風(fēng)機(jī)繞射損耗估算方法及對(duì)電子系統(tǒng)影響的分析

張連迎+李川川

摘 要： 針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)電磁波產(chǎn)生的繞射效應(yīng)，提出風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞射估算適用有限寬度屏蔽的繞射損耗計(jì)算模型；通過(guò)刀刃形障礙物繞射損耗估算方法和有限寬度的屏蔽繞射損耗估算方法， 可以得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞射損耗估算值， 并據(jù)此進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算表明位于雷達(dá)覆蓋扇區(qū)內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞射損耗會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)漏警率和虛警率的提高。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)； 繞射； 損耗； 估算方法

中圖分類號(hào)： TN995?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）03?0035?03

Analysis of the estimation method of diffraction loss over windmill

and its influence to electronic system

ZHANG Lian?ying1， LI Chuan?chuan2

（1. The 22nd Research Institute， CETC， Qingdao 266107， China； 2. Air Force Military Representative Office Stationed in Jinan Region， Jinan 250000， China）

Abstract： Aiming at the diffraction effect of wind drive generator to electromagnetic wave， a calculation model of wind drive generator diffraction estimation is proposed， which is suitable for finite?width shielded diffraction loss calculation. The estimated value of wind drive generator diffraction loss is obtained through the loss estimation method of the Single knife?edge obstacle diffraction and finite?width shielded diffraction， and the simulating calculation is conducted. It is indicated that the wind drive generator in radar coverage sector can cause the improvement of false?detecting and leaking?detecting probability.

Keywords： wind drive generator； diffraction； loss； estimation method

0 引 言

近年來(lái)，由于石油、煤炭能傳統(tǒng)資源供應(yīng)的日益緊張以及利用可再生綠色能源呼聲的高漲，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展十分迅速。據(jù)估計(jì)，截至2007年底，全球風(fēng)電機(jī)組總裝機(jī)容量[1]已超過(guò)1 103 MW，并以每年58%的增長(zhǎng)率迅速擴(kuò)張[2]。我國(guó)的西北內(nèi)陸地區(qū)和東南沿海風(fēng)電資源充沛，陸上和海上風(fēng)電事業(yè)發(fā)展迅速。

但是大量風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)也帶來(lái)一些比較突出的問(wèn)題。比如海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)，對(duì)航海安全和對(duì)海探測(cè)雷達(dá)等都會(huì)產(chǎn)生重大影響。風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)會(huì)改變附近船舶的航海路線[3]；特別是由于海上風(fēng)電場(chǎng)分布比較集中，對(duì)于對(duì)海探測(cè)雷達(dá)而言，風(fēng)電場(chǎng)的產(chǎn)生的物標(biāo)散射、繞射等對(duì)雷達(dá)而言都是非常不利的因素。因此研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞射損耗估算方法對(duì)評(píng)估海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)雷達(dá)的影響具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞射損耗計(jì)算模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由支塔、葉片等組成。出于工程計(jì)算考慮，葉片尺寸和高度均比支塔較小，且葉片一般為非金屬的輕質(zhì)材料，其影響力要比支塔弱，因此在估算風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞射損耗時(shí)，將支塔作為主要的計(jì)算對(duì)象。

本文僅考慮單部風(fēng)機(jī)的影響，此時(shí)可將風(fēng)機(jī)看做孤立的障礙物。對(duì)于孤立的障礙物，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常將障礙物的形狀理想化[4]。一種情況是當(dāng)障礙物的厚度相對(duì)較窄時(shí)可假定為刀刃形障礙物；一種情況是當(dāng)障礙物的厚度相對(duì)較寬時(shí)可假定為平滑的物體，并在頂部可定義出曲率半徑，這種障礙物可假定為圓形障礙物[5]。

考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)支塔的幾何形狀，可以在縱向上將其看做一種刀刃形障礙物。然而理想的刀刃形障礙物其寬度是無(wú)限大的[6]，單純應(yīng)用刀刃形障礙物繞射損耗進(jìn)行計(jì)算會(huì)帶來(lái)很大的誤差。

