CN111796244B - 一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法。根据地波超视距雷达参数以及风电场的预选区域展开场景分析，筛选出需重点分析的对象；根据提供的风电机组参数建立风机电磁模型，实现单个风机电磁模型的建立；按照预建设风电场风机经纬度坐标与雷达相对位置信息，在FEKO电磁计算软件中建阵列、建场景模型，对遮挡影响进行分析；计算单个风机设备在不同状态下的RCS变化；多普勒频率的影响进行分析；推导多径效应理论公式；场景实测等效，电磁环境噪声数据，评估出风电场影响范围。本发明通过采用电磁仿真计算、理论推导以及实测场景等效等手段，给出定量地评估结果。
Description
技术领域
本发明属于风电场与雷达系统的电磁兼容领域，具体涉及一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法。
背景技术
近年来，我国风电场建设规划的数量和规模逐渐增大，尤其是沿海区域正在大力开展海上风电项目建设。海上风力资源丰富，是建设风力发电场的优选位置。然而风电场占地面积广、风机尺寸大、风叶转速高，有可能改变周围岸基雷达的海上目标环境。对于对海探测雷达而言，风电场产生的物标遮挡、绕射等对雷达而言都是非常不利的因素。目前，美国、欧盟等国家和组织已建立了关于风电场规划建设的评估机制，主要分析和解决风电场对军用设施的影响，尤其是确保雷达的预警探测能力不受影响。其技术手段主要采用电磁场仿真计算的方法，利用电磁计算模拟实际场景，得出风电场对雷达探测效能影响的定量结果。而国内对于风电场影响电磁环境和雷达性能等问题测、的研究起步较晚，技术手段不够完善，还无法为海上风电场的规划建设提供充分的理论和技术支撑。
地波超视距雷达利用高频电磁波沿地球表面绕射传播特性来实现远程超视距目标的探测，由于高频电磁波沿海面的绕射作用，传播路径沿地球表面弯曲而不是直线传播，因此探测距离可延伸到地球曲面的遮挡区。为使高频电磁波沿海面的绕射传播损耗小，雷达频率常工作在短波段的低端，同时采用垂直极化波。海上风电场建设场地一般选择距离陆地50公里以内的近海区域，考虑到地波超视距雷达特有的工作频段、覆盖海域广、相干积累时间长的特点，处在探测扇区内的风电场势必会对雷达探测性能造成影响。
发明内容
本发明提供一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法，以拟建设的海上风电项目为分析对象，通过采用电磁仿真计算、理论推导以及实测场景等效等手段，给出定量地评估结果。
本发明通过以下技术方案实现：
一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法，所述评估方法包括以下步骤：
步骤1：根据地波超视距雷达的基本性能、布站位置、波束宽度和作用区域参数以及风电场的预选区域展开场景分析，排除根本不可能受到风电场影响或影响非常小的雷达，筛选出需重点分析的对象；
步骤2：根据提供的风电机组参数建立风机电磁模型，通过网格划分、网格数量设定和网格优化实现单个风机电磁模型的建立；
步骤3：按照预建设风电场风机经纬度坐标与雷达相对位置信息，在FEKO电磁计算软件中建立风电机组阵列，同时建立地波超视距雷达场景模型，仿真风电场区域对周围电场强度的影响，并对风电机组造成的遮挡影响进行分析；
步骤4：仿真计算单个风机设备在不同状态下的RCS变化；
步骤5：针对风机叶片转动产生的多普勒频率对雷达回波的影响进行分析；
步骤6：根据风电机组阵列的分布特点，推导多径效应理论公式并进行计算；
步骤7：场景实测等效，测试相似环境下的电磁环境噪声数据，对拟建设风电场环境以及功耗进行等效计算，评估出风电场影响范围。
进一步的，所述步骤2中风电机组由塔架、轮毂、机舱和叶片组成，叶片为非金属材料，反射信号能量小，因此将塔架作为主要的建模计算对象；同时，考虑到叶片与轮毂之间存在防雷导线，因此将风机模型进行等效；风机电磁模型基于曲面建模方法，根据风机参数，利用CAD和Femap软件结合的方式实现几何模型的建立。
