DE102013004463B4

DE102013004463B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion von Flugobjekten im Umkreis von Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE102013004463B4
Application number: DE102013004463.4A
Authority: DE
Inventors: Heiner Kuschel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2015-04-16
Anticipated expiration: 2033-03-15
Also published as: DE102013004463A1

Abstract

Vorrichtung zur Detektion von Flugobjekten in einem Gebiet, in dem Windkraftanlagen betrieben werden, mit
– mindestens einem aktiven oder passiven Radarsensor (2) zur Überwachung des Gebietes, und
– einer Auswerteeinheit, mit der von dem Radarsensor (2) erfasste Signale zur Detektion der Flugobjekte (3) auswertbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass sie Signalanteile sich bewegender Rotorblätter bei der Signalauswertung erkennt und für jede Entfernungszelle, in der sich bewegende Rotorblätter bei der Signalauswertung erkannt werden, die Auswertung der Signale für die Erfassung der Flugobjekte (3) nur in Zeitfenstern durchführt, die keine Signalanteile sich bewegender Rotorblätter enthalten oder erwarten lassen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Detektion von Flugobjekten in einem Gebiet, in dem Windkraftanlagen betrieben werden, wobei mindestens ein Radarsensor zur Überwachung des Gebietes eingesetzt wird, dessen Signale zur Erfassung von sich bewegenden Objekten ausgewertet werden. Die Vorrichtung und das Verfahren eignen sich bspw. zur Luftraumüberwachung oder für die Aktivierung einer Warnbefeuerung eines Objektes, insbesondere auf einer Windkraftanlage, bei Annähern eines Flugobjektes.
Eine Windkraftanlage ist in der Regel mit einer Kollisionswarnbefeuerung ausgerüstet, mit der Luftfahrzeuge, die sich in kollisionsgefährdeter Höhe der Windkraftanlage nähern, auf dieselbe aufmerksam gemacht werden. Derzeit sind die üblicherweise auf der Gondel einer Windkraft- bzw. Windenergieanlage angeordneten Leuchtfeuer zumindest bei Dunkelheit im Dauerbetrieb blinkend aktiv. Insbesondere in der Nähe ausgedehnter Windkraftanlagen verursacht diese Vielzahl von blinkenden Leuchtfeuern eine optische Belästigung am Nachthimmel, die von der Bevölkerung nicht toleriert wird. Es ist daher geplant, die Kollisionswarnbefeuerung auf Windkraftanlagen nur bei Bedarf, d. h. im Falle der Annäherung eines Luftfahrzeugs in kollisionsgefährdeter Höhe, zu aktivieren. Dies erfordert die Detektion von sich annähernden Flugobjekten mit hoher Zuverlässigkeit. Insbesondere müssen Luftfahrzeuge auch von anderen sich bewegenden Objekten unterschieden werden, insbesondere von den sich drehenden Rotorblättern der Windkraftanlagen.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind aktive Radarsysteme bekannt, die z. B. im L-Band arbeiten und bei Annäherung eines Flugzeugs die Kollisionswarnbefeuerung der Windkraftanlagen auslösen. Ein derartiges Radarsystem wird bspw. in der US 7,136,011 B2 beschrieben. Allerdings können sich bei einem derartigen Radarsystem Probleme daraus ergeben, dass das L-Band in vielen Gebieten bereits für andere Radardienste belegt und somit eine exklusive Frequenzzuweisung nicht möglich ist. Aktive L-Band-Radarsysteme stellen zudem eine Strahlungsquelle dar und können andere Dienste stören. Die Notwendigkeit eines aktiven Strahlers (Radarquelle) bedeutet zudem einen zusätzlichen Aufwand, der technisch und wirtschaftlich unerwünscht ist. Eine Störung durch die sich drehenden Rotorblätter wird bei diesem System dadurch vermieden, dass die Radarstrahlung lediglich vom Rand des Windenergieparks nach außen abgegeben wird. Damit lässt sich jedoch der Luftraum nur außerhalb des Windenergieparks überwachen.
Weiterhin ist ein Ansatz zur Detektion von sich an Windkraftanlagen annähernden Flugobjekten bekannt, bei dem passive Radarsensoren für die Detektion eingesetzt werden. Passiv-Radarsysteme benötigen für den Betrieb keine eigene Strahlungsquelle für elektromagnetische Wellen, sondern nutzen die Emissionen von (insbesondere flächendeckend vorhandenen) Rundfunk- bzw. Fernseh- und/oder Kommunikationssendern für die Radarerfassung von bewegten Objekten, ohne eigene Signale abstrahlen zu müssen. Bevorzugt geeignet für die Verwendung in Passiv-Radarsystemen sind Sendersignale, die digital kodierte Modulationen verwenden, wie z. B. die Signale des digitalen Hörfunks DAB, des terrestrischen Digitalfernsehens DVB-T und/oder des Mobilfunks (GMS, UMTS), da mit diesen Signalen infolge der Ausstrahlung digitaler Signalsequenzen, auch Symbole genannt, bereits ein vorbekanntes Referenzmuster verbunden ist, das analogen Rundfunksignalen fehlt. Dieses Referenzmuster ermöglicht durch Vergleich des empfangenen Beleuchtungssignals mit dem bekannten Sendesignal prinzipbedingt die Kompensation der Übertragungsfunktion des Ausbreitungskanals und damit die – zumindest theoretisch – ideale Rekonstruktion des Sendesignals. Damit lassen sich mittels eines Korrelationsverfahrens Laufzeitdifferenzen von Dopplerverschobenen Echos bezogen auf das direkt vom Sender empfangene Signal messen bzw. berechnen. Ein Beispiel für die Nutzung eines Passiv-Radarsystems und der für die Erfassung von Flugobjekten durchgeführten Signal-Auswertung kann der Veröffentlichung von C. R. Berger et al., „Signal Processing for Passive Radar Using OFDM Waveforms”, IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, Vol. 4, No. 1, Feb. 2010, Seiten 226 bis 238 entnommen werden.