ITU?R.P.526建議書中提出了有限寬度屏蔽的繞射損耗計(jì)算模型[7]。主要思想是將障礙物等效為三個(gè)孤立的刀刃形障礙物，也即屏蔽的頂部和兩側(cè)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)支塔的形狀與ITU?R.P.526建議書中對(duì)有限寬度的屏蔽的要求較為吻合，因此將有限寬度屏蔽的繞射損耗計(jì)算模型應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞射損耗估算方法的研究是合適的。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞射損耗估算方法

2.1 刀刃形障礙物繞射損耗估算方法

有限寬度的屏蔽將障礙物等效為三個(gè)孤立的刀刃形障礙物，因此應(yīng)首先計(jì)算這三個(gè)障礙物的繞射損耗。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，工程上常采用近似公式計(jì)算繞射損耗。刃形繞射損耗[Ld]的近似計(jì)算公式如下[8]：

[Ld=6-6.9HcH0，-1

式中：[Hc]代表路徑余隙（單位：m）；[H0]代表了自由空間余隙（單位：m）。

[Hc]可按下述公式計(jì)算：

[Hc=h1+（h2-h1）d1d-1 000d1d22Ka-hs] （2）

式（2）中各參數(shù)的定義如下：[h1]為發(fā)射天線與探測(cè)目標(biāo)的標(biāo)高較低者，[h2]發(fā)射天線與探測(cè)目標(biāo)的標(biāo)高較高者，兩者單位均為m；[d1]為標(biāo)高高的一端距風(fēng)機(jī)的距離（單位：km）；[d]為發(fā)射天線與探測(cè)目標(biāo)的距離（單位：km）；[d2=d-d1]（單位：km）；[a]為等效地球半徑（單位：km）；[K]為等效地球半徑系數(shù)，通常取[9]1.333；[hs]為障礙物標(biāo)高（單位：m）。

[H0]可按下述公式計(jì)算[10]：

[H0=18.26λd1d2d] （3）

式中：[λ]為波長(zhǎng)（單位：m）；其他參數(shù)含義同式（2）。

此處需要特別強(qiáng)調(diào)的是，式（2）用于屏蔽的頂部計(jì)算時(shí)，高度參數(shù)是各物體的垂直高程；對(duì)于屏蔽兩側(cè)的計(jì)算，可以認(rèn)為電波在一個(gè)水平面上傳播，因此此處所謂的高度應(yīng)是水平“高程”，也就是物體的寬度。

2.2 有限寬度的屏蔽繞射損耗估算方法

通過(guò)將有限寬度的人為屏蔽橫擋于電波傳播方向上，能夠在接收地點(diǎn)達(dá)到干擾抑制。此種場(chǎng)合，應(yīng)考慮存在三個(gè)刀刃形障礙物，也即屏蔽的頂部和兩側(cè)，計(jì)算三個(gè)刀刃形障礙物的繞射損耗。三個(gè)獨(dú)立的障礙物會(huì)同時(shí)產(chǎn)生建設(shè)性和破壞性的影響。

有限寬度的屏蔽繞射損耗估算步驟如下：

步驟1：應(yīng)用式（1）估算三個(gè)刀刃形障礙物的繞射損耗[L1]，[L2]，[L3]。

步驟2：將每個(gè)繞射損耗按式（4）轉(zhuǎn)化：

[Ji=10-0.1×Li] （4）

步驟3：計(jì)算綜合繞射損耗：

[L=-10lgi=13Ji] （5）

[L]即為由風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的繞射損耗估計(jì)值（單位：dB）。

3 仿真計(jì)算

3.1 典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)

為了增加研究的針對(duì)性，具體計(jì)算中以上海東海大橋100 MW海上風(fēng)電示范項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱上海風(fēng)電工程）作為算例進(jìn)行分析。

上海風(fēng)電工程是我國(guó)上海風(fēng)力發(fā)電的示范項(xiàng)目[11]，在東海大橋東側(cè)的上海市海域安裝34臺(tái)單機(jī)容量為3 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為102 MW，每臺(tái)風(fēng)機(jī)直徑均為5 m，高度為90 m，風(fēng)機(jī)按照東西方向距離為500 m，南北方向距離為1 000 m排列在東海大橋以東附近海域。

