CN113267750A - 一种基于智能信息调制面的风电场雷达干扰抑制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于智能信息调制面的风电场雷达干扰抑制系统，属于电磁超构表面与无线电波传播技术领域。所述系统由加载可调半导体的反射振子阵列组成；智能信息调制面采用的是多层结构，其多层结构第一层为频率选择表面、第二层为间隔层、第三层为接地层；信息调制表面是周期结构，无论入射的电磁波呈现什么样的极化方式，对信息调制表面的作用都相当于施加电压激励，能在反射调制板上引起谐振电流，此谐振电流由信息调制表面上的可调半导体来控制；当入射的电磁波形成适当极化条件时，信息调制表面能使反射波实现信号特征的改变。本发明对Salisbury Screen的反射系数能够产生显著的降低。
Description
技术领域
本发明属于电磁超构表面与无线电波传播技术领域，涉及一种基于智能信息调制面的风电场雷达干扰抑制系统。
背景技术
风轮机的规模和数量都在不断增长，叶尖速度超过225英里每小时，叶片长度超过50米长，且风力发电场包含上百个风轮机。尺寸与规模不断增大的风电场在运行过程中会对雷达系统产生严重影响，其会产生强烈的多普勒杂波和电磁阴影，干扰雷达系统工作，导致飞机和恶劣天气的误报或漏报。
雷达通过发射机将能量以电磁波形式辐射至空间，由于电磁波脉冲在空间传输过程中遇到目标会产生反射，因此可通过对电磁波的返回波或应答来发现目标的存在，并分析目标特征。一方面，风电场的风轮机对航管雷达的二次信号而言是一种强散射体，其产生的多普勒杂波与电磁阴影，会对飞机的安全飞行造成威胁；另一方面，风电场的杂波与电磁对气象观测雷达也会产生影响，造成误报。
针对上述情况，此前国内外有一些评估与方法用以解决以上问题。缓解方法主要包括两大类，RCS控制和信号处理。
在一方面，电波吸波涂料可用于减小风轮机RCS，进而减小风轮机产生的杂波。通过风轮机表面增加吸波涂层或优化表面形状，来减小雷达电磁波在风轮机表面上的反射。考虑到空气动力学的相关因素，叶片形状设计相对复杂，固定式的雷达吸波材料无法根据风轮机选择快速改变特性，性价比较低。
在另一方面，雷达信号处理理论研究方法中，国内外学者分别提出匹配追踪算法、高分辨率动态杂波图、杂波抑制器、GAPES算法、稀疏优化算法等风电场杂波抑制方法。利用雷达信号处理技术抑制风电场杂波可以提高航管监视雷达的工作性能，但是航管雷达相关脉冲数较少、相干累积时间较短，导致算法性能在实际使用中大大降低。此外，信号处理技术在抑制风电场干扰的同时，降低风电场方向的目标识别能力；额外增加雷达成本的同时，降低了系统性能。
综合上述分析，这些方法无法高效根本区分期望目标与风电场干扰。因此，本文提出了一种利用主动信号控制的超表面减小风轮机风叶雷达截面的方案。
电磁超构表面(Electromagnetic meta-surface)，又称超表面，指一种厚度小于波长的人工层状材料。根据面内的结构形式，超表面可以分为两种：一种具有横向亚波长的微细结构，一种为均匀膜层。超表面可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。通过超表面可实现负折射、负反射、极化旋转、汇聚成像、复杂波束、传播波向表面波转化等新颖物理效应。超表面丰富独特的物理特性及其对电磁波的灵活调控能力使其在隐身技术、天线技术、微波和太赫兹器件、光电子器件等诸多领域具有重要的应用前景。
对于主动超构表面的机理，其基本原理为频谱搬移。频谱搬移通过调制入射的雷达信号，使返回的信号频谱发生变化，与原入射信号频谱特性不同，从而使雷达接收和处理的目标功率降低。信号在经过调制后，通常其频谱带宽、幅度、频点等特性会有所改变。因此在实际的调制过程中，雷达频谱搬移是以实现以上一种或者几种特性发生变化，从而得到期望的频谱响应为目的。
当来波信号s(t)照射到调制板上，调制板将对入射信号以调制信号h(t)进行调制。调制板与入射信号发生相互作用，反射信号为y(t)，二者关系可表示为
y(t)＝s(t)·h(t)
其中h(t)可视为接收板的调制信号。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于智能信息调制面的风电场雷达干扰抑制系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于主动超结构表面的智能信息调制表面是由加载了可调半导体的反射振子阵列组成的。其瞬态的特质阻抗是用一组有效电阻、电容和电感来表示，并应用等效电路技术与数学公式分析其调制效果。由于信息调制表面是周期结构，无论入射的电磁波呈现什么样的极化方式，对信息调制表面的作用都相当于施加电压激励，能在反射调制板上引起谐振电流，而此谐振电流由信息调制表面上的可调半导体来控制。当形成适当极化条件时，信息调制表面能使反射波实现信号特征的改变。比如，当信息调制表面被设定为高阻抗状态时，反射波与入射波为同相位；当信息调制表面被设定为低阻抗状态时，反射与入射波反相位，这样就可以对入射波进行二相恒模调制。