进一步的，所述步骤2中网格划分是指在不同结构的部位采用大小不同的网格，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式，在目标几何造型划分网格时应保证所有的平面元对实际曲面产生的拱高误差都小于波长的1/16。
进一步的，所述步骤2中网格优化指网格几何形状的合理性，质量好坏将影响计算精度，质量太差的网格甚至会中止计算，理想情况下的三角网格的各个单元是等边三角形。
进一步的，所所述步骤3中建立地波超视距雷达场景模型是根据雷达与风电场相对位置，设定工作波段、波束指向以及极化方式，计算风电场周边区域的电场强度变化情况，从而得出直接遮挡定量分析结果。
进一步的，所述步骤5中的多普勒影响是，风机叶片的转动，使雷达回波带有多普勒频移分量，利用雷达信号经过风叶转动频率调制后的调幅信号，计算调制深度，根据调制后的幅度比值，判断多普勒影响。
进一步的，所述步骤6中多径效应是利用雷达方程推导计算风机对雷达电磁波反射造成的影响，目标反射直达波与经过风电机的二次反射回波在接收天线处合成，如果经过风电机反射的回波信号幅度过大，会影响雷达对目标方位分辨，进而在雷达接收机处理后形成假目标，造成虚警影响，根据雷达、目标和风电场三者之间的距离、角度变化分析多径效应影响范围。
进一步的，所述步骤7中采用实测的分析方法，实测通过对已建成的类似的风电设备开展，针对测试环境风机不同工作状态不同频率的噪声对比，按照风电场的机组类型、数量、排列位置以及区域风力等级因素进行等效计算即可换算出待评估风电场的辐射特性。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用的是基于积分方程的MoM电磁计算方法，计算结果更精确；对实际雷达系统而言更容易获得，可替代实际雷达测试或微波暗室缩比试验，能够节约成本。
2、本发明从遮挡、辐射、散射三个方面进行分析，相比以往的分析方法更全面，评估结果更准确。
3、本发明对于实测场景分析更具体，并且对参数进行合理等效计算，对实际工程应用更具参考价值。
附图说明
图1是本发明海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法处理框图。
图2是本发明地波超视距雷达与风电场位置示意图。
图3是本发明风机等效电磁仿真模型图。
图4是本发明风电场周围电场强度计算结果图。
图5是本发明风电场三个方位角度电场强度曲线图。
图6是本发明单个风机三种频率RCS值图。
图7是本发明噪声测试原理图。
图8是本发明不同状态下无线电噪声测量数据对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为了方便说明，建立如下场景：
风电场由25个风机组成正方形阵列，风机之间间距为500m，且每个风机容量6MW，总装机容量150MW，风机参数如表1所示：
表1.风机参数
地波超视距雷达与风电场位置关系如图2所示，雷达工作频率选定4MHz，7MHz，12MHz三个频点。
步骤1：根据地波超视距雷达的基本性能、布站位置、波束宽度和作用区域参数以及风电场的预选区域展开场景分析，排除根本不可能受到风电场影响或影响非常小的雷达，筛选出需重点分析的对象；
步骤2：根据提供的风电机组参数建立风机电磁模型，通过网格划分、网格数量设定和网格优化实现单个风机电磁模型的建立；
风电机组由塔架、轮毂、机舱、叶片组成，叶片为非金属材料，反射信号能量小，因此将塔架作为主要的建模计算对象；如图3所示；同时，考虑到叶片与轮毂之间存在防雷导线，因此将风机模型进行等效；风机电磁模型基于曲面建模方法，根据风机参数，利用CAD和Femap软件结合的方式实现几何模型的建立。