Allerdings tritt bei passiven Radar-Systemen im Umkreis von Windkraftanlagen verstärkt das Problem auf, dass auch die Rotorblätter der Windkraftanlagen als sich bewegende Objekte detektiert werden. Der Einfluss der sich bewegenden Rotorblätter von Windkraftanlagen auf den Betrieb eines passiven Radarsystems wird bspw. in der Veröffentlichung von H. Kuschel et al., „Effects of windpower plants an passive radar Operation”, Radar Conference – Surveillance for a Safer World, 12–16 Oct. 2009, Seiten 1 bis 5 beschrieben. In dieser Veröffentlichung wird die Empfehlung gegeben, die Rotorblätter von Windkraftanlagen in einem überwachten Gebiet zu identifizieren und nicht als Ziele durch den Tracker verfolgen zu lassen. Eine Möglichkeit besteht darin, Signale aus Entfernungszellen des zu überwachenden Gebietes, in denen Windkraftanlagen stehen oder identifiziert werden, von der Überwachung auszunehmen. Damit lässt sich dann allerdings der Luftraum direkt über den Windkraftanlagen nicht überwachen.
Diese Problematik tritt nicht nur in Zusammenhang mit der Aktivierung der Warnbefeuerung auf Objekten sondern grundsätzlich bei der Überwachung des Luftraums eines Gebietes auf, in dem Windkraftanlagen betrieben werden.
Die WO 2009/144435 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem Entfernungszellen mit sich bewegenden Rotorblättern erkannt und die Signale aus diesen Entfernungszellen bei der weiteren Signalverarbeitung mit einem Filter beaufschlagt werden, um dadurch die Radarechos der Rotorblätter zu unterdrücken. Die Anwendung eines derartigen Filters führt jedoch dazu, dass damit auch die Signale mancher Flugobjekte unterdrückt werden und somit nicht alle Flugobjekte in dieser Entfernungszelle detektiert werden können.
Die US 2009/0034259 A1 zeigt ein Verfahren, bei dem Entfernungszellen erkannt werden, die Windturbinen enthalten. Die entsprechenden Entfernungszellen werden dann bei der Signalauswertung nicht berücksichtigt. Eine derartige Vorgehensweise hat jedoch den Nachteil, dass Flugobjekte über derartigen Entfernungszellen nicht detektiert werden können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Flugobjekten in einem derartigen Gebiet anzugeben, mit denen der Luftraum auch über den Windkraftanlagen mit hoher Zuverlässigkeit auf Luftfahrzeuge hin überwacht werden kann.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Detektion von Flugobjekten umfasst mindestens einen Radarsensor, vorzugsweise einen passiven Radarsensor, zur Überwachung eines Gebietes sowie eine Auswerteeinheit, mit der von dem Radarsensor erfasste Signale zur Detektion der Flugobjekte auswertbar sind. Die Auswerteeinheit ist dabei so ausgebildet, dass sie Signalanteile sich bewegender Rotorblätter bei der Signalauswertung erkennt und die Auswertung der Signale für die Erfassung der Flugobjekte nur in Zeitfenstern durchführt, die keinen Signalanteil eines sich bewegenden Rotorblattes enthalten. Die Auswerteeinheit arbeitet dabei nach dem vorgeschlagenen Verfahren, das die vom Radarsensor gelieferten Signale zur Erfassung von sich bewegenden Objekten im überwachten Gebiet auswertet. Bei dem Verfahren werden sich bewegende Rotorblätter der Windkraftanlagen anhand charakteristischer Merkmale bei der Auswertung der Signale erkannt und daraus Zeitfenster bestimmt, die keinen Signalanteil eines sich bewegenden Rotorblattes enthalten oder erwarten lassen. Eine weitere Auswertung der Signale zur Detektion der Flugobjekte erfolgt dann nur in diesen Zeitfenstern. Sich bewegende Rotorblätter bzw. deren Signalanteile werden dabei vorzugsweise anhand ihrer charakteristischen Doppler-verschobenen Echos und/oder der zeitlichen Periodizität ihrer Doppler-verschobenen Echos in den Signalen des Radarsensors erkannt. Für jede Entfernungszelle, in der sich bewegende Rotorblätter bei der Signalauswertung erkannt werden, wird dann die weitere Auswertung der Signale zur Detektion der Flugobjekte nur in den Zeitfenstern durchgeführt, die keinen Signalanteil eines sich bewegenden Rotorblattes enthalten oder erwarten lassen. In den anderen Entfernungszellen ist die Auswertung der Signale selbstverständlich nicht auf derartige Zeitfenster beschränkt. Für jede Entfernungszelle, in der ein sich bewegendes Rotorblatt erkannt wird, erfolgt dabei eine getrennte Bestimmung der entsprechenden Zeitfenster für die weitere Auswertung der Signale. Aufgrund der Periodizität und der damit verbundenen, sich wiederholenden zeitlichen Abstände zwischen den durch drehende Rotorblätter verursachten Signalen können die Zeitfenster für die weitere Auswertung jeweils für einen zukünftigen Zeitraum bestimmt werden. Eine eventuelle Änderung der Verhältnisse, bspw. durch Änderung des Anstellwinkels der Rotorblätter oder Änderung der Windgeschwindigkeit, wird durch wiederholte, vorzugsweise kontinuierliche, Erkennung der sich drehenden Rotorblätter und entsprechende Anpassung der Zeitfenster in den einzelnen Entfernungszellen berücksichtigt. Die Signalauswertung zur Erkennung der sich drehenden Rotorblätter sowie zur Bestimmung der Zeitfenster erfolgt dabei parallel zur weiteren Auswertung der Signale des Radarsensors während des Betriebes der Vorrichtung.
Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich auch mit aktiven Radarsensoren einsetzen, wobei dann allerdings die eingangs beschriebenen Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Bevorzugt nutzen die Vorrichtung und das Verfahren jedoch passive Radarsensoren, wie dies im Folgenden noch näher beschrieben wird.
Grundsätzlich wird bei der Nutzung eines passiven Radarsystems über die Messung der Laufzeitdifferenzen zwischen dem direkt von einem bekannten Sender, bspw. einem digital modulierten Rundfunk-, Fernseh- und/oder Kommunikations-Sender, empfangenen Signal und dem an einem Objekt reflektierten Echosignal ein Laufzeit-Ellipsoid aufgespannt, dessen Foki vom Sender einerseits und dem betrachteten Empfänger, d. h. dem passiven Radarsensor, andererseits gebildet werden. Bei Einbeziehung mehrerer Sender und/oder mehrerer vernetzter Empfänger kann durch Bildung der Schnittbereiche von mindestens drei Ellipsoiden eine Ortung des Objektes erreicht werden. Da bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung in der bevorzugten Anwendung nur Objekte mit relativ niedrigen Höhen relevant sind, kann das Problem in erster Näherung als ein Ebenes betrachtet werden, so dass für die erste Näherung lediglich Ellipsen anstelle von Ellipsoiden zum Schnitt kommen (Mehrfachellipsenschnittverfahren). Dies stellt eine rechentechnische Vereinfachung dar. Aus den Dopplerverschiebungen der von den georteten Objekten stammenden Echos kann dann die Geschwindigkeit dieser Objekte in bekannter Weise ermittelt werden. Einzelheiten hierzu sind dem Fachmann bekannt und können bspw. aus der eingangs genannten Veröffentlichung von C. R. Berger et al. entnommen werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung sowie des Verfahrens werden wenigstens drei passive Radarsensoren, im Folgenden auch als Radar-Einzelsensoren bezeichnet, an unterschiedlichen Standorten angeordnet, die mit einer zentralen Auswerteeinheit in Kommunikationsverbindung stehen. Die Radarsensoren werden dabei bezüglich des Senders oder der Sender so angeordnet, dass für alle potentiellen Objektorte im überwachten Gebiet eine Dopplermessung möglich ist. Über die zentrale Auswerteeinheit sind die genutzten Radar-Einzelsensoren zu einem Gesamtsystem vernetzt.
Innerhalb jedes Radar-Einzelsensors erfolgt vorzugsweise eine Vorverarbeitung der empfangenen Signale zur Ermittlung des Referenzsignals für die Korrelation, eine Laufzeitdifferenzmessung durch Korrelation, eine Dopplermessung sowie vorzugsweise einer Elevationsmessung. Diese daraus erhaltenen Daten werden vorzugsweise in einem standardisierten Datenprotokoll (z. B. TCP/IP) zur zentralen Auswerteeinheit übertragen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die passiven Radarsensoren als 2-kanalige Sensoren ausgebildet, die von je einer von zwei Antennen gespeist werden. Diese beiden Antennen sind vorzugsweise vertikal gestaffelt (zur Reduzierung des vertikalen Öffnungswinkels) und breitbandig ausgebildet (zur Erhöhung der Flexibilität für die Empfangbarkeit von Sende- bzw. Echosignalen). Der Abstand der Antennen wird bevorzugterweise in der Größenordnung der Wellenlänge der Signale des oder der genutzten Sender gewählt und ist somit den örtlichen Verhältnissen anzupassen.
