FR2948194A1 - Complementary radar system for detection of targets moving in e.g. wind mill field, has sector of monitored zone part covered by system by considering positions of wind mills, power and radiation diagram of elements - Google Patents
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Abstract
Description
SYSTEME RADAR COMPLEMENTAIRE POUR LA DETECTION DE CIBLES EVOLUANT DANS UN CHAMP D'EOLIENNES. L'invention concerne le domaine général de la protection radar basse altitude d'espaces aériens. Elle concerne l'amélioration de la protection de zones comportant des obstacles masquant la visibilité à basse altitude d'un système de détection déjà existant. COMPLEMENTARY RADAR SYSTEM FOR DETECTION OF EVOLVING TARGETS IN A WINDWATER FIELD The invention relates to the general field of low altitude radar protection of airspaces. It concerns the improvement of the protection of zones containing obstacles masking the low-altitude visibility of an already existing detection system.
L'invention traite du problème de la cohabitation entre les radars et les éoliennes. La généralisation de l'implantation d'éoliennes, constitue une gêne croissante pour les équipements, des équipements radar par exemple, en charge de la couverture de zones déterminées de territoires, en particulier dans le cas d'une couverture basse ou très basse altitude. Le problème de perte de visibilité devient particulièrement important lorsque le territoire surveillé comporte ce qu'il est convenu d'appeler des "champs" d'éoliennes, c'est-à-dire des zones dans lesquelles des éoliennes sont installées à proximité les unes des autres et constituent des obstacles entravant de manière conséquente la visibilité du système de surveillance. C'est par exemple le cas des zones d'approche d'aéroport englobant un champ d'éoliennes qui gêne la visibilité à moyenne et basse altitude du radar chargé de contrôler l'approche des aéronefs. Plus généralement, les effets négatifs de la présence d'éoliennes sur 20 les capacités de détection d'un radar chargé de surveiller une zone dans laquelle sont installées ces éoliennes sont principalement: - une désensibilisation provoquée par l'augmentation du niveau moyen de la réflectivité de la zone considérée, cette augmentation étant due à la présence des éoliennes qui constituent autant de sources de réflexions 25 parasites, - un masquage des cibles situées dans les zones "d'ombre radioélectrique" créées par les éoliennes, qui viennent ainsi perturber la propagation vers le radar des échos réfléchis par les cibles masquées. On entend par zones d'ombre radioélectrique, les zones qui, du fait de la 30 présence d'une éolienne, ne sont pas illuminées par le signal radar; - une saturation des moyens de réception du radar, due à la forte surface équivalente des parties fixes (mât, nacelle) des éoliennes, - une augmentation des fausses alarmes provoquées par la présence des parties mobiles (pales), - des réflexions (trajets multiples) sur les mâts ou les pales, provoquant des échos fantômes et/ou des erreurs de mesure sur la position 5 des cibles. The invention deals with the problem of the coexistence between radars and wind turbines. The generalization of the installation of wind turbines, constitutes an increasing inconvenience for the equipment, radar equipment for example, in charge of the coverage of determined areas of territories, in particular in the case of a low or very low altitude cover. The problem of loss of visibility becomes particularly important when the monitored territory includes so-called "fields" of wind turbines, that is to say areas in which wind turbines are installed close to one another. others and constitute obstacles that significantly impede the visibility of the surveillance system. This is for example the case of airport approach zones encompassing a wind turbine field that hinders the visibility at medium and low altitude of the radar responsible for controlling the approach of aircraft. More generally, the negative effects of the presence of wind turbines on the detection capabilities of a radar responsible for monitoring an area in which these wind turbines are installed are mainly: desensitization caused by the increase in the average level of reflectivity of the zone considered, this increase being due to the presence of wind turbines which are as many sources of spurious reflections, - a masking of the targets located in the "radio shadow" zones created by the wind turbines, which thus disrupt the propagation to the radar echoes reflected by the masked targets. Radio shadow zones are those areas which, because of the presence of a wind turbine, are not illuminated by the radar signal; a saturation of the reception means of the radar, due to the large equivalent surface of the fixed parts (mast, nacelle) of the wind turbines, an increase of false alarms caused by the presence of the moving parts (blades), reflections (multiple paths) ) on the masts or blades, causing ghost echoes and / or measurement errors on the position of the targets.
Ces effets sont traités actuellement en tentant de limiter l'implantation d'éoliennes dans des zones sensibles nécessitant une bonne couverture radar, à basse altitude en particulier. Ceci conduit à l'établissement de règles 10 d'implantation et limite donc le développement des éoliennes. Un autre type de solution consiste à prendre en compte les effets négatifs cités précédemment lors de la conception des éoliennes afin de les limiter, en réduisant par exemple la surface équivalente radar des éoliennes. Un autre type de solution encore consiste à adapter les radars destinés à 15 fonctionner dans un tel contexte, par exemple en leur adjoignant des moyens de traitement complémentaires, de façon à les rendre moins sensibles à la gêne occasionnée par la présence d'éoliennes. Ces deux derniers types de solutions conduisent à l'augmentation des coûts de développement et de réalisation des équipements tant au niveau des éoliennes que des moyens 20 de détection. These effects are currently being addressed by attempting to limit the installation of wind turbines in sensitive areas requiring good radar coverage, especially at low altitude. This leads to the establishment of implementation rules 10 and therefore limits the development of wind turbines. Another type of solution consists in taking into account the negative effects mentioned above when designing wind turbines in order to limit them, for example by reducing the radar equivalent area of wind turbines. Yet another type of solution consists in adapting the radars intended to operate in such a context, for example by adding complementary processing means to them, so as to make them less sensitive to the inconvenience caused by the presence of wind turbines. These last two types of solutions lead to increased development and equipment realization costs both for wind turbines and detection means.