下述計(jì)算過(guò)程中均假設(shè)風(fēng)機(jī)支塔高度為90 m，直徑為5 m。

3.2 對(duì)不同距離目標(biāo)的影響

假設(shè)發(fā)射天線高度為100 m，天線水平寬度為10 m，距離某部風(fēng)力發(fā)電機(jī)約10 km；目標(biāo)高度為10 m，目標(biāo)寬度為20 m，計(jì)算時(shí)取目標(biāo)離風(fēng)力發(fā)電機(jī)的距離為10～110 km，步進(jìn)20 km；計(jì)算頻率取3 GHz。

利用上述風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞射損耗估算方法可得到風(fēng)機(jī)對(duì)不同距離上的目標(biāo)的繞射損耗。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)機(jī)對(duì)不同距離目標(biāo)影響的計(jì)算結(jié)果

[目標(biāo)離風(fēng)機(jī)距離 /km＼&繞射損耗 /dB＼&10＼&1.51＼&30＼&0.77＼&50＼&-0.04＼&70＼&-0.86＼&90＼&-1.69＼&110＼&-2.52＼&]

3.3 對(duì)不同高度目標(biāo)的影響

假設(shè)發(fā)射天線高度為100 m，天線水平寬度為10 m，距離某部風(fēng)力發(fā)電機(jī)約10 km；目標(biāo)高度在10～90 m變化，計(jì)算步進(jìn)20 m，目標(biāo)寬度為20 m，計(jì)算時(shí)取目標(biāo)離風(fēng)力發(fā)電機(jī)的距離為50 km；計(jì)算頻率取3 GHz。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)機(jī)對(duì)不同高度目標(biāo)影響的計(jì)算結(jié)果

[目標(biāo)高度 /m＼&繞射損耗 /dB＼&10＼&-0.04＼&30＼&-0.05＼&50＼&-0.06＼&70＼&-0.08＼&90＼&-0.15＼&]

3.4 仿真計(jì)算結(jié)果分析

從表1看來(lái)，風(fēng)機(jī)對(duì)不同距離上的目標(biāo)其影響是不一樣的，近距離的目標(biāo)上，風(fēng)機(jī)會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定的繞射損耗；但是在較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)上，反而出現(xiàn)了負(fù)損耗也即產(chǎn)生了一定的信號(hào)增益。

上述“負(fù)損耗”其實(shí)是一種障礙增益，一般在障礙物高出收發(fā)連線時(shí)出現(xiàn)。在一些極端條件下，障礙增益甚至可以達(dá)到幾十個(gè)dB[12]。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能有：通過(guò)頂部刀刃繞射的信號(hào)由于相當(dāng)于提高了發(fā)射天線高度，地面衰減隨之變小；通過(guò)頂部刀刃繞射的信號(hào)可以通過(guò)直射或地面反射到達(dá)目標(biāo)；通過(guò)兩側(cè)繞射也有兩路信號(hào)，在極端條件下會(huì)收到四條近于同相相加的信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)一定程度的增強(qiáng)。

表2在所有目標(biāo)高度上也出現(xiàn)了上述增益現(xiàn)象，并且目標(biāo)高度越高，增益稍強(qiáng)。

表2同時(shí)反映了風(fēng)機(jī)對(duì)低高度目標(biāo)影響較弱，相對(duì)的，發(fā)射天線高度越高，風(fēng)機(jī)對(duì)同一高度目標(biāo)影響也會(huì)較弱；這主要是因?yàn)槭瞻l(fā)高度提高之后，障礙物對(duì)第一菲涅爾區(qū)的遮擋效應(yīng)相應(yīng)減弱。

風(fēng)機(jī)可能會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減，可能會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)漏警；但同時(shí)絕對(duì)不能認(rèn)為上述“負(fù)損耗”現(xiàn)象是一種有益增益，因?yàn)檫@種增益很可能建立在多徑傳播基礎(chǔ)之上，回波信號(hào)在幅度增強(qiáng)的同時(shí)相位會(huì)發(fā)生畸變，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)而言，很可能會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)虛警誤報(bào)或計(jì)算目標(biāo)運(yùn)行速度時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重偏差。