网格划分是指在不同结构的部位采用大小不同的网格，为了适应表面电流分布特点，在表面电流变化剧烈的部位，为了较好地反映变化规律，需要采用比较密集的网格，而在变化较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格，这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式，虽然几何造型生成的目标体表面网格点是表面“精确点”，但由于网格离散点计算法矢时是以三个网点构成的小平面面元近似作为体表面的，因此网格的大小将会影响法矢的计算结果，根据雷达散射截面RCS计算与面元大小的影响分析，统称以小面元代替原始曲面所造成拱高误差应小于雷达波长的1/16，因此在目标几何造型划分网格时应保证所有的平面元对实际曲面产生的拱高误差都小于波长的1/16。
网格数量设定多少直接影响计算结果的精度和计算规模的大小，一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因素综合考虑。
网格优化指网格几何形状的合理性，质量好坏将影响计算精度，质量太差的网格甚至会中止计算，理想情况下的三角网格为等边三角形，这样三角形单元的最小内角便成为衡量网格质量的一个重要标准，最小内角越大(三角形内角和固定180，要求最小内角越大，那么三角形应该越接近等边三角形，当三个角的最小内角为60度时，就是等边三角形了，此时，最小内角不可能更大了)，网格质量就越好。
步骤3：按照预建设风电场风机经纬度坐标与雷达相对位置信息，在FEKO电磁计算软件中建立风电机组阵列，同时建立地波超视距雷达场景模型，仿真风电场区域对周围电场强度的影响，并对风电机组造成的遮挡影响进行分析；
建立地波超视距雷达场景模型是根据雷达与风电场相对位置，设定工作波段、波束指向以及极化方式，计算风电场周边区域的电场强度变化情况，从而得出直接遮挡定量分析结果。
分析电磁波经过风电场后周边区域电场强度，如图4所示。选取其中三个方位的截面，计算结果如图5所示。在距离风电场中心2.5Km外，电场波动幅度在0.1V/m以内，遮挡信噪比最大下降0.83dB；在距离风电场中心3.5Km外，电场波动幅度在0.05V/m以内，遮挡信噪比最大下降0.42dB。并且，在2.5Km以外，变化幅度下降明显，趋于平坦。
步骤4：仿真计算单个风机设备在不同状态下的RCS变化；
平面波垂直极化，迎扇叶方向入射，接收方向为背离扇叶方向，分别计算了风机等效模型扇叶旋转0°到120°的RCS值，在频率为4MHz、7MHz、12MHz时，RCS计算结果如图6所示。单个风机RCS的最大值在最高频率12MHz时达到，并且峰值为45.25dBm2。
步骤5：针对风机叶片转动产生的多普勒频率对雷达回波的影响进行分析；
多普勒影响是，风机叶片的转动，使雷达回波带有多普勒频移分量，利用雷达信号经过风叶转动频率调制后的调幅信号，计算调制深度，根据调制后的幅度比值，判断多普勒影响。
根据风机参数最大15转/分钟，那么风机的最大旋转频率为0.75Hz，即在4MHz、7MHz和12MHz，多普勒频移为0.75Hz，相当于在雷达屏幕上产生径向运动速度分别为28.1m/s，12.5m/s，7.5m/s的假目标；当风机转速低于15转/分时，仍会产生径向速度不同的假目标。
假设经过风车转动调制后的雷达信号为
U(t)＝Vc(1+m cosωft)cosωct (1)
其中，ωf＝3π/2为调制信号角频率，Vc为载波信号幅度，为调制系数，Vf调制信号幅度，ωc为载波信号角频率。选择二者幅度差最大的频点作为参考，即4MHz频率处。以图6中计算的单个风机RCS的平均值作为载波幅度42.55dBm2，与平均值幅度相差最大点41.535dBm2的差值作为调制信号幅度。
那么调制信号表示为：
计算得到Umax＝21750，Umin＝14250，调制深度为20.8％。
从信号频谱作进一步分析，调制信号的频谱为：
因此在频率为ωc处幅度为18000π，在频率为ωc±ωf处幅度为1875π，它们的比值为-9.8dB。由于风机转动频率在0～0.75Hz之间，两频率处的比值最大为-9.8dB，因此风机转动会在风电场区域内形成假目标，对地波超视距雷达在该区域的探测存在影响。