Un but de l'invention est de proposer une solution alternative aux solutions évoquées précédemment. Un autre but est de développer des moyens applicables aussi bien au parc d'équipements existant qu'aux 25 équipements à venir. A cet effet l'invention a pour objet un système radar, pour réaliser la couverture basse et très basse altitude de la partie d'une zone de l'espace sur laquelle sont implantées des éoliennes, chaque éolienne constituant un objet occupant une position fixe et réfléchissant fortement les ondes radar. 30 Ce système comporte une pluralité d'éléments montés sur certaines des éoliennes. Chaque élément comportant des moyens d'émission et/ou de réception et est configuré pour réaliser la couverture d'un endroit donné du champ d'éoliennes. Le nombre et la disposition des éléments étant définis de sorte que, compte tenu des positions des différentes éoliennes, de la 35 puissance et du diagramme de rayonnement de chacun des éléments, chaque secteur de cette partie de la zone surveillée soit couvert par le système. An object of the invention is to propose an alternative solution to the solutions mentioned above. Another goal is to develop means applicable to both the existing equipment park and the 25 equipment to come. For this purpose the invention relates to a radar system, for achieving low and very low altitude coverage of the part of an area of the space on which wind turbines are installed, each wind turbine constituting an object occupying a fixed position and strongly reflecting radar waves. This system comprises a plurality of elements mounted on some of the wind turbines. Each element comprising transmitting and / or receiving means and is configured to cover a given area of the wind turbine field. The number and arrangement of the elements being defined so that, taking into account the positions of the different wind turbines, the power and the radiation pattern of each of the elements, each sector of this part of the monitored area is covered by the system.
Dans un mode de réalisation préféré du système selon l'invention, chaque moyen d'émission comporte des moyens de gestion configurés pour assurer un fonctionnement qui prend en compte la position des pales de l'éolienne afin de déterminer les instants d'émissions de ce moyen. In a preferred embodiment of the system according to the invention, each transmission means comprises management means configured to ensure an operation that takes into account the position of the blades of the wind turbine in order to determine the times of emissions of the wind turbine. way.
Dans une autre mode de réalisation préféré du système selon l'invention, chaque moyen de réception comporte des moyens de traitement des signaux reçus, configurés pour réaliser une fonction de filtrage apte à corriger les déformations de son diagramme d'antenne provoquées par la proximité des pales de l'éolienne sur laquelle il est monté. In another preferred embodiment of the system according to the invention, each reception means comprises means for processing the received signals, configured to perform a filtering function capable of correcting the deformations of its antenna pattern caused by the proximity of the signals. blades of the wind turbine on which it is mounted.
Dans une configuration particulière du système selon l'invention, dans laquelle le système est monté sur la nacelle de l'éolienne, les moyens de réception comportent des moyens de gestion associés, configurés pour assurer un fonctionnement de moyens de réception qui prend en compte, pour le traitement des échos reçus, l'orientation géographique de l'éolienne à l'instant considéré. In a particular configuration of the system according to the invention, in which the system is mounted on the nacelle of the wind turbine, the receiving means comprise associated management means, configured to ensure operation of receiving means which takes into account, for the processing of the echoes received, the geographical orientation of the wind turbine at the moment considered.
Dans un mode de réalisation préférée du système selon l'invention, chaque élément comporte des moyens de communication avec un système de gestion central qui effectue l'exploitation globale des données fournies par le système. Les moyens de communication sont configurés pour utiliser la liaison de communication qui équipe l'éolienne sur laquelle est monté le moyen de réception considéré. In a preferred embodiment of the system according to the invention, each element comprises means of communication with a central management system that performs the overall operation of the data provided by the system. The communication means are configured to use the communication link that equips the wind turbine on which the receiving means is mounted.
Dans un autre mode de réalisation préférée du système selon 30 l'invention, chaque élément comporte des moyens pour tirer son alimentation électrique de l'énergie électrique produite par l'éolienne. In another preferred embodiment of the system according to the invention, each element comprises means for drawing its electrical power from the electrical energy produced by the wind turbine.
Dans une forme de mise en oeuvre particulière du système selon l'invention, chaque élément comporte des moyens d'émission et de réception 35 configurés et agencés pour former un radar monostatique, ledit radar monostatique étant équipé d'une antenne directive agencée sur la nacelle de l'éolienne de façon à ce que son diagramme de rayonnement soit orienté dans la direction opposée à l'extrémité de la nacelle de l'éolienne qui porte les pales. In a particular embodiment of the system according to the invention, each element comprises transmitting and receiving means 35 configured and arranged to form a monostatic radar, said monostatic radar being equipped with a directional antenna arranged on the nacelle of the wind turbine so that its radiation pattern is oriented in the opposite direction to the end of the nacelle of the wind turbine which carries the blades.
Dans une autre forme de mise en oeuvre particulière du système selon l'invention, chaque élément comporte des moyens d'émission et de réception configurés et agencés pour former un radar monostatique, ledit radar monostatique étant équipé d'une antenne omnidirectionnelle comportant des éléments rayonnants disposés régulièrement sur le pourtour du mât supportant la nacelle de l'éolienne sur laquelle le radar est monté, à distance de la nacelle. In another particular embodiment of the system according to the invention, each element comprises transmitting and receiving means configured and arranged to form a monostatic radar, said monostatic radar being equipped with an omnidirectional antenna comprising radiating elements. arranged regularly around the perimeter of the mast supporting the nacelle of the wind turbine on which the radar is mounted, at a distance from the nacelle.
Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose l'invention au travers d'un mode de réalisation particulier pris comme exemple non limitatif et qui s'appuie sur les figures annexées, figures qui représentent: The features and advantages of the invention will be better appreciated thanks to the description which follows, description which sets forth the invention through a particular embodiment taken as a non-limiting example and which is based on the appended figures, figures which represent:
- la figure 1, une représentation schématique permettant d'illustrer la gêne, en termes de visibilité et de capacité de détection, occasionnée à un radar chargé de surveiller une portion de territoire, par la présence d'un champ d'éoliennes dans la zone surveillée; - la figure 2, une illustration schématique du principe de l'invention; - les figures 3 à 5, des illustrations relatives à un premier mode de 25 réalisation du dispositif selon l'invention; - les figures 6 à 8, des illustrations relatives à un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - Figure 1, a schematic representation to illustrate the inconvenience, in terms of visibility and detection capability, caused to a radar responsible for monitoring a portion of territory, by the presence of a wind field in the area monitored; FIG. 2, a schematic illustration of the principle of the invention; FIGS. 3 to 5, illustrations relating to a first embodiment of the device according to the invention; FIGS. 6 to 8, illustrations relating to a second embodiment of the device according to the invention;
La figure 1 illustre la situation créée par l'existence de ce qu'il est 30 convenu d'appeler un "champ" d'éoliennes dans une partie d'une zone surveillées par un radar de surveillance conventionnelle. Par "champ" d'éoliennes on entend ici une implantation fixe et dense d'éoliennes, espacées les unes des autres d'une distance faible de l'ordre de quelques centaines de mètres par exemple. 35 Vis-à-vis d'un système radar 11 chargé de la couverture d'une zone incluant un champ d'éolienne, la structure d'une éolienne est à elle seule facteur de perturbation. En effet une éolienne se présente comme un objet de grande taille présentant, du fait de la présence des pales en particulier une surface équivalente radar (SER) importante. Elle constitue ainsi un réflecteur fortement réfléchissant 12 qui désensibilise, dans son environnement, le radar chargé de la couverture de la zone considérée. Elle constitue d'autre part un obstacle à la pénétration des ondes radar dans le champ. Par ailleurs, bien que positionnée de manière fixe sur la zone considérée, une éolienne comporte des parties mobiles en rotation constituées par ses pales. De la sorte, une éolienne réfléchit un écho présentant un déphasage variable qui est de nature à entraver l'efficacité du traitement Doppler appliqué par le radar aux échos reçus. Par suite, la détection au moyen d'un radar de surveillance traditionnel d'objets mobiles 13 évoluant dans un champ d'éoliennes ou à l'arrière de ce champ, en particulier d'objets de relativement petite taille au regard de la taille d'une éolienne et de relativement faible vitesse s'avère difficile dans la partie de la zone surveillée sur laquelle est localisé le champ d'éoliennes, partie grossièrement délimitée par le trait pointillé 14 sur la figure 1. Il existe donc un risque non négligeable qu'une cible évoluant dans un tel environnement, au sol ou à très basse altitude, comme par exemple un drone volant ou encore un hélicoptère procédant au largage à proximité du sol de matériels ou d'individus, ne soit purement et simplement pas détectée par un système de couverture radar conventionnel 11. Figure 1 illustrates the situation created by the existence of what is known as a "field" of wind turbines in a part of an area monitored by a conventional surveillance radar. By "field" of wind turbines is meant here a fixed and dense implantation of wind turbines, spaced from each other by a small distance of the order of a few hundred meters for example. With respect to a radar system 11 responsible for covering an area including a wind turbine field, the structure of a wind turbine is in itself a disturbance factor. Indeed a wind turbine is presented as a large object having, because of the presence of the blades in particular a radar equivalent surface (SER) important. It thus constitutes a highly reflective reflector 12 which desensitizes, in its environment, the radar responsible for the coverage of the area in question. It is also an obstacle to the penetration of radar waves in the field. Furthermore, although fixedly positioned on the area in question, a wind turbine has rotatable parts formed by its blades. In this way, a wind turbine reflects an echo with a variable phase shift which is likely to hinder the effectiveness of the Doppler treatment applied by the radar to the received echoes. As a result, the detection by means of a traditional mobile object surveillance radar 13 operating in a field of wind turbines or at the rear of this field, in particular objects of relatively small size compared to the size of the wind turbine. a wind turbine with relatively low speed proves to be difficult in the part of the supervised zone on which the wind turbine field is located, part roughly delineated by the dotted line 14 in figure 1. There is therefore a significant risk that a target operating in such an environment, on the ground or at a very low altitude, such as for example a flying drone or a helicopter dropping near the ground of equipment or individuals, is simply not detected by a Conventional radar coverage system 11.