4 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)電作為綠色可再生能源，隨著社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高會(huì)得到大量普及。但是上述計(jì)算表明，對(duì)于對(duì)海探測(cè)雷達(dá)而言，若風(fēng)電場(chǎng)在探測(cè)覆蓋區(qū)內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致漏警率或虛警率的提高。因此在建設(shè)風(fēng)電設(shè)施時(shí)必須對(duì)其對(duì)周邊電子系統(tǒng)的影響進(jìn)行充分的評(píng)估，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

參考文獻(xiàn)

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[Hc=h1+（h2-h1）d1d-1 000d1d22Ka-hs] （2）

式（2）中各參數(shù)的定義如下：[h1]為發(fā)射天線與探測(cè)目標(biāo)的標(biāo)高較低者，[h2]發(fā)射天線與探測(cè)目標(biāo)的標(biāo)高較高者，兩者單位均為m；[d1]為標(biāo)高高的一端距風(fēng)機(jī)的距離（單位：km）；[d]為發(fā)射天線與探測(cè)目標(biāo)的距離（單位：km）；[d2=d-d1]（單位：km）；[a]為等效地球半徑（單位：km）；[K]為等效地球半徑系數(shù)，通常取[9]1.333；[hs]為障礙物標(biāo)高（單位：m）。

[H0]可按下述公式計(jì)算[10]：

[H0=18.26λd1d2d] （3）

式中：[λ]為波長(zhǎng)（單位：m）；其他參數(shù)含義同式（2）。

此處需要特別強(qiáng)調(diào)的是，式（2）用于屏蔽的頂部計(jì)算時(shí)，高度參數(shù)是各物體的垂直高程；對(duì)于屏蔽兩側(cè)的計(jì)算，可以認(rèn)為電波在一個(gè)水平面上傳播，因此此處所謂的高度應(yīng)是水平“高程”，也就是物體的寬度。

2.2 有限寬度的屏蔽繞射損耗估算方法

通過(guò)將有限寬度的人為屏蔽橫擋于電波傳播方向上，能夠在接收地點(diǎn)達(dá)到干擾抑制。此種場(chǎng)合，應(yīng)考慮存在三個(gè)刀刃形障礙物，也即屏蔽的頂部和兩側(cè)，計(jì)算三個(gè)刀刃形障礙物的繞射損耗。三個(gè)獨(dú)立的障礙物會(huì)同時(shí)產(chǎn)生建設(shè)性和破壞性的影響。

有限寬度的屏蔽繞射損耗估算步驟如下：

步驟1：應(yīng)用式（1）估算三個(gè)刀刃形障礙物的繞射損耗[L1]，[L2]，[L3]。

步驟2：將每個(gè)繞射損耗按式（4）轉(zhuǎn)化：

[Ji=10-0.1×Li] （4）

步驟3：計(jì)算綜合繞射損耗：

[L=-10lgi=13Ji] （5）

[L]即為由風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的繞射損耗估計(jì)值（單位：dB）。

3 仿真計(jì)算

3.1 典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)

為了增加研究的針對(duì)性，具體計(jì)算中以上海東海大橋100 MW海上風(fēng)電示范項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱上海風(fēng)電工程）作為算例進(jìn)行分析。

上海風(fēng)電工程是我國(guó)上海風(fēng)力發(fā)電的示范項(xiàng)目[11]，在東海大橋東側(cè)的上海市海域安裝34臺(tái)單機(jī)容量為3 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為102 MW，每臺(tái)風(fēng)機(jī)直徑均為5 m，高度為90 m，風(fēng)機(jī)按照東西方向距離為500 m，南北方向距離為1 000 m排列在東海大橋以東附近海域。