智能信息调制表面采用的是多层结构，其结构第一层为频率选择表面、第二层为间隔层、第三层为接地层。传统频率选择表面(Frequency selective surface,FSS)是由大量无源谐振单元组成的周期性阵列结构，由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成，可以在单元谐振频率附近呈现全反射(贴片型)或全传输特性(孔径型)。
假设某相位调制表面，由有源阻抗层(阻抗可调)、金属背板和厚度为d的介质层组成。有源层的阻抗可以随着外界的控制信号在各种阻抗状态间转换。在理想的情况下，控制有源层会在完全透明(R＝∞)和完全反射(R＝0)两种状态间转换。当频率为fc的单位强度平面波垂直照射相位调制表面时，这两种状态下的反射信号可以被表示成cos(2πfct)和cos(2πfct)+βd,其中β为电磁波在介质层中的传播常数。当d＝λc/4时，这两种状态下的反射信号相位差为180°，因此它们合成的信号为二进制相位调制(BPSK)信号。如果有源层的阻抗状态的转换受到频率为fc、占空比为50％的周期性方波的控制，则反射波的归一化频谱表示成：
由公式(1)可以看出在入射频率fc处，反射波没有任何频谱分量，其平均反射能量0，所以在理想情况下，若想要相位调制表面就表现出理想的吸波性能，只要调制频率fs，使其大到能够将第一旁瓣移出雷达接收机的通带即可。
此外，可以将双层信息调制表面转换成传输线等效模型，该模型Zs表示反射调制板第一层FSS的等效阻抗，Zs是可调的。该电路有效阻抗为：
其中β是传播常数。
该Salisbury Screen的反射系数可写作：
其中Z0是自由空间的阻抗(377Ohm)。
使用传输线等效电路来分析相位调制表面，其原理与Salisbury屏幕类似，只是FSS的阻抗/导纳可调。假设相位调制表面为无限大的平面结构，则相位调制表面吸波材料的传输线等效电路由长度d，特性导纳Y，传播常数β的终端短路传输线与其输入端的可变导纳Y(t)组成，
其中τ是一个周期内可变导纳Y(t)处于Y1的持续时间，或者说在τ时刻Y(t)由状态Y1转变到状态Y2；T是用来控制Yt状态的信号周期。
在相调制表面的等效电路图中，FSS与PEC之间有传播常数为β的介质提供相位差，假设该介质为自由空间，β＝2π/λ。因此这两种情况下,相位调制表面的输入导纳可由公式(2)的倒数求得，表示为
其中，Y0是自由空间的导纳。此时两种情况的入射端反射系数为:
由于Yin1和Yin2可以为任意值，所以ρ1与ρ1一般为复数。调制表面在特定频率点处表现出频谱搬移性能时，在时间片段T的平均反射系数为0，即
如公式(4)所示，假设调制信号为一理想方波，(7)的平均反射系数可以表示为
结合公式(3)与公式(7)，我们可以得到
当τ＝0.5T时，
令d＝0.25λc，λ为来信号主频率对应的波长，此时βd＝0.5π，cotβd＝0，可以进一步得到
令FSS的阻抗分为
其对应的阻抗关系为
满足公式(13)关系的阻抗值对数非常多，在实际应用中，信息调制表面的有源阻抗层一般都采用由PIN二极管的控制的电调FSS。
本发明的有益效果在于：
根据以上结构设计，本发明对Salisbury Screen的反射系数能够产生显著的降低。假设FSS特征阻抗为Ls＝3.4nH,Cs＝10fF,Rs＝350Ohm,d＝50mm,那么利用公式(2)与公式(3)，可以计算出其反射系数。在0GHz-2GHz的采用该FSS的Salisbury屏幕反射系数，其在工作频点1.55GHz上的反射系数可以低至-120dB。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的雷达照明下旋转风力发电机模型；
图2为本发明的三层智能信息调制表面示意图；
图3为本发明的智能信息调制表面的等效电路；
图4为本发明的典型阻抗下的Salisbury屏幕反射率；
图5为本发明的二相调制表面的传输线的等效电路示意图；
图6为本发明的理想二相调制表面的反射相位及反射系数；
图7为本发明的雷达照明的旋转风力发电机模型；
图8为本发明的未使用智能信息调制面时风轮机一个叶尖模拟数据的频谱图；
图9为本发明的未使用智能信息调制面时风轮机三个叶尖模拟数据的频谱图；