Durch diese 2-kanalige Ausbildung der Radarsensoren kann eine interferometrische Höhenmessung durchgeführt werden. Dabei wird die Phasendifferenz der einfallenden Echosignale aus dem Laufzeitunterschied, bezogen auf die Phase des einfallenden Direktsignals des Senders gemessen. Dadurch werden die Einflüsse von Mastschwankungen des Senders vermieden. Aus der gemessenen Phasendifferenz und dem Antennenabstand kann der Elevationswinkel des erfassten Ziels von der Position des Radarsensors aus berechnet werden.
Die zusätzliche Messung der Elevation bzw. der Höhe detektierter Flugobjekte ermöglicht eine zuverlässige Klassifikation zur Unterscheidung der detektierten Objekte. Die Klassifizierung erfolgt dabei in erster Linie aufgrund der Objektgeschwindigkeit, die aus der Echo-Dopplerverschiebung bezogen auf die Flugrichtung bestimmt wird, sowie aus der Flughöhe. Anhand der Objektgeschwindigkeit lassen sich bspw. Vogelschwärme von tief fliegenden Flugzeugen unterscheiden. Die Bestimmung der Flughöhe ermöglicht bspw. den Ausschluss von sich bewegenden Bodenfahrzeugen.
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung lassen sich für die Luftraumüberwachung in Gebieten einsetzen, in denen Windkraftanlagen betrieben werden. In einer vorteilhaften Anwendung werden die Vorrichtung und das Verfahren zur Aktivierung einer Warnbefeuerung genutzt, die lediglich bei Annäherung von Flugobjekten eingeschaltet werden soll. Im Folgenden wird hierbei auf die Warnbefeuerung auf Windkraftanlagen eines Windparks eingegangen. Selbstverständlich können die Vorrichtung und das Verfahren jedoch auch auf allen anderen für den Luftverkehr relevanten Hindernissen eine Warnbefeuerung auslösen, wie z. B. auf Masten von Energiefreileitungen („Hochspannungsmasten”) oder auf hohen Bauwerken wie bspw. Brückenpylonen bei Hängebrücken, Hochhausansammlungen usw.
Windkraftanlagen sind üblicherweise in einer Mehr- bzw. Vielzahl auf einem Areal, einem sog. Windenergiepark, angeordnet. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und zur Verbesserung der Detektionsmöglichkeiten werden vorzugsweise mehrere Radarsensoren an der Peripherie des Windenergieparks verteilt. Die Radarsensoren verfügen dabei vorzugsweise über eine Kommunikationsmöglichkeit zu einer zentralen Stelle. Dies gewährleistet eine Rundumwarnung durch Ortung aller sich im Umkreis der Windenergieanlage befindlichen Flugobjekte. Zur Vernetzung der auf einzelnen Windkraftanlagen eingesetzten Radarsensoren kann bspw. ein zwischen den einzelnen Windkraftanlagen üblicherweise ohnehin bestehendes Informationsnetzwerk genutzt werden, so dass bei der Realisierung kein zusätzlicher Aufwand für Infrastrukturmaßnahmen anfällt. Hierbei wird vorzugsweise eine zentrale Auswerteeinheit eingesetzt, die mit den einzelnen Radarsensoren in Kommunikationsverbindung steht. Diese Auswerteeinheit, bspw. eine geeignete Rechenanlage, liefert wiederum ein Aktivierungssignal für die Kollisionswarnbefeuerung der Windkraftanlagen bei Detektion der Annäherung eines Flugobjektes. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lassen sich dabei innerhalb der üblicherweise notwendigen Detektions- bzw. Warnreichweite von unter 10 km bei geeigneter Wahl der Beleuchtungssender auch kleine Flugzeuge und Hubschrauber detektieren. Durch die vorgeschlagene Erkennung sich drehender Rotorblätter und die darauf basierende Detektion der Flugobjekte in den entsprechenden Entfernungszellen lediglich in geeigneten Zeitfenstern ist eine derartige Detektion noch mit hoher Empfindlichkeit möglich. Neben der Nutzung des vorhandenen Steuer- bzw. Kontrollnetzwerks des Windenergieparks Zur Vernetzung der Radar-Einzelsensoren mit der zentralen Auswerteeinheit können auch kostengünstige LAN- bzw. WLAN-Netze genutzt werden. Diese Netze können auch für die Aktivierung der Kollisionswarnbefeuerung eingesetzt werden.
Eine derartige Zusammenschaltung mehrerer Passiv-Radar-Einzelsensoren, installiert auf bevorzugt gelegenen und im Hinblick auf die Ortungsaufgabe ausgewählten Windkraftanlagen, zu einem Netzwerk ermöglicht es, den Windenergiepark von allen Seiten gegen anfliegende Luftfahrzeuge zu überwachen. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass nicht jede Windkraftanlage in einem Windenergiepark mit einem passiven Radarsensor ausgestattet sein muss, sondern bevorzugterweise nur ausgewählte Windkraftanlagen, insbesondere die in Randpositionen des Windenergieparks gelegenen.