L'invention propose, comme l'illustre schématiquement la figure 2, de supprimer ce risque de non-détection en associant au système de couverture radar existant, un système additionnel constitué de radars ou plus généralement d'éléments de radar, émetteurs ou récepteurs, montés sur certaines des éoliennes 21 constituant le champ d'éoliennes considéré. Ces éléments sont par ailleurs configurés pour réaliser selon les cas un système de détection monostatique ou multistatique. Ainsi, suivant la configuration considérée, le système selon l'invention peut être constitué soit d'éléments émetteurs et récepteurs séparés, montés sur des éoliennes distinctes, soit d'ensembles associant un émetteur et un récepteur, les deux équipements étant montés sur une même éolienne. La première configuration conduit à la formation d'un système radar multistatique, tandis que la seconde conduit à la formation d'un système comportant une pluralité de radars monostatiques individuels. Dans une variante alternative de la configuration multistatique, le système selon l'invention comporte seulement des éléments récepteurs configurés de façon à former un système radar passif multistatique utilisant les émissions d'opportunité couvrant le champ d'éoliennes, des émetteurs de radio ou télédiffusion par exemple (FM, DAB, DVB-T...). The invention proposes, as schematically illustrated in FIG. 2, to eliminate this risk of non-detection by associating with the existing radar coverage system, an additional system consisting of radars or, more generally, radar elements, transmitters or receivers, mounted on some of the wind turbines 21 constituting the field of wind turbines considered. These elements are furthermore configured to produce, depending on the case, a monostatic or multistatic detection system. Thus, depending on the configuration considered, the system according to the invention can consist either of separate transmitter and receiver elements, mounted on separate wind turbines, or sets associating a transmitter and a receiver, the two devices being mounted on the same wind turbine. The first configuration leads to the formation of a multistatic radar system, while the second leads to the formation of a system comprising a plurality of individual monostatic radars. In an alternative variant of the multistatic configuration, the system according to the invention comprises only receiver elements configured so as to form a multistatic passive radar system using opportunity emissions covering the field of wind turbines, radio transmitters or television broadcasters. example (FM, DAB, DVB-T ...).
Les moyens d'émission constituant le système de détection additionnel selon l'invention présentent des puissances faibles, de l'ordre de quelques watts typiquement, suffisantes cependant pour assurer une portée de l'ordre de la distance séparant des éoliennes voisines, quelques centaines de mètres typiquement. En outre, en particulier dans le cas où le système selon l'invention est configuré comme un système multistatique, les éléments constituant celui-ci comportent des moyens leur permettant de communiquer entre eux et/ou avec un système central d'acquisition et de fusion de données. Dans un mode de réalisation préféré du système selon l'invention ces moyens utilisent avantageusement les voies de communication qui équipent les éoliennes sur lesquelles les éléments du système sont montés. The transmission means constituting the additional detection system according to the invention have low powers, of the order of a few watts typically, but sufficient to ensure a range of the order of the distance between neighboring wind turbines, a few hundred meters typically. In addition, particularly in the case where the system according to the invention is configured as a multistatic system, the elements constituting the latter comprise means enabling them to communicate with one another and / or with a central acquisition and fusion system. of data. In a preferred embodiment of the system according to the invention these means advantageously use the communication channels that equip the wind turbines on which the elements of the system are mounted.
Les éoliennes 21 sur lesquelles sont positionnés les éléments du système radar additionnel selon l'invention, sont déterminées de façon à ce que, selon la configuration adoptée (répartition des éléments du système, nature et forme des diagrammes de rayonnement des différents éléments), la totalité de la portion de zone 14 correspondant au champ d'éoliennes soit couverte par le système additionnel, et que la couverture réalisée ne présente pas de trou, c'est-à-dire pas d'endroit pour lequel la fonction de détection n'est localement pas assurée. On obtient ainsi avec le système radar additionnel selon l'invention une couverture locale satisfaisante qui vient avantageusement suppléer la couverture défaillante réalisée dans cette zone par le radar principal 11. The wind turbines 21 on which the elements of the additional radar system according to the invention are positioned are determined so that, according to the configuration adopted (distribution of the elements of the system, nature and shape of the radiation patterns of the different elements), the all of the zone portion 14 corresponding to the wind turbine field is covered by the additional system, and that the cover made has no hole, that is to say no place for which the detection function n ' is not locally insured. An additional satisfactory local coverage is thus obtained with the additional radar system according to the invention, which advantageously compensates for the defective cover provided in this area by the main radar 11.
Dans la mesure où chaque élément composant le système radar additionnel selon l'invention est, par nature, peu consommateur d'énergie, chacun des éléments du système comporte, dans une forme de réalisation préférée, des moyens pour assurer son alimentation électrique directement à partir de l'énergie électrique produite par l'éolienne sur laquelle il est positionné. Par suite, la source d'énergie principale étant constituée par l'éolienne, l'élément ne comporte en propre qu'une source d'énergie auxiliaire, une batterie rechargeable de relativement faible puissance par exemple, utilisée principalement lorsque l'éolienne ne produit aucune énergie électrique. Inasmuch as each element making up the additional radar system according to the invention is, by nature, energy-saving, each of the elements of the system comprises, in a preferred embodiment, means for ensuring its power supply directly from electrical energy produced by the wind turbine on which it is positioned. As a result, the main energy source being constituted by the wind turbine, the element comprises in itself only an auxiliary power source, a relatively low power rechargeable battery for example, used mainly when the wind turbine produces no electrical energy.
Selon l'invention le système radar additionnel ainsi réalisé est relié au centre d'exploitation du ou des radars déjà installés et pour lesquels une couverture additionnelle est rendue nécessaire. Dans un mode de réalisation préféré, la liaison correspondante est de préférence réalisée par le réseau existant qui relie les éoliennes au système qui gère le fonctionnement général et l'exploitation du champ d'éoliennes. L'exploitation conjointe des données produites par les différents radars (radars existants et équipement additionnel selon l'invention) peut ainsi être réalisée par un traitement de fusion localisé au niveau du centre d'exploitation. According to the invention the additional radar system thus produced is connected to the operating center of the radar or radars already installed and for which additional coverage is made necessary. In a preferred embodiment, the corresponding link is preferably made by the existing network connecting the wind turbines to the system that manages the general operation and operation of the wind turbine field. The joint exploitation of the data produced by the different radars (existing radars and additional equipment according to the invention) can thus be achieved by a localized fusion treatment at the operating center.