下述計(jì)算過(guò)程中均假設(shè)風(fēng)機(jī)支塔高度為90 m，直徑為5 m。

3.2 對(duì)不同距離目標(biāo)的影響

假設(shè)發(fā)射天線高度為100 m，天線水平寬度為10 m，距離某部風(fēng)力發(fā)電機(jī)約10 km；目標(biāo)高度為10 m，目標(biāo)寬度為20 m，計(jì)算時(shí)取目標(biāo)離風(fēng)力發(fā)電機(jī)的距離為10～110 km，步進(jìn)20 km；計(jì)算頻率取3 GHz。

利用上述風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞射損耗估算方法可得到風(fēng)機(jī)對(duì)不同距離上的目標(biāo)的繞射損耗。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)機(jī)對(duì)不同距離目標(biāo)影響的計(jì)算結(jié)果

[目標(biāo)離風(fēng)機(jī)距離 /km＼&繞射損耗 /dB＼&10＼&1.51＼&30＼&0.77＼&50＼&-0.04＼&70＼&-0.86＼&90＼&-1.69＼&110＼&-2.52＼&]

3.3 對(duì)不同高度目標(biāo)的影響

假設(shè)發(fā)射天線高度為100 m，天線水平寬度為10 m，距離某部風(fēng)力發(fā)電機(jī)約10 km；目標(biāo)高度在10～90 m變化，計(jì)算步進(jìn)20 m，目標(biāo)寬度為20 m，計(jì)算時(shí)取目標(biāo)離風(fēng)力發(fā)電機(jī)的距離為50 km；計(jì)算頻率取3 GHz。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)機(jī)對(duì)不同高度目標(biāo)影響的計(jì)算結(jié)果

[目標(biāo)高度 /m＼&繞射損耗 /dB＼&10＼&-0.04＼&30＼&-0.05＼&50＼&-0.06＼&70＼&-0.08＼&90＼&-0.15＼&]

3.4 仿真計(jì)算結(jié)果分析

從表1看來(lái)，風(fēng)機(jī)對(duì)不同距離上的目標(biāo)其影響是不一樣的，近距離的目標(biāo)上，風(fēng)機(jī)會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定的繞射損耗；但是在較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)上，反而出現(xiàn)了負(fù)損耗也即產(chǎn)生了一定的信號(hào)增益。

上述“負(fù)損耗”其實(shí)是一種障礙增益，一般在障礙物高出收發(fā)連線時(shí)出現(xiàn)。在一些極端條件下，障礙增益甚至可以達(dá)到幾十個(gè)dB[12]。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能有：通過(guò)頂部刀刃繞射的信號(hào)由于相當(dāng)于提高了發(fā)射天線高度，地面衰減隨之變小；通過(guò)頂部刀刃繞射的信號(hào)可以通過(guò)直射或地面反射到達(dá)目標(biāo)；通過(guò)兩側(cè)繞射也有兩路信號(hào)，在極端條件下會(huì)收到四條近于同相相加的信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)一定程度的增強(qiáng)。

表2在所有目標(biāo)高度上也出現(xiàn)了上述增益現(xiàn)象，并且目標(biāo)高度越高，增益稍強(qiáng)。

表2同時(shí)反映了風(fēng)機(jī)對(duì)低高度目標(biāo)影響較弱，相對(duì)的，發(fā)射天線高度越高，風(fēng)機(jī)對(duì)同一高度目標(biāo)影響也會(huì)較弱；這主要是因?yàn)槭瞻l(fā)高度提高之后，障礙物對(duì)第一菲涅爾區(qū)的遮擋效應(yīng)相應(yīng)減弱。

風(fēng)機(jī)可能會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減，可能會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)漏警；但同時(shí)絕對(duì)不能認(rèn)為上述“負(fù)損耗”現(xiàn)象是一種有益增益，因?yàn)檫@種增益很可能建立在多徑傳播基礎(chǔ)之上，回波信號(hào)在幅度增強(qiáng)的同時(shí)相位會(huì)發(fā)生畸變，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)而言，很可能會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)虛警誤報(bào)或計(jì)算目標(biāo)運(yùn)行速度時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重偏差。

4 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)電作為綠色可再生能源，隨著社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高會(huì)得到大量普及。但是上述計(jì)算表明，對(duì)于對(duì)海探測(cè)雷達(dá)而言，若風(fēng)電場(chǎng)在探測(cè)覆蓋區(qū)內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致漏警率或虛警率的提高。因此在建設(shè)風(fēng)電設(shè)施時(shí)必須對(duì)其對(duì)周邊電子系統(tǒng)的影響進(jìn)行充分的評(píng)估，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

參考文獻(xiàn)

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[12] 熊皓.無(wú)線電波傳播[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.