Mit entsprechender Auswertung der Echosignale können die vorgeschlagene Vorrichtung sowie das vorgeschlagene Verfahren nicht nur zur Kollisionswarnung genutzt werden. Vielmehr können die Daten zu georteten Flugobjekten auch in die Luftraumüberwachung eingespeist werden (z. B. für eine Flugsicherungsbehörde). So können mögliche Detektionslücken einer vorhandenen Luftraumüberwachung in der Nähe von Windenergieanlagen geschlossen werden. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung, die vorzugsweise omnidirektionale Antennen in den Radarsensoren nutzen, werden Flugziele nicht nur im Umkreis von Windenergieparks detektiert, sondern auch innerhalb des Windenergieparkareals in geographischer Länge und Breite sowie in Höhe über dem Grund lokalisiert. In diesem Bereich erfahren aktive Luftraumüberwachungsradare Detektionsverluste, die durch die Radarechos der Windenergieanlagen bedingt sind. Die realzeitliche Bereitstellung der Ortsdaten der durch das Verfahren und die Vorrichtung, bspw. in einem Kollisionswarnsensornetz, erfassten Flugziele in einem standardisierten Format zur Einspeisung in das zivile oder militärische Radarnetz schließt diese Lücken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagene Vorrichtung sowie das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Mehrfachellipsenschnittverfahrens, wie es bei der Ortung von Objekten mit dem vorliegenden Verfahren zum Einsatz kommen kann;
2 ein Beispiel für die mögliche Antennenanordnung eines passiven Radarsensors und die damit erzielbare Phasen- bzw. Laufzeitdifferenzmessung;
3 ein Blockschaltbild eines beispielhaften Radar-Einzelsensors;
4 eine graphische Darstellung einer gemessenen bistatischen Doppler- und Entfernungsdifferenz-Matrix;
5 eine schematische Darstellung eines auf der Gondel einer Windkraftanlage mit Rotorblättern und Generator montierten Radarsensors;
6 ein Beispiel für die Dopplerverteilung einer Entfernungszelle in Abhängigkeit der Prozesszeit ohne angepasste Signalverarbeitung; und
7 ein Beispiel für die Dopplerverteilung derselben Entfernungszelle mit an Rotorblattechos angepasster Signalverarbeitung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung des bei dem vorgeschlagenen Verfahren einsetzbaren Mehrfachellipsenschnittverfahrens zur Ortung eines Flugobjektes 3 innerhalb eines überwachten Gebietes. In diesem Beispiel wird ein Sender 1, bspw. ein digital modulierter Rundfunk- oder Fernsehsender als Beleuchtungssender sowie drei an unterschiedlichen Positionen angeordnete Empfänger 2.1, 2.2, 2.3 in Form passiver Radarsensoren genutzt. Ein Echosignal eines im überwachten Gebiet befindlichen Flugobjektes 3 liegt dabei jeweils auf einer Ellipse, in deren beiden Brennpunkten der Sender und der jeweilige Empfänger liegen. Durch Nutzung von drei Empfängern kann damit die zweidimensionale Position des Flugobjektes im überwachten Gebiet aus dem Schnittpunkt der drei Ellipsen bestimmt werden. Dies ist in 1 schematisch angedeutet.
Vorzugsweise weist jeder passive Radarsensor mindestens zwei vertikal gegeneinander versetzte Antennen auf, um eine Bestimmung der Flughöhe eines detektierten Objektes über eine Phasen- bzw. Laufzeitdifferenzmessung zu ermöglichen. 2 zeigt eine derartige Antennenanordnung mit zwei Antennen 4, 5 sowie die Laufzeitdifferenz Δl eines eintreffenden Signals zwischen den beiden Antennen, falls dieses Signal nicht horizontal nicht auf die Antennen trifft. Aus dieser Laufzeitdifferenz lässt sich der Elevationswinkel und damit bei bekannter Position des Objektes auch die Höhe des detektierten Objektes berechnen. Die Antennenanordnung kann z. B. aus breitbandigen omnidirektionalen Discone-Antennen bestehen, mittels der sich Summen- und Differenzkeulen formen lassen.
Ein Radar-Einzelsensor besteht bevorzugterweise aus den oben genannten Antennen 4, 5, einem HF-Frontend und einer digitalen Vorverarbeitungseinheit, wie dies in 3 schematisch angedeutet ist.
Die Vorverarbeitungseinheit besteht aus einem Rechnermodul mit Netzwerkschnittstelle. Sie ist direkt mit dem HF-Frontend verbunden und dient der Berechnung der Laufzeitdifferenz zwischen Sendesignal und Echosignal durch Kreuzkorrelation (KKF), der Berechnung der Echo-Dopplerverschiebung durch Integration (Int) sowie der Bestimmung der vertikalen Einfallsrichtung des Echosignals durch Auswertung der Phasendifferenz der beiden Kanäle, die eingangsseitig jeweils mit einer der vertikal gestaffelten Antennen verbunden sind.
Diese Größen, die insbesondere auch die Belegung des zu überwachenden Luftraums mit Flugobjekten wiedergeben (sog. Luftraumlage), werden zur Weiterverarbeitung bzw. zur Entscheidung, ob sich ein kollisionsgefährdetes Objekt annähert, an das Netzwerk übergeben und in einer zentralen Recheneinheit weiterverrechnet.