La fonction du système selon l'invention consiste ainsi principalement à apporter localement une source d'illumination de manière à pallier les pertes de propagation rencontrées par les radars classiques lorsque ceux-ci seront face à de vastes champs d'éoliennes déployés dans leur zone de couverture. II permet ainsi avantageusement d'assurer la continuité de la détection, même pour des cibles volant à très basse altitude, ce qui apporte une amélioration significative de la couverture globale dans la mesure où la détection à basse altitude est l'une des limitations des radars classiques. The function of the system according to the invention thus consists mainly in locally providing a source of illumination so as to overcome the propagation losses experienced by conventional radars when they are facing large fields of wind turbines deployed in their area. blanket. It thus advantageously makes it possible to ensure the continuity of the detection, even for targets flying at very low altitude, which brings a significant improvement in the overall coverage since the detection at low altitude is one of the limitations of the radar. classics.
Le dispositif selon l'invention trouve son application aussi bien dans le cadre de champs d'éoliennes installés à terre que dans le cadre de champs d'éoliennes off-shore. Dans ce dernier cadre, sa mise en oeuvre permet d'assurer la détection des cibles de surface évoluant dans le voisinage ou à l'intérieur du champ d'éoliennes et donc d'apporter soit une fonctionnalité nouvelle dans le cas où aucune surveillance n'était préalablement assurée par des radars côtiers, soit une fonctionnalité additionnelle permettant de pallier les difficultés qui seraient rencontrés par des radars côtiers déjà installés. The device according to the invention finds its application both in the field of wind turbines installed on land and in the field of off-shore wind farms. In this last framework, its implementation makes it possible to ensure the detection of the surface targets evolving in the vicinity or inside the field of wind turbines and thus to bring a new functionality in the case where no monitoring was previously provided by coastal radars, an additional feature to overcome the difficulties that would be encountered by coastal radars already installed.
Dans la suite de la description on présente de manière plus détaillée deux configurations possibles suivant lesquelles le système selon l'invention peut être mis en oeuvre. Ces deux configurations possibles sont décrites à titre d'exemples non limitatifs de mise en oeuvre. Les figures 3 à 5, illustrent une première configuration possible du système selon l'invention, présentée ici au titre d'exemple non limitatif. Dans cette première configuration, le système selon l'invention est constitué de radars monostatiques élémentaires, de très courte portée, indépendants, placés à l'arrière des nacelles de certaines des éoliennes du champ considéré comme illustré par la figure 3. Dans cette configuration chaque radar élémentaire est équipé d'une antenne 31, directive, installée à l'arrière de la nacelle 32 de l'éolienne sur laquelle il est placé. Cette antenne est par exemple constituée de dipôles verticaux 33 disposés sur la paroi de la nacelle et alignés horizontalement, de manière à obtenir le gain et la directivité en azimut voulus. Une telle configuration permet à chaque radar élémentaire de réaliser la couverture d'une zone située à l'arrière de l'éolienne sur laquelle il est placé. La figure 4 illustre les performances de couverture obtenues pour un système conforme à cette première configuration, pris comme exemple. Chacun des radars constituant le système considéré présente les caractéristiques suivantes: - la bande de fréquence de fonctionnement est la bande L; - l'antenne directionnelle équipant chaque radar est constituée de huit dipôles dont un seul dipôle est utilisé pour l'émission; - les moyens de réception sont configurés pour réaliser un traitement de type FFC (Formation de Faisceau par le Calcul) du signal reçu; - les moyens d'émission sont configurés pour émettre des impulsions de 0.2 s, d'une puissance crête de l'ordre de 10 Watts, avec une période de répétition moyenne de 15 s. La bande spectrale instantanée occupée par le signal émis est de 2.5 MHz.35 Les illustrations 4-b et 4-d représentent l'allure en coupe 42, 44 du diagramme de couverture en distance obtenu avec un radar présentant les caractéristiques énoncées précédemment. Le diagramme de couverture correspond ici à une probabilité de détection égale à 0,9 d'un objet présentant une surface équivalente radar de l'ordre de 1 m2, un drone de petite taille, ou "UAV", par exemple. Les plans de coupe correspondent respectivement au plan vertical 41 présenté sur l'illustration 4-a et au plan horizontal 42 présenté sur l'illustration 4-c. La représentation 4-b permet de constater que le domaine de détection de chaque radar composant le système s'étend sur une distance de l'ordre de 900m, ce qui permet d'assurer la détection au moins dans l'espace séparant l'éolienne portant le radar des éoliennes voisines, depuis le sol (ou la surface de l'eau dans le cas d'un champ d'éoliennes "off-shore" jusqu'à une altitude de l'ordre de 500m. In the following description is presented in more detail two possible configurations according to which the system according to the invention can be implemented. These two possible configurations are described by way of nonlimiting examples of implementation. Figures 3 to 5 illustrate a first possible configuration of the system according to the invention, presented here by way of non-limiting example. In this first configuration, the system according to the invention consists of elementary monostatic radars, of very short range, independent, placed at the rear of the nacelles of some of the wind turbines of the field considered as illustrated by FIG. 3. In this configuration each elementary radar is equipped with an antenna 31, directive, installed at the rear of the nacelle 32 of the wind turbine on which it is placed. This antenna is for example constituted by vertical dipoles 33 arranged on the wall of the nacelle and aligned horizontally, so as to obtain the desired azimuth gain and directivity. Such a configuration allows each elementary radar to cover a zone located at the rear of the wind turbine on which it is placed. FIG. 4 illustrates the coverage performance obtained for a system conforming to this first configuration, taken as an example. Each of the radars constituting the considered system has the following characteristics: the operating frequency band is the band L; the directional antenna fitted to each radar consists of eight dipoles of which only one dipole is used for transmission; the reception means are configured to perform a FFC type processing (Beam Formation by Calculation) of the received signal; the transmission means are configured to emit pulses of 0.2 s, with a peak power of the order of 10 Watts, with an average repetition period of 15 s. The instantaneous spectral band occupied by the transmitted signal is 2.5 MHz. The illustrations 4-b and 4-d represent the sectional appearance 42, 44 of the distance coverage diagram obtained with a radar having the characteristics set out above. The coverage diagram here corresponds to a probability of detection equal to 0.9 of an object having a radar equivalent area of the order of 1 m2, a small UAV, or "UAV", for example. The section planes correspond respectively to the vertical plane 41 shown in Figure 4-a and the horizontal plane 42 shown in Figure 4-c. The 4-b representation shows that the detection range of each radar component of the system extends over a distance of the order of 900m, which makes it possible to ensure detection at least in the space separating the wind turbine. carrying the radar of neighboring wind turbines, from the ground (or the surface of the water in the case of a field of wind turbines "off-shore" up to an altitude of about 500m.