步骤6：根据风电机组阵列的分布特点，推导多径效应理论公式并进行计算；
多径效应是利用雷达方程推导计算风机对雷达电磁波反射造成的影响，目标反射直达波与经过风电机的二次反射回波在接收天线处合成，如果经过风电机反射的回波信号幅度过大，会影响雷达对目标方位分辨，进而在雷达接收机处理后形成假目标，造成虚警影响，根据雷达、目标和风电场三者之间的距离、角度变化分析多径效应影响范围。
利用图6中单个风机的RCS最大值作为参考值45.25dBm2，令目标与雷达的距离为r1，风电场与雷达的距离为r2，目标与风电场的距离为r3。目标散射的功率为Pt，该散射信号一路直接到达接收天线，功率密度为：
另外一路散射信号到达风电场，其功率密度为：
该路信号经过风电场到达接收天线，功率密度表达式为：
公式(6)中，N是风机的数量，则目标散射信号经风电场到达接收天线与直接到达接收天线的比值为：
该比值即为风电机组造成的影响，因此，散射信号到达雷达时的功率密度影响可通过上式计算得到。
设定目标距离风电场5Km时，在雷达距离和角度一个分辨单元内，最多包含风机数为25台，根据公式(7)计算得到直达波与目标散射信号经过风电场后到达接收天线相比约为25.74dB。如果设定雷达检测门限为20dB，此时，多径散射信号不会形成虚假目标，对雷达系统影响较小。(主要看当时雷达检测门限的设置，当直达波与多径效应回波的比值大于检测门限时，此时目标直达波信号能够检测到，而多径回波检测不到，因此不会产生虚假目标)。
步骤7：场景实测等效，测试相似环境下的电磁环境噪声数据，对拟建设风电场环境以及功耗进行等效计算，评估出风电场影响范围。
由于风电机的内部构造复杂，产生电磁辐射的源头难以明确，因此无法通过理论计算进行分析，只能采用实测分析方法。此外，由于评估阶段风电场的建设并没有开展，因此实测只能通过对已建成的类似的风电设备开展。因为风电机的结构、尺寸和工作原理是大致相同的，因此辐射影响的实测分析具有通用性。在获得类似场景的实测结果后，针对风电场的机组类型、数量、排列位置以及区域风力等级相关因素进行等效计算即可换算出待评估风电场的辐射特性。
测试方法：采用宽带有源环天线作为测试天线，手持式频谱仪作为测试接收机，测试原理如图7所示。测试环境为某已建成近海风电场，风电场离岸距离约10Km，沿海岸线方向约为13.4Km，项目总装机容量202MW，共架设风电单元55台。分别选择风电机组处于停机和旋转工作状态进行噪声数据测量，测试结果如图8所示。
等效计算：根据实测结果我们取4～5MHz时噪声平均抬高值13.1dB作为风电机组开机与停机相比增加的噪声功率。实际测量的总装机容量为202MW，而计划建设总装机容量为150MW，因此功率减少1.29dB；实验数据中的风电机组为55台，计划建设的风电机组为25台，实际测量时风电机组工作状态下的风速为5.2m/s，功率为0.5MW，计划建设的风机额定功率为4MW，考虑到建设海域风力等级不同，需要换算到最大功率计算，因此经过计算得到需要补偿5.61dB；因此折合到计划建设的风电机组，风电机组在额定功率状态下工作噪声平均抬高约17.42dB。利用自由空间电磁波功率衰减公式
计算，其中f为雷达工作频率，r为衰减半径，GT为发射天线放大增益，GR为接收天线放大增益，经过计算其衰减半径约为7.43km，即在以风电场中心为圆心，7.43Km为半径的圆形区域以外，电磁噪声影响可忽略不计。
Claims (9)
1.一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法，其特征在于，所述评估方法包括以下步骤：
步骤1：根据地波超视距雷达的基本性能、布站位置、波束宽度和作用区域参数以及风电场的预选区域展开场景分析，排除根本不可能受到风电场影响或影响非常小的雷达，筛选出需重点分析的对象；
步骤2：根据提供的风电机组参数建立风机电磁模型，通过网格划分、网格数量设定和网格优化实现单个风机电磁模型的建立；
