示在海事雷达图像坐标系中对应的像素点上，从而生成基础RCS地图8。
上述技术方案的步骤3中，环境附加损耗模拟器3和风机附加损耗模拟器4对基础RCS地图8进行处理，得到附加损耗的RCS地图9，该处理包括如下步骤：
步骤3.1：环境附加损耗源于大气、降水以及海面多径传播对雷达的影响，环境附加损耗的数值与气象条件、雷达参数、雷达安装高度等因素有关；
其中，晴朗天气下的环境附加损耗lc：式中的p为氧气吸收因子，q为水蒸气吸收因子，W为空气中的含水量，H为相对湿度；
降雨时的环境附加损耗lR：lR＝10[c+dlg(r+0.00001)]dB/km，式中的r为降雨量，单位为mm/h，c和d为两个与雷达频率有关的待定系数，需要根据实际海域的降雨量以及雷达受到的环境附加损耗实测值，通过回归算法分析得出；
多径传播导致的环境附加损耗mp：式中的ρ为间接射线在反射点的发射系数；gdif为间接射线的归一化能量；φ为间接射线与直接射线的相位差。
步骤3.2：风机附加损耗源于风电场中的各个风机对雷达的影响，需根据风机绕射损耗模型计算风机附加损耗，针对雷达绕射特点，可以利用基于矩形屏蔽绕射模型的风机损耗计算方法，计算风机附加损耗；
步骤3.3：根据雷达角度分辨率以及距离分辨率，对基础RCS地图8进行栅格化处理，然后针对每一栅格逐一计算其环境附加损耗和风机附加损耗；为了减小处理过程中的误差，应分别计算栅格上四个角点A、B、C、D的附加损耗值，然后取平均值作为栅格的附加损耗值，图2中，θ为雷达方位分辨率，Δd为雷达距离分辨率；
步骤3.4：获取所有栅格的雷达波附加损耗值后，将其加成在基础RCS地图8上，生成附加损耗的RCS地图9。
上述技术方案的步骤4中，所述船舶RCS模拟器5对前述得到的附加损耗的RCS地图9进行处理，得到海事雷达模拟RCS地图存储器10，该处理包括如下步骤：
步骤4.1：在航道中模拟生成不同类型的水上目标，如油轮、集装箱船、散货船、航标等，根据投影比例将其真实长度、宽度投影到RCS地图，船舶RCS的计算方法多种多样，包括：基于船舶建造图纸的计算法，基于物理模型的计算法，船舶实际测量法，以及基于船舶吨位的平均RCS推算法；
步骤4.2：将上述计算所得的不同类型目标的雷达散射截面积作为特征，采用基于特征的雷达图像模拟方法，对不同目标的雷达散射截面积以及环境干扰进行建模，利用雷达方程计算目标回波的SNR(信噪比)，根据雷达接收机的灵敏度，判断该目标能否被海事雷达探测到；
步骤4.3：将能够探测到的目标加成在附加损耗的RCS地图9上，得到海事雷达模拟RCS地图存储器10。
由于风机对雷达的影响机理非常复杂，因此，本发明在充分研究风电场对海事雷达影响机理的基础上，建立风机对附近雷达的影响模型，并基于模型构建近海风电场环境下的海事雷达图像模拟系统，将会对风电场选址、布局，以及研究风电场对海事安全保障的影响，具有重要的意义。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种近海风电场水域的海事雷达图像模拟系统，其特征在于：它包括电子海图解析装置(1)、海事雷达衰减模拟器(2)、环境附加损耗模拟器(3)、风机附加损耗模拟器(4)、船舶RCS模拟器(5)，其中，所述电子海图解析装置(1)用于将输入的电子海图文件(6)进行解析处理，得到陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息(7)；海事雷达衰减模拟器(2)用于对陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息(7)进行模拟得到基础RCS地图(8)；环境附加损耗模拟器(3)和风机附加损耗模拟器(4)用于对基础RCS地图(8)环境附加损耗模拟和风机附加损耗模拟处理得到附加损耗的RCS地图(9)，船舶RCS模拟器(5)用于对附加损耗的RCS地图(9)进行处理，得到海事雷达模拟RCS地图(10)。
2.根据权利要求1所述的近海风电场水域的海事雷达图像模拟系统，其特征在于：所述电子海图解析装置(1)用于将输入的电子海图文件(6)依照高斯-克吕格投影换算方法对电子海图上的地理目标进行坐标转换处理，得到陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息(7)。