图10为本发明的已使用智能信息调制面时风轮机一个叶尖模拟数据的频谱图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明考虑一个运用在风轮机叶片场景的智能信息调制面，使用场景如图1所示，智能信息调制面结构如图2所示。智能信息调制面结构第一层为频率选择表面、第二层为间隔层、第三层为接地层。传统频率选择表面(Frequency selective surface,FSS)是由大量无源谐振单元组成的周期性阵列结构，由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成，可以在单元谐振频率附近呈现全反射(贴片型)或全传输特性(孔径型)。
图3展示了双层信息调制表面的传输线等效模型，该模型Zs表示反射调制板第一层FSS的等效阻抗，Zs是可调的。该电路有效阻抗为：
其中β是传播常数。
当FSS特征阻抗为Ls＝3.4nH,Cs＝10fF,Rs＝350Ohm,d＝50mm，图4展示了在0GHz-2GHz的采用FSS的Salisbury屏幕反射系数，其在工作频点1.55GHz上的反射系数可以低至-120dB。
相调制表面的等效电路图如图5所示，FSS与PEC之间有传播常数为β的介质提供相位差。若该介质为自由空间，则β＝2π/λ。根据发明内容，满足公式(13)关系的阻抗值对数非常多。在实际应用中，信息调制表面的有源阻抗层采用由PIN二极管的控制的电调FSS。
因此,如图6所示，可以设计一个FSS使得其阻抗为Z1≈0欧姆时,ρ1→-1，相位为反相；Z2≈∞欧姆时,ρ1→+1，相位为同相。此时在时间T内，平均反射系数ρaverge＝0，可以搬移反射的能量到其反射信号的边带(Sideband)上。
当d≠0.25λc，即fc变化时，ρaverge与cos(βd)成正比，由于调制表面的内部存在多次反射，而只有当Z1≈0欧姆与Z2≈∞欧姆时，入射波只在调制表面的前端和金属背板上反生反射。所以如图6所示，调制表面的工作带宽要小于同厚度的Salisbury屏幕。
对于其他的Z1，Z2组合，一些前端入射波的一部分会进入到相位调制表面的内部，这将会导致多次反射的出现，并且会改变系统的频率响应特性。对于特殊的情况当Z1＝Z2＝Z0，时,相位调制表面就退化为一般的Salisbury屏幕了。
一般的单层调制表面只有一层有源阻抗层A和一个金属背板。在一些特殊应用的情况下，用另外一层有源阻抗层代替金属背板将更有效。在工作时，两层有源层的阻抗都可以变化，如果控制在一段时间内重复这个过程就可以在两个方向上实现良好的吸波性能。
对于本发明在应用场景下的效果测试，首先需将风轮机对空中监视雷达的影响进行建模。基于多普勒频移模型，图7展示了风轮机对空中监视雷达的影响。该模型由相距Rt的一台监视雷达和一台风轮机构成，涡轮的转速为Ωt，涡轮叶片长度为L。简单情况下，假设风力涡轮机叶片与雷达信号传播方向一致。
基于气象观测用C波段脉冲雷达(C-band pulsed radars)的信号处理模型，在聚束模式下工作的气象雷达对风力发电机组的照明影响可以通过接收信号的谱图来表现。接收到的基带信号被描述为带有slow-time的函数，
其中τ为slow-time，φti为第i个叶尖的初始角位置。质数为接收信号的幅值；对于装有智能信息调制面的风叶，A'＝ρ(t)A；对于常规风叶，A'是一个常数。
利用上式的时频变换可以分析旋转叶尖的多普勒历程。图8为未使用智能信息调制面时一个叶尖模拟数据的频谱图，图9为三个叶尖模拟数据的频谱图。详细的系统设置参数如表1所示。旋转叶片叶尖的多普勒历程为与雷达信号传播方向正交的监视雷达参数时幅值最大的正弦曲线，正弦波的频率等于转速。
表1公式参数
完成基于多普勒频移模型的风轮机建模后，将本发明的模型添加入仿真中。图8展示了未使用智能信息调制面时一个叶尖模拟数据的频谱图，图10展示了在同等设置下，载有智能信息调制面的叶尖模拟频率图谱。假设磁控系统是由高斯白噪声控制的，被控信号是任意的。结果显示，没有多普勒现象产生的正弦波的痕迹。此结果印证了本发明的有益效果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于智能信息调制面的风电场雷达干扰抑制系统，其特征在于：所述系统由加载可调半导体的反射振子阵列组成；
所述智能信息调制面采用的是多层结构，其多层结构第一层为频率选择表面、第二层为间隔层、第三层为接地层；
瞬态的特质阻抗用一组有效电阻、电容和电感来表示可用等效电路技术与数学公式分析其调制效果；
信息调制表面是周期结构，无论入射的电磁波呈现什么样的极化方式，对信息调制表面的作用都相当于施加电压激励，能在反射调制板上引起谐振电流，此谐振电流由信息调制表面上的可调半导体来控制；当入射的电磁波形成适当极化条件时，信息调制表面能使反射波实现信号特征的改变。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能信息调制面的风电场雷达干扰抑制系统，其特征在于：所述系统被使用在风轮机叶片情景上，通过表面单元改变返回波特征，实现返回波功率抑制与波形调制，消除风轮机叶片对雷达的干扰。