[Hc=h1+（h2-h1）d1d-1 000d1d22Ka-hs] （2）

式（2）中各參數(shù)的定義如下：[h1]為發(fā)射天線與探測(cè)目標(biāo)的標(biāo)高較低者，[h2]發(fā)射天線與探測(cè)目標(biāo)的標(biāo)高較高者，兩者單位均為m；[d1]為標(biāo)高高的一端距風(fēng)機(jī)的距離（單位：km）；[d]為發(fā)射天線與探測(cè)目標(biāo)的距離（單位：km）；[d2=d-d1]（單位：km）；[a]為等效地球半徑（單位：km）；[K]為等效地球半徑系數(shù)，通常取[9]1.333；[hs]為障礙物標(biāo)高（單位：m）。

[H0]可按下述公式計(jì)算[10]：

[H0=18.26λd1d2d] （3）

式中：[λ]為波長(zhǎng)（單位：m）；其他參數(shù)含義同式（2）。

此處需要特別強(qiáng)調(diào)的是，式（2）用于屏蔽的頂部計(jì)算時(shí)，高度參數(shù)是各物體的垂直高程；對(duì)于屏蔽兩側(cè)的計(jì)算，可以認(rèn)為電波在一個(gè)水平面上傳播，因此此處所謂的高度應(yīng)是水平“高程”，也就是物體的寬度。

2.2 有限寬度的屏蔽繞射損耗估算方法

通過(guò)將有限寬度的人為屏蔽橫擋于電波傳播方向上，能夠在接收地點(diǎn)達(dá)到干擾抑制。此種場(chǎng)合，應(yīng)考慮存在三個(gè)刀刃形障礙物，也即屏蔽的頂部和兩側(cè)，計(jì)算三個(gè)刀刃形障礙物的繞射損耗。三個(gè)獨(dú)立的障礙物會(huì)同時(shí)產(chǎn)生建設(shè)性和破壞性的影響。

有限寬度的屏蔽繞射損耗估算步驟如下：

步驟1：應(yīng)用式（1）估算三個(gè)刀刃形障礙物的繞射損耗[L1]，[L2]，[L3]。

步驟2：將每個(gè)繞射損耗按式（4）轉(zhuǎn)化：

[Ji=10-0.1×Li] （4）

步驟3：計(jì)算綜合繞射損耗：

[L=-10lgi=13Ji] （5）

[L]即為由風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的繞射損耗估計(jì)值（單位：dB）。

3 仿真計(jì)算

3.1 典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)

為了增加研究的針對(duì)性，具體計(jì)算中以上海東海大橋100 MW海上風(fēng)電示范項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱上海風(fēng)電工程）作為算例進(jìn)行分析。

上海風(fēng)電工程是我國(guó)上海風(fēng)力發(fā)電的示范項(xiàng)目[11]，在東海大橋東側(cè)的上海市海域安裝34臺(tái)單機(jī)容量為3 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為102 MW，每臺(tái)風(fēng)機(jī)直徑均為5 m，高度為90 m，風(fēng)機(jī)按照東西方向距離為500 m，南北方向距離為1 000 m排列在東海大橋以東附近海域。

下述計(jì)算過(guò)程中均假設(shè)風(fēng)機(jī)支塔高度為90 m，直徑為5 m。

3.2 對(duì)不同距離目標(biāo)的影響

假設(shè)發(fā)射天線高度為100 m，天線水平寬度為10 m，距離某部風(fēng)力發(fā)電機(jī)約10 km；目標(biāo)高度為10 m，目標(biāo)寬度為20 m，計(jì)算時(shí)取目標(biāo)離風(fēng)力發(fā)電機(jī)的距離為10～110 km，步進(jìn)20 km；計(jì)算頻率取3 GHz。