La représentation 4-d permet quant à elle de visualiser la forme et les dimensions du domaine de détection de chaque radar composant le système, pour une altitude de 200 m qui correspond à l'altitude pour laquelle un objet volant évolue à proximité des extrémités des pales des éoliennes. The 4-d representation allows to visualize the shape and the dimensions of the detection range of each radar component of the system, for an altitude of 200 m which corresponds to the altitude for which a flying object moves near the extremities of blades of wind turbines.
La figure 5 illustre de manière schématique, pour un système constitué de radars monostatiques élémentaires présentant les caractéristiques décrites précédemment, un exemple de répartition des radars constituant le système permettant de réaliser une couverture complète du champ d'éoliennes. Sur la figure sont représentés, pour une orientation donnée des éoliennes 12, les diagrammes de couverture 51 des différents radars, pour une probabilité de détection instantanée égale à 0,9. Sur la figure, l'orientation des éoliennes est matérialisée par la flèche 52 la direction du vent étant supposée constante sur toute la zone du champ d'éoliennes. FIG. 5 schematically illustrates, for a system consisting of elementary monostatic radars having the characteristics described above, an example of distribution of the radars constituting the system making it possible to achieve complete coverage of the wind turbine field. The figure shows, for a given orientation of the wind turbines 12, the coverage diagrams 51 of the different radars, for an instantaneous detection probability equal to 0.9. In the figure, the orientation of the wind turbines is materialized by the arrow 52 the wind direction being assumed constant over the entire area of the wind turbine field.
L'illustration de la figure 5 permet de constater que la totalité de la zone du champ d'éoliennes peut être avantageusement couverte au moyen d'un système de détection additionnel de sorte que la détection (et le suivi) de toute cible présente dans le champ d'éoliennes ou dans son voisinage est avantageusement assurée. Elle permet également de constater qu'une telle performance est assurée au moyen d'un système comportant un nombre d'éléments, de radars monostatiques élémentaires ici, égal à environ la moitié du nombre des éoliennes 12 présentes dans le champ. Autrement dit, à condition de choisir judicieusement les éoliennes à équiper, la mise en place d'un système selon l'invention, dans la configuration décrite dans cet exemple, nécessite seulement d'équiper la moitié des éoliennes constituant le champ d'éoliennes considéré. The illustration of FIG. 5 shows that the entire area of the wind turbine field can be advantageously covered by means of an additional detection system so that the detection (and monitoring) of any target present in the wind turbine field or in its vicinity is advantageously provided. It also shows that such performance is ensured by means of a system comprising a number of elements, elementary monostatic radars here, equal to about half the number of wind turbines 12 present in the field. In other words, provided that the wind turbines to be equipped are properly chosen, the installation of a system according to the invention, in the configuration described in this example, only requires equipping half of the wind turbines constituting the wind turbine field considered .
Il est à noter que d'autres configurations apparentées, à celle illustrée par l'exemple précédent, sont, bien entendu, envisageables. Par exemple on peut obtenir une couverture double (avant/arrière) en installant non seulement une antenne à l'arrière de la nacelle, comme décrit précédemment mais aussi une autre antenne placée dans le cône du rotor. Dans ce cas on peut avantageusement équiper deux fois moins d'éoliennes, chacune portant cependant non plus un, mais deux radars, l'un couvrant la direction au vent, et l'autre couvrant la direction sous le vent. It should be noted that other configurations related to that illustrated by the previous example, are, of course, conceivable. For example one can obtain a double coverage (front / rear) by installing not only an antenna at the rear of the nacelle, as described above but also another antenna placed in the cone of the rotor. In this case we can advantageously equip two times less wind turbines, each carrying however not one, but two radars, one covering the windward direction, and the other covering the direction downwind.
Les figures 6 à 8, illustrent une deuxième configuration possible du système selon l'invention, présentée également au titre d'exemple non limitatif. Figures 6 to 8 illustrate a second possible configuration of the system according to the invention, also presented by way of non-limiting example.
Dans cette deuxième configuration, le système selon l'invention est constitué de radars monostatiques élémentaires, de courte portée, indépendants, équipés d'antennes omnidirectionnelles. Chaque radar est ici monté au sommet du mât supportant la nacelle, à quelques mètres au-dessous de la nacelle par exemple, et est équipé d'une antenne omnidirectionnelle constitué, comme illustré par la figure 6, d'éléments rayonnants 61 disposés sur le pourtour du mât 62 supportant la nacelle. Selon cette configuration chaque élément rayonnant 61 de l'antenne équipant un radar émet et reçoit un signal distinct, une fréquence particulière ou bien un code de compression d'impulsion particulier par exemple. Dans une version simple l'antenne ne reçoit que le signal qu'elle émet, tandis que dans une version plus sophistiquée elle est configurée pour pouvoir capter l'ensemble des fréquences émises. In this second configuration, the system according to the invention consists of elementary monostatic radars, short range, independent, equipped with omnidirectional antennas. Each radar is here mounted at the top of the mast supporting the nacelle, a few meters below the nacelle for example, and is equipped with an omnidirectional antenna consisting, as shown in FIG. 6, of radiating elements 61 arranged on the around the mast 62 supporting the nacelle. According to this configuration, each radiating element 61 of the antenna equipping a radar transmits and receives a distinct signal, a particular frequency or a particular pulse compression code for example. In a simple version, the antenna receives only the signal it transmits, while in a more sophisticated version it is configured to capture all the frequencies transmitted.