Für jeden Verarbeitungszyklus ergeben sich so 3-dimensionale Matrizen der Echosignalstärke über Laufzeitdifferenz, bistatischer Dopplerverschiebung und vertikalem Einfallswinkel des Zielechos:
stellt das Korrelationssignal aus dem reproduzierten Referenzsignal S_rep und dem um τ zeitlich verschobenen Echosignal r(t) dar. Die Korrelation erfolgt über jeweils die (zeitliche) Länge eines Symbols des digital modulierten Sendesignals. Die Zyklusdauer eines Verarbeitungszyklus wird z. B. < 500 ms gewählt, damit sich ein Flugobjekt während der Verarbeitungszeit nicht aus der durch die Bandbreite des Signals bestimmten Auflösungszelle bewegt.
Die Integration aufeinanderfolgender Korrelationen (Symbole) mittels einer FFT ergibt die Echo-Dopplerverschiebung. Das Diagramm in 4 zeigt das Ergebnis der Korrelation und Integration als eine Echomatrix über bistatischer Dopplerverschiebung und Entfernungsdifferenz (berechnet aus der Laufzeitdifferenz). Das Überschreiten eines für die Signalstärke gesetzten Schwellwertes, der (je nach Senderstärke und -qualität) 6 bis 10 dB über dem Hintergrundrauschen eingestellt wird, führt zur Detektion eines relevanten Objektes. Die Grauwertcodierung gibt die Signalstärke an. Die hellen Zellen zeigen Echos von Doppler-verschobenen (bewegten) Objekten. Hinsichtlich der Größen Dopplerverschiebung und Entfernung verschmierte Echos werden zu Echo-Clustern zusammengefasst.
Wie in diesem Beispiel für einen Kanal dargestellt, werden die Doppler-Entfernungsdifferenz-Matrizen für die beiden Antennenkanäle gebildet. Zur zentralen Auswerteeinheit werden entweder die beiden Matrizen oder eine dreidimensionale Matrix übermittelt, bei der die dritte Dimension den aus der Phasenverschiebung des Signals zwischen den beiden Antennenkanälen berechneten Echo-Elevationswinkel bildet.
Zielechos mit einem vertikalen Einfallswinkel unterhalb einer Schwelle werden als relevante Echos in einer Matrix zusammengefasst. Echos, deren vertikaler Einfallswinkel oberhalb der Schwelle, die sich aus der Höhe der Windenergieanlage, der Montagehöhe des jeweiligen Sensors und der erwarteten Zielentfernung berechnet, werden als nicht relevant verworfen.
Die sich so ergebenden 2-dimensionalen Matrizen der Echosignalstärken über Laufzeitdifferenz und bistatischer Dopplerverschiebung werden bevorzugt leitungsgebunden der zentralen Auswerteeinheit bestehend aus einem leistungsstarken Rechner mit Netzwerkschnittstellen zugeführt.
Innerhalb dieser zentralen Auswerteeinheit erfolgt die Lokalisierung der Echo erzeugenden Flugobjekte durch Überlagerung deren Laufzeitellipsen. Da der relevante Elevationswinkelbereich durch die Höhe der Windenergieanlagen eingeschränkt ist, kann mit Laufzeitellipsen anstelle von Laufzeitellipsoiden gerechnet werden.
Der gesamte Rechengang folgt dem folgenden Schema: Empfang des Direktsignals – Rekonstruktion des Sendesignals – Korrelation des Sendesignals (eine Symbollänge) mit dem Empfangssignal (Echosignal eines Symbols) – Integration der Korrelationsprodukte (FFT über mehrere Symbole) – Ablegen der Ergebnisse eines Rechenzyklus in einer Range-Doppler Matrix
Bei der Auswertung der Matrizen der Einzelsensoren in der zentralen Auswerteeinheit wird der Einfluss der rotierenden Windräder durch eine vorzugsweise selbstlernende, windradangepasste Signalverarbeitung berücksichtigt.
Drehende Rotorblätter erzeugen in der Range-Doppler Matrix Doppler-verschobene Echos des Sendesignals, die sich über einen breiten Dopplerbereich erstrecken, jedoch entfernungsstabil sind und sich somit von den Echos von Flugobjekten, deren schmale Dopplerverschiebung und Laufzeitdifferenz über die Bewegung mathematisch verbunden sind, unterscheiden. Daher lassen sie sich leicht von Flugobjekten unterscheiden.
Innerhalb weniger Verarbeitungszyklen (Lernphase) wird die Periodizität der Windrotordrehung in jeder Entfernungszelle, in der Rotorechos erscheinen, berechnet. Innerhalb eines wandernden Zeitfensters kann hierzu bspw. der Mittelwert der Signalamplituden gebildet werden. Die Signalamplitude eines Rotorblattechos überschreitet diese Schwelle und wird so detektiert. Nach wenigen Verarbeitungszyklen ist die Periodizität der Rotorechos in der entsprechenden Entfernungszelle bekannt. Da die Echos der Rotorblätter nur kurzzeitig und periodisch erscheinen, wird die Signalauswertung für die Detektion von Flugobjekten nach der Lernphase in den zeitlichen Abschnitten durchgeführt, in denen keine Rotorblattechos zu erwarten sind. Die Überschreitung der Mittelwertschwelle löst nach einer Wartezeit von z. B. 2 Zeitsamples die kohärente Integration der Echosignale aus. Die Integrationszeit wird automatisch der Periodizität der Rotorechos angepasst, so dass nur in den zeitlichen Abschnitten zwischen zwei Rotorechos kohärent integriert wird. So können die schwachen Echos von kleinen Flugzeugen auch in den Entfernungsbereichen gemessen und ausgewertet werden, in denen periodisch starke Rotorechos auftreten.