步骤3：按照预建设风电场风机经纬度坐标与雷达相对位置信息，在FEKO电磁计算软件中建立风电机组阵列，同时建立地波超视距雷达场景模型，仿真风电场区域对周围电场强度的影响，并对风电机组造成的遮挡影响进行分析；
步骤4：仿真计算单个风机设备在不同状态下的RCS变化；
步骤5：针对风机叶片转动产生的多普勒频率对雷达回波的影响进行分析；
步骤6：根据风电机组阵列的分布特点，推导多径效应理论公式并进行计算；
步骤7：场景实测等效，测试相似环境下的电磁环境噪声数据，对拟建设风电场环境以及功耗进行等效计算，评估出风电场影响范围。
2.根据权利要求1所述一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法，其特征在于，所述步骤2中风电机组由塔架、轮毂、机舱和叶片组成，叶片为非金属材料，反射信号能量小，因此将塔架作为主要的建模计算对象；同时，考虑到叶片与轮毂之间存在防雷导线，因此将风机模型进行等效；风机电磁模型基于曲面建模方法，根据风机参数，利用CAD和Femap软件结合的方式实现几何模型的建立。
3.根据权利要求1所述一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法，其特征在于，所述步骤2中网格划分是指在不同结构的部位采用大小不同的网格，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式，在目标几何造型划分网格时应保证所有的平面元对实际曲面产生的拱高误差都小于波长的1/16。
4.根据权利要求1所述一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法，其特征在于，所述步骤2中网格优化指网格几何形状的合理性，质量好坏将影响计算精度，质量太差的网格甚至会中止计算。
5.根据权利要求4所述一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法，其特征在于，三角网格的各个单元是等边三角形。
6.根据权利要求1所述一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法，其特征在于，所述步骤3中建立地波超视距雷达场景模型是根据雷达与风电场相对位置，设定工作波段、波束指向以及极化方式，计算风电场周边区域的电场强度变化情况，从而得出直接遮挡定量分析结果。
7.根据权利要求1所述一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法，其特征在于，所述步骤5中的多普勒影响是，风机叶片的转动，使雷达回波带有多普勒频移分量，利用雷达信号经过风叶转动频率调制后的调幅信号，计算调制深度，根据调制后的幅度比值，判断多普勒影响。
8.根据权利要求1所述一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法，其特征在于，所述步骤6中多径效应是利用雷达方程推导计算风机对雷达电磁波反射造成的影响，目标反射直达波与经过风电机的二次反射回波在接收天线处合成，如果经过风电机反射的回波信号幅度过大，会影响雷达对目标方位分辨，进而在雷达接收机处理后形成假目标，造成虚警影响，根据雷达、目标和风电场三者之间的距离、角度变化分析多径效应影响范围。
9.根据权利要求1所述一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法，其特征在于，所述步骤7中采用实测的分析方法，实测通过对已建成的类似的风电设备开展，针对测试环境风机不同工作状态不同频率的噪声对比，按照风电场的机组类型、数量、排列位置以及区域风力等级因素进行等效计算即可换算出待评估风电场的辐射特性。
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