La figure 7 illustre les performances de couverture obtenues avec une 35 telle configuration, pour un système pris comme exemple, constitué de radars monosatiques présentant les caractéristiques suivantes: - la bande de fréquence de fonctionnement est la bande L; - l'antenne omnidirectionnelle équipant chaque radar est constituée de quatre dipôles disposés autour du mât, à 90° les uns des autres; - les moyens d'émission sont configurés pour émettre simultanément 4 impulsions de 0.2 lus, d'une puissance crête de l'ordre de 10 Watts chacune, avec une période de répétition moyenne de 15 s. La bande spectrale instantanée occupée par le signal émis est de 2.5 MHz. FIG. 7 illustrates the coverage performance obtained with such a configuration, for a system taken as an example, of monosatic radars having the following characteristics: the operating frequency band is the L band; the omnidirectional antenna equipping each radar consists of four dipoles arranged around the mast, at 90 ° from each other; - The transmission means are configured to simultaneously transmit 4 pulses of 0.2 read, a peak power of the order of 10 Watts each, with an average repetition period of 15 s. The instantaneous spectral band occupied by the transmitted signal is 2.5 MHz.
Comme pour l'exemple de configuration précédent, les illustrations 7-b et 7-d représentent l'allure en coupe 72, 74 du diagramme de couverture en distance obtenu avec un radar présentant les caractéristiques énoncées précédemment. Le diagramme de couverture correspond ici, également, à une probabilité de détection égale à 0,9 d'un objet présentant une surface équivalente radar de l'ordre de 1 m2, un drone de petite taille, ou "UAV", par exemple. Les plans de coupe correspondent respectivement au plan vertical 71 présenté sur l'illustration 7-a et au plan horizontal 73 présenté sur l'illustration 7-c. As for the previous configuration example, the illustrations 7-b and 7-d represent the sectional shape 72, 74 of the distance coverage diagram obtained with a radar having the characteristics set out above. The coverage diagram also corresponds here to a probability of detection equal to 0.9 of an object having a radar equivalent area of the order of 1 m 2, a small UAV, or "UAV", for example. The sectional planes correspond respectively to the vertical plane 71 shown in Figure 7-a and the horizontal plane 73 shown in Figure 7-c.
La représentation 7-b permet de constater que le domaine de détection de chaque radar composant le système s'étend sur une distance de l'ordre de 500m tout autour du mât 62 de l'éolienne, ce qui permet d'assurer la détection au moins dans l'espace séparant l'éolienne portant le radar des éoliennes voisines, depuis le sol (ou la surface de l'eau dans le cas d'un champ d'éoliennes "off-shore") jusqu'à une altitude de l'ordre de 400m. La représentation 7-d permet quant à elle de visualiser la forme et les dimensions du domaine de détection de chaque radar composant le système, pour une altitude de 200 m qui correspond à l'altitude pour laquelle un objet volant évolue à proximité des extrémités des pales des éoliennes. The representation 7-b shows that the detection area of each radar component of the system extends over a distance of the order of 500m all around the mast 62 of the wind turbine, which allows to ensure the detection at less in the space separating the wind turbine carrying the radar from neighboring wind turbines, from the ground (or the surface of the water in the case of an "off-shore" wind turbine field) to an altitude of order of 400m. The representation 7-d makes it possible to visualize the shape and the dimensions of the detection range of each radar component of the system, for an altitude of 200 m which corresponds to the altitude for which a flying object moves near the ends of the blades of wind turbines.
On constate sur cette représentation la présence d'une zone de non- détection qui correspond à la zone où la vitesse radiale de la cible est nulle et dans laquelle l'objet considéré présente donc une vitesse Doppler nulle. Cependant, comme il est par ailleurs nécessaire de supprimer les échos fixes sur un tel radar, les cibles à vitesse Doppler nulle sont également supprimées. This representation shows the presence of a zone of non-detection which corresponds to the zone where the radial velocity of the target is zero and in which the object under consideration therefore has zero Doppler velocity. However, since it is also necessary to suppress the fixed echoes on such a radar, zero Doppler velocity targets are also suppressed.
L'illustration de la figure 8 permet quant à elle de présenter un exemple de déploiement du système selon l'invention dans la deuxième configuration décrite, permettant de couvrir la totalité de la zone du champ d'éoliennes pour une configuration semblable à celle décrite précédemment et illustrée par la figure 6. De la sorte, la détection (et le suivi) de toute cible présente dans le champ d'éoliennes ou dans son voisinage est avantageusement assurée. L'illustration de la figure 8 permet également de constater qu'une telle performance est assurée au moyen d'un système comportant un nombre d'éléments, de radars monostatiques élémentaires ici, encore plus réduit que dans le cas de la première configuration décrite, un nombre voisin du tiers du nombre des éoliennes 12 présentes dans le champ. The illustration of FIG. 8 makes it possible to present an exemplary deployment of the system according to the invention in the second configuration described, making it possible to cover the entire area of the wind turbine field for a configuration similar to that previously described. and illustrated in Figure 6. In this way, the detection (and monitoring) of any target present in the wind turbine field or in its vicinity is advantageously provided. The illustration of FIG. 8 also makes it possible to observe that such a performance is ensured by means of a system comprising a number of elements, of elementary monostatic radars, here even smaller than in the case of the first configuration described, a number close to one third of the number of wind turbines 12 present in the field.