3.根据权利要求2所述的一种基于智能信息调制面的风电场雷达干扰抑制系统，其特征在于：将所述智能信息调制面用于风轮机叶片情景中，一个风轮机叶尖模拟数据的频谱图中，没有多普勒现象产生的正弦波的痕迹。
4.根据权利要求3所述的一种基于智能信息调制面的风电场雷达干扰抑制系统，其特征在于：所述智能信息调制面由有源阻抗层、金属背板和厚度为d的介质层组成；
有源层的阻抗随着外界的控制信号在各种阻抗状态间转换；
控制有源层会在完全透明(R＝∞)和完全反射(R＝0)两种状态间转换；
当频率为fc的单位强度平面波垂直照射相位调制表面时，这两种状态下的反射信号表示为cos(2πfct)和cos(2πfct)+βd,其中β为电磁波在介质层中的传播常数；当d＝λc/4时，这两种状态下的反射信号相位差为180°，合成的信号为二进制相位调制(BPSK)信号；
如果有源层的阻抗状态的转换受到频率为fc、占空比为50％的周期性方波的控制，则反射波的归一化频谱表示成：
由公式(1)看出在入射频率fc处，反射波没有任何频谱分量，其平均反射能量0，若想要相位调制表面就表现出理想的吸波性能，调制频率fs，使其大到能够将第一旁瓣移出雷达接收机的通带；
将双层信息调制表面转换成传输线等效模型，该模型Zs表示反射调制板第一层FSS的等效阻抗，Zs是可调的；电路有效阻抗为：
其中β是传播常数；
反射系数为：
其中Z0是自由空间的阻抗；
使用传输线等效电路来分析相位调制表面；
假设相位调制表面为无限大的平面结构，则相位调制表面吸波材料的传输线等效电路由长度d，特性导纳Y，传播常数β的终端短路传输线与其输入端的可变导纳Y(t)组成，
其中τ是一个周期内可变导纳Y(t)处于Y1的持续时间，在τ时刻Y(t)由状态Y1转变到状态Y2；T是用来控制Yt状态的信号周期；
在相调制表面的等效电路图中，FSS与PEC之间有传播常数为β的介质提供相位差，设该介质为自由空间，β＝2π/λ；这两种情况下，相位调制表面的输入导纳由公式(2)的倒数求得，表示为
其中，Y0是自由空间的导纳；此时两种情况的入射端反射系数为:
由于Yin1和Yin2为任意值，ρ1与ρ1为复数；调制表面在特定频率点处表现出频谱搬移性能时，在时间片段T的平均反射系数为0，即
如公式(4)所示，假设调制信号为一理想方波，(7)的平均反射系数表示为
结合公式(3)与公式(7)，得到
当τ＝0.5T时，
令d＝0.25λc，λ为来信号主频率对应的波长，βd＝0.5π，cotβd＝0，得到：
令FSS的阻抗分为
其对应的阻抗关系为：
满足公式(13)关系的阻抗值对数，信息调制表面的有源阻抗层采用由PIN二极管的控制的电调FSS。
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| CN (1) | CN113267750A (zh) |
Citations (7)
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| CN1542539A (zh) * | 2003-03-27 | 2004-11-03 | ��˹���´﹫˾ | 增强可靠使便携式摄像机失效的放映机 |
| CN101558174A (zh) * | 2005-09-23 | 2009-10-14 | Uit有限责任公司 | 通过超声冲击改进金属性能和防止及抑制劣化的方法 |
| CN201623592U (zh) * | 2009-12-16 | 2010-11-03 | 王洪有 | 对旋双风轮脉宽调制风力发电机 |
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| CN107565218A (zh) * | 2017-08-23 | 2018-01-09 | 重庆邮电大学 | 基于fss多层反射调制板的uhf雷达频谱搬移方法 |
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| CN111796244A (zh) * | 2020-06-09 | 2020-10-20 | 哈尔滨工业大学 | 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 |
-
2021
- 2021-04-16 CN CN202110413503.1A patent/CN113267750A/zh active Pending
Patent Citations (7)
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