Da die Integration der Signalenergie in diskreten Abtastintervallen erfolgt, kann die Korrelationsfunktion des i-ten Symbols
in ihrer abgetasteten Form geschrieben werden:
Die Integration r_D(t) für die Ermittlung der Echo-Dopplerverschiebung erfolgt über m Symbole bzw. deren Korrelationsprodukte gs_i(t). Wird durch Auswertung der Rotorechos ermittelt, dass in einer Entfernungszelle die Rotorechos während k Symbolen, beginnend mit dem Zeitpunk K1·T detektiert werden und die darauf folgende Lücke l Symbole beträgt, so erfolgt die Integration – diskret ausgeführt als Summation – über den Zeitraum K1 + k bis K1 + k + l.
6 zeigt die Dopplerverteilung einer Entfernungszelle in Abhängigkeit der Prozesszeit ohne angepasste Signalverarbeitung. In der Figur sind deutlich die periodisch auftretenden Dopplerverschobenen Rotorblattechos zu erkennen. In 7 ist die Dopplerverteilung für denselben Zeitraum jedoch mit Rotorechoangepasster Signalverarbeitung dargestellt. Hierbei werden die Doppler-gespreizten Rotorechos nicht verarbeitet und das in 6 kaum erkennbare Zielecho tritt jetzt klar hervor.
Da die Dopplerspreizung der Rotorblattechos von der geometrischen bistatischen Konstellation zwischen Sender, Empfänger und Rotor abhängt, wird dieses Verfahren für jeden Entfernungsbereich, in dem Rotorblattechos gemessen werden, unabhängig durchgeführt, um sich der individuellen Drehcharakteristik einzelner Windräder im Windpark anzupassen.
Das vorgeschlagene Verfahren unterscheidet sich grundsätzlich von selbst lernenden Clustermaps oder adaptiven Filtern, bei denen eine Detektionsschwelle adaptiv durch das stärkste Signal im Detektionsvolumen (hier eine Entfernungszelle) gesetzt wird. Dadurch werden in dieser Entfernungszelle alle Echos, die unterhalb der Schwelle liegen, unterdrückt.
5 zeigt schematisch eine Anordnung eines passiven Radarsensors 2 auf der Gondel 6 einer Windkraftanlage. Die Verbindung dieser auf mehreren Windkraftanlagen befindlichen Radar-Einzelsensoren mit der zentralen Auswerteeinheit erfolgt bspw. über Leitungen zwischen den Sensoren und der Auswerteeinheit. Diese Leitungen dienen zum Einen der Übertragung der Laufzeitmessungen wie oben beschrieben zur zentralen Auswerteeinheit und zum Anderen der Übertragung des Schaltsignals von der zentralen Auswerteeinheit zur Windkraftanlage zur Aktivierung der Kollisionswarnbefeuerung auf der Windenergieanlage.
Das Schaltsignal wird aktiviert, sobald sich ein Flugobjekt in kritischer Höhe der Windenergieanlage beispielsweise auf weniger als K km (typischerweise K = 7) nähert.
Die N (N ≥ 3) Radarsensoren sind so angeordnet, dass eine Annäherung an die Windenergieanlage von allen Seiten detektiert wird. Dazu wird bei der Auswahl der beleuchtenden Rundfunk- bzw. Kommunikationssender insbesondere deren Position bezogen auf die der Passiv-Radar-Sensoren beachtet.
Die meisten digitalen Rundfunknetze sind als so genannte Gleichwellennetze ausgelegt, d. h. alle Sender des Netzes senden kohärent dasselbe Signal zur selben Zeit aus. Unter solchen Randbedingungen ist bei der Auswahl der beleuchtenden Sender darauf zu achten, dass die Signallaufzeit von dem dem Empfänger am nächsten stehenden Sender (TX1) und dem zweitnächsten (TX2) zum Empfänger größer ist als die aufgrund der geforderten Detektionsreichweite erwartete Echoverzögerung gegenüber dem TX1-Signal. In diesem Fall ist die Echozuordnung eindeutig, da das Echo nur aufgrund von Beleuchtung durch TX1 entstanden sein kann. Somit stehen die Foki der Laufzeitellipse, TX1 und der Empfänger fest.
Die in einem Windenergiepark installierten und zu einem System vernetzten passiven Radarsensoren können mit unterschiedlichen Beleuchtern betreiben werden. Bei entsprechender breitbandiger Auslegung des Radar-Sensors (samt Antennen) können auch bereits in einem Sensor mehrere Beleuchterfrequenzen (mehrere beleuchtende Sender) mit unterschiedlichen Senderstandorten genutzt werden. Für den Fall, dass einer bzw. mehrere der beleuchtenden Sender ausfallen, wird automatisch die Befeuerung eingeschaltet.