Quelle que soit la configuration adoptée, les moyens de réception constituant le système radar selon l'invention, les récepteurs de radars dans les deux configurations exposées précédemment, doivent être munis de deux fonctions spécifiques, destinées à traiter les particularités liées à la proximité des pales de l'éolienne porteuse et des éoliennes voisines. La première fonction est destinée à compenser les déformations du diagramme d'antenne provoquées par le déplacement des pales de l'éolienne porteuse. La perturbation créée par une pale d'éolienne vis à vis des moyens de réception positionnés sur cette même pale peut être comparée à celle occasionnée par un cylindre métallique de 1 m de diamètre et située à une dizaine de mètres d'un radar en bande L comportant une antenne de petite dimension comparée à la taille du cylindre. Cette perturbation se traduit, dans le cas d'un radar monostatique, par une chute de l'ordre de 12 dB du rapport signal à bruit. Cette chute se traduit finalement par une diminution par deux de la portée pour les cibles situées dans l'ombre géométrique de la pale, ainsi que par l'existence de phénomènes complexes d'interférences entre l'onde incidente émise par les moyens d'émission et les ondes réfléchies par la pale. Dans la mesure où les pales tournent, les effets de ce phénomène 35 varient en outre périodiquement dans l'espace et dans le temps. II y a donc 12 lieu de compenser cet effet par toute méthode adaptée connue. Il est par exemple possible d'utiliser les informations sur la position des pales de l'éolienne dont peut par ailleurs disposer le radar monté sur l'éolienne considérée et d'appliquer un traitement a posteriori sur les plots radars produits par les moyens d'extraction du radar considéré. La seconde fonction est destinée à lutter contre les échos parasites pouvant être constitués par la réflexion du signal émis par un radar élémentaire sur les pales des autres éoliennes et en particulier des éoliennes voisines de celle sur laquelle il est placé. Cette seconde fonction peut être par exemple assurée par un filtrage cohérent du signal vidéo produit par les moyens de réception du radar, ce filtrage permettant de supprimer d'une part les échos fixes, parmi lesquels on trouve les échos correspondant à la réflexion sur les parties fixes des éoliennes voisines, et d'autre part les échos mobiles provoqués par la réflexion sur les parties mobiles (pales) des éoliennes voisines. Un tel filtrage peut être réalisé par la mise en oeuvre de tout procédé connu, le procédé objet de la demande de brevet français N° 0807211 déposé le 18/12/2008 par la demanderesse par exemple. Whatever the configuration adopted, the reception means constituting the radar system according to the invention, the radar receivers in the two configurations described above, must be provided with two specific functions, intended to address the particularities related to the proximity of the blades. the wind turbine and nearby wind turbines. The first function is intended to compensate for the deformation of the antenna pattern caused by the displacement of the blades of the wind turbine. The disturbance created by a wind turbine blade with respect to receiving means positioned on the same blade can be compared to that caused by a metal cylinder 1 m in diameter and located about ten meters from an L-band radar. having a small antenna compared to the size of the cylinder. This disturbance is reflected, in the case of a monostatic radar, by a drop of about 12 dB of the signal-to-noise ratio. This fall finally results in a reduction by two of the range for the targets located in the geometrical shadow of the blade, as well as the existence of complex phenomena of interference between the incident wave emitted by the emission means and the waves reflected by the blade. As the blades rotate, the effects of this phenomenon also vary periodically in space and time. It is therefore necessary to compensate for this effect by any known adapted method. It is for example possible to use the information on the position of the blades of the wind turbine which can also have the radar mounted on the wind turbine in question and to apply a posteriori treatment on the radar spots produced by the means of extraction of the radar considered. The second function is intended to fight against clutter that may be constituted by the reflection of the signal emitted by an elementary radar on the blades of other wind turbines and in particular wind turbines close to that on which it is placed. This second function can for example be provided by a coherent filtering of the video signal produced by the radar reception means, this filtering making it possible to suppress on the one hand the fixed echoes, among which are the echoes corresponding to the reflection on the parts. fixed neighboring wind turbines, and secondly mobile echoes caused by reflection on the moving parts (blades) of neighboring wind turbines. Such a filtering can be achieved by the implementation of any known method, the method that is the subject of the French patent application No. 0807211 filed on 18/12/2008 by the Applicant, for example.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0903461A FR2948194A1 (en) | 2009-07-15 | 2009-07-15 | Complementary radar system for detection of targets moving in e.g. wind mill field, has sector of monitored zone part covered by system by considering positions of wind mills, power and radiation diagram of elements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0903461A FR2948194A1 (en) | 2009-07-15 | 2009-07-15 | Complementary radar system for detection of targets moving in e.g. wind mill field, has sector of monitored zone part covered by system by considering positions of wind mills, power and radiation diagram of elements |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2948194A1 true FR2948194A1 (en) | 2011-01-21 |
Family
ID=41800496
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR0903461A Pending FR2948194A1 (en) | 2009-07-15 | 2009-07-15 | Complementary radar system for detection of targets moving in e.g. wind mill field, has sector of monitored zone part covered by system by considering positions of wind mills, power and radiation diagram of elements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2948194A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20110260907A1 (en) * | 2008-12-16 | 2011-10-27 | Henri-Pierre Roche | Method for detecting a bird or a flying object |
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-
2009
- 2009-07-15 FR FR0903461A patent/FR2948194A1/en active Pending
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