3.一种权利要求1所述系统的近海风电场水域的海事雷达图像模拟方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：电子海图解析装置(1)将输入的电子海图文件(6)进行解析处理，得到陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息(7)；
步骤2：海事雷达衰减模拟器(2)对陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息(7)进行模拟得到基础RCS地图(8)；
步骤3：环境附加损耗模拟器(3)和风机附加损耗模拟器(4)对基础RCS地图(8)环境附加损耗模拟和风机附加损耗模拟处理得到附加损耗的RCS地图(9)；
步骤4：船舶RCS模拟器(5)用于对附加损耗的RCS地图(9)进行处理，得到海事雷达模拟RCS地图(10)。
4.根据权利要求3所述的近海风电场水域的海事雷达图像模拟方法，其特征在于：所述步骤2中，所述海事雷达衰减模拟器(2)对前述得到的陆地、海面、风电场以及水上结构物的地理信息(7)进行处理，以上述陆地、海面、风电场以及其他水上结构物的雷达截面积为图像亮度值，将其投影到海事雷达图像坐标系对应位置，得到基础RCS地图(8)，该处理包括如下步骤：
步骤2.1：选取陆地、海面的地理信息，计算其在海事雷达图像坐标系中的投影区域，得到陆地和海面的雷达反射率地图；
步骤2.2：将风机和水上结构物分成若干部分，然后计算各部分的反射场强矢量并进行叠加计算，从而得到风机和水上结构物RCS地图，取风机平均雷达散射截面积作为生成风机和水上结构物雷达反射率地图的基本参照；
步骤2.3：定义向海事雷达图像坐标系投影时的比例缩放因子为s，则雷达图像中每个像素点对应的面积为s2平方米，根据陆地、海面、风电场以及水上结构物的表面积，换算其在海事雷达图像坐标系的大小，同时，对其雷达散射截面积的数值进行归一化处理，以亮度的形式显示在海事雷达图像坐标系中对应的像素点上，从而生成基础RCS地图(8)。
5.根据权利要求3所述的近海风电场水域的海事雷达图像模拟方法，其特征在于：所述步骤3中，环境附加损耗模拟器(3)和风机附加损耗模拟器(4)对基础RCS地图(8)进行处理，得到附加损耗的RCS地图(9)，该处理包括如下步骤：
步骤3.1：环境附加损耗源于大气、降水以及海面多径传播对雷达的影响，环境附加损耗的数值与气象条件、雷达参数、雷达安装高度等因素有关；
其中，晴朗天气下的环境附加损耗lc：式中的p为氧气吸收因子，q为水蒸气吸收因子，W为空气中的含水量，H为相对湿度；
降雨时的环境附加损耗lR：lR＝10[c+dlg(r+0.00001)]dB/km，式中的r为降雨量，c和d为两个与雷达频率有关的待定系数，需要根据实际海域的降雨量以及雷达受到的环境附加损耗实测值，通过回归算法分析得出；
多径传播导致的环境附加损耗mp：式中的ρ为间接射线在反射点的发射系数；gdif为间接射线的归一化能量；φ为间接射线与直接射线的相位差；
步骤3.2：利用基于矩形屏蔽绕射模型的风机损耗计算方法，计算风机附加损耗；
步骤3.3：根据雷达角度分辨率以及距离分辨率，对基础RCS地图(8)进行栅格化处理，然后针对每一栅格逐一计算其环境附加损耗和风机附加损耗；
步骤3.4：获取所有栅格的雷达波附加损耗值后，将其加成在基础RCS地图(8)上，生成附加损耗的RCS地图(9)。
6.根据权利要求3所述的近海风电场水域的海事雷达图像模拟方法，其特征在于：所述步骤4中，所述船舶RCS模拟器(5)对前述得到的附加损耗的RCS地图(9)进行处理，得到海事雷达模拟RCS地图存储器(10)，该处理包括如下步骤：
步骤4.1：在航道中模拟生成不同类型的水上目标，根据投影比例将其真实长度、宽度投影到RCS地图；
步骤4.2：将上述计算所得的不同类型目标的雷达散射截面积作为特征，采用基于特征的雷达图像模拟方法，对不同目标的雷达散射截面积以及环境干扰进行建模，利用雷达方程计算目标回波的SNR，根据雷达接收机的灵敏度，判断该目标能否被海事雷达探测到；
步骤4.3：将能够探测到的目标加成在附加损耗的RCS地图(9)上，得到海事雷达模拟RCS地图存储器(10)。
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