利用上述風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞射損耗估算方法可得到風(fēng)機(jī)對(duì)不同距離上的目標(biāo)的繞射損耗。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)機(jī)對(duì)不同距離目標(biāo)影響的計(jì)算結(jié)果

[目標(biāo)離風(fēng)機(jī)距離 /km＼&繞射損耗 /dB＼&10＼&1.51＼&30＼&0.77＼&50＼&-0.04＼&70＼&-0.86＼&90＼&-1.69＼&110＼&-2.52＼&]

3.3 對(duì)不同高度目標(biāo)的影響

假設(shè)發(fā)射天線高度為100 m，天線水平寬度為10 m，距離某部風(fēng)力發(fā)電機(jī)約10 km；目標(biāo)高度在10～90 m變化，計(jì)算步進(jìn)20 m，目標(biāo)寬度為20 m，計(jì)算時(shí)取目標(biāo)離風(fēng)力發(fā)電機(jī)的距離為50 km；計(jì)算頻率取3 GHz。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)機(jī)對(duì)不同高度目標(biāo)影響的計(jì)算結(jié)果

[目標(biāo)高度 /m＼&繞射損耗 /dB＼&10＼&-0.04＼&30＼&-0.05＼&50＼&-0.06＼&70＼&-0.08＼&90＼&-0.15＼&]

3.4 仿真計(jì)算結(jié)果分析

從表1看來(lái)，風(fēng)機(jī)對(duì)不同距離上的目標(biāo)其影響是不一樣的，近距離的目標(biāo)上，風(fēng)機(jī)會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定的繞射損耗；但是在較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)上，反而出現(xiàn)了負(fù)損耗也即產(chǎn)生了一定的信號(hào)增益。

上述“負(fù)損耗”其實(shí)是一種障礙增益，一般在障礙物高出收發(fā)連線時(shí)出現(xiàn)。在一些極端條件下，障礙增益甚至可以達(dá)到幾十個(gè)dB[12]。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能有：通過(guò)頂部刀刃繞射的信號(hào)由于相當(dāng)于提高了發(fā)射天線高度，地面衰減隨之變小；通過(guò)頂部刀刃繞射的信號(hào)可以通過(guò)直射或地面反射到達(dá)目標(biāo)；通過(guò)兩側(cè)繞射也有兩路信號(hào)，在極端條件下會(huì)收到四條近于同相相加的信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)一定程度的增強(qiáng)。

表2在所有目標(biāo)高度上也出現(xiàn)了上述增益現(xiàn)象，并且目標(biāo)高度越高，增益稍強(qiáng)。

表2同時(shí)反映了風(fēng)機(jī)對(duì)低高度目標(biāo)影響較弱，相對(duì)的，發(fā)射天線高度越高，風(fēng)機(jī)對(duì)同一高度目標(biāo)影響也會(huì)較弱；這主要是因?yàn)槭瞻l(fā)高度提高之后，障礙物對(duì)第一菲涅爾區(qū)的遮擋效應(yīng)相應(yīng)減弱。

風(fēng)機(jī)可能會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減，可能會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)漏警；但同時(shí)絕對(duì)不能認(rèn)為上述“負(fù)損耗”現(xiàn)象是一種有益增益，因?yàn)檫@種增益很可能建立在多徑傳播基礎(chǔ)之上，回波信號(hào)在幅度增強(qiáng)的同時(shí)相位會(huì)發(fā)生畸變，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)而言，很可能會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)虛警誤報(bào)或計(jì)算目標(biāo)運(yùn)行速度時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重偏差。

4 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)電作為綠色可再生能源，隨著社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高會(huì)得到大量普及。但是上述計(jì)算表明，對(duì)于對(duì)海探測(cè)雷達(dá)而言，若風(fēng)電場(chǎng)在探測(cè)覆蓋區(qū)內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致漏警率或虛警率的提高。因此在建設(shè)風(fēng)電設(shè)施時(shí)必須對(duì)其對(duì)周邊電子系統(tǒng)的影響進(jìn)行充分的評(píng)估，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

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