Das System zur Aktivierung der Warnbefeuerung besteht in diesem Beispiel aus rein passiven Radar-Sensoren, die prinzipbedingt keine eigenen Signale abstrahlen. Daher ist keine Frequenzzuteilung einzuholen und es besteht nicht die Gefahr der Störung anderer Dienste. Da keine elektromagnetische Energie abgestrahlt wird, ist kein Akzeptanzproblem bei der Bevölkerung zu erwarten. Gegenüber aktiven Radarsystemen nutzen die herangezogenen Rundfunk- bzw. Fernseh- und/oder Kommunikationssender mit digitaler Modulation zur Beleuchtung des von Interesse seienden Luftraumes relativ niedrige Frequenzen, bei denen insbesondere wenig bis keine Wolken- oder Regenechos zu erwarten sind. Die Gefahr von Falschalarmen durch Vogelschwärme ist gering, da in diese im genutzten Frequenzbereich sehr kleine Rückstreuquerschnitte aufweisen. Der Verzicht auf einen eigenen Sender erhöht außerdem die Wirtschaftlichkeit.
Bezugszeichenliste

1: Sender
2: passiver Radarsensor
2.1: passiver Radarsensor
2.2: passiver Radarsensor
2.3: passiver Radarsensor
3: Flugobjekt
4: obere Antenne des Radarsensors
5: untere Antenne des Radarsensors
6: Gondel

Claims

Vorrichtung zur Detektion von Flugobjekten in einem Gebiet, in dem Windkraftanlagen betrieben werden, mit – mindestens einem aktiven oder passiven Radarsensor (2) zur Überwachung des Gebietes, und – einer Auswerteeinheit, mit der von dem Radarsensor (2) erfasste Signale zur Detektion der Flugobjekte (3) auswertbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass sie Signalanteile sich bewegender Rotorblätter bei der Signalauswertung erkennt und für jede Entfernungszelle, in der sich bewegende Rotorblätter bei der Signalauswertung erkannt werden, die Auswertung der Signale für die Erfassung der Flugobjekte (3) nur in Zeitfenstern durchführt, die keine Signalanteile sich bewegender Rotorblätter enthalten oder erwarten lassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 3 passive Radarsensoren (2) an unterschiedlichen Standorten angeordnet sind, die mit der Auswerteeinheit in Kommunikationsverbindung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Radarsensor (2) eingangsseitig zwei unabhängige Signalkanäle aufweist, deren Signale für die Bestimmung der Höhe eines detektierten Flugobjektes (3) auswertbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verarbeitung der Signale aus den beiden unabhängigen Signalkanälen eine Integrationsstufe und/oder eine Korrelationsstufe vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Radarsensor (2) eine Netzwerkschnittstelle aufweist, über die ein Datenaustausch mit der Auswerteeinheit durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Aktivierung von Warnbefeuerungen, insbesondere auf den Windkraftanlagen, bei Annäherung von Flugobjekten (3).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Erfassung und Bereitstellung von Daten über Flugbewegungen im Bereich von Windkraftanlagen.
Verfahren zur Detektion von Flugobjekten in einem Gebiet, in dem Windkraftanlagen betrieben werden, bei dem mindestens ein aktiver oder passiver Radarsensor (2) zur Überwachung des Gebietes eingesetzt wird, dessen Signale zur Erfassung von sich bewegenden Objekten ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass Signalanteile sich bewegende Rotorblätter der Windkraftanlagen anhand charakteristischer Merkmale bei der Auswertung der Signale erkannt werden und für jede Entfernungszelle, in der sich bewegende Rotorblätter bei der Signalauswertung erkannt werden, eine weitere Auswertung der Signale zur Detektion der Flugobjekte (3) nur in Zeitfenstern erfolgt, die keine Signalanteile sich bewegender Rotorblätter enthalten oder erwarten lassen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalanteile sich bewegender Rotorblätter der Windkraftanlagen anhand einer charakteristischen Dopplerverschiebung von Echos und/oder einer zeitlichen Periodizität der Dopplerverschiebung von Echos in den Signalen des Radarsensors (2) erkannt werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Entfernungszelle, in der für Rotorblätter charakteristische Doppler-verschobene Echos erkannt werden, eine Periodizität dieser Doppler-verschobenen Echos berechnet wird, um die Zeitfenster für die weitere Auswertung zu bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 3 passive Radarsensoren (2) zur Überwachung des Gebietes eingesetzt werden, die an unterschiedlichen Standorten positioniert werden, und deren Signale über eine Netzwerkverbindung an eine zentrale Auswerteeinheit geleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Radarsensor (2) eingangsseitig über mindestens zwei unabhängige Signalkanäle die Signale für eine Bestimmung der Höhe eines detektierten Flugobjektes (3) ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem bei Detektion eines sich annähernden Flugobjektes (3) eine Warnbefeuerung aktiviert wird, insbesondere eine Warnbefeuerung auf mindestens einer der Windkraftanlagen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem Flugbewegungen im Bereich der Windkraftanlagen erfasst und Daten über die erfassten Flugbewegungen bereitgestellt werden.