風力發電場對空管監視設備的影響與應對

摘 要：順著風力發電技術的快速發展和實施，我國風力發電裝機容量已超過歐洲各國和美國，成為世界第一，但同時其對空管監視設備的影響卻逐漸浮現，針對這方面的影響展開研究，尋求減少影響甚至消除影響的方法對航空安全十分重要。文章通過資料收集，原理分析和現場調研，針對風力發電場給民航監視設備造成影響的原因進行了深入探討和歸類總結，并根據造成影響的原因，參考國外的處理方法，提出了減少影響的參考方案，對提高空管監視設備的有效服務，保障民航空管的安全運行具有重要意義。

關鍵詞：風力發電場；空管監視設備；雷達信號處理；自適應雜波濾波器

引言

中新網2008年2月4日綜合報道，英國國防部明確反對能源部提出的風力發電站修建計劃，稱英國沿海風力發電機組的旋轉渦輪，已經嚴重影響到了空軍雷達的正常工作，使得英國的防空能力出現極大的漏洞。

美國《軍事與宇航技術》2009年11月報道，風力渦輪發電機是美國為了減少對燃料的需求一種重要手段之一，然而這些巨大的多葉片結構對國家雷達系統對敵飛機和惡劣天氣探測造成了極大地影響。風電場在雷達屏幕上對雷達雜波造成了巨大的阻礙，這些雜波隱瞞對友方和敵方飛機的軍事空中監視和也干擾了民用的空中交通管制，同時使對潛在的毀滅性暴風等天氣的探測和告警變得更為復雜。

近年來隨著我國經濟的高速發展，對能源的需求也正與日俱增，風能作為綠色能源而備受關注，國內多個風能充裕地區都建起了風力發電場，然而這些風力發電場多建于高處或海邊沿線，這對我國空管監視設備也造成了一些影響，也為將來空管監視設備的布點增加了困難。

因此通過風力發電場對空管監視設備的影響進行研究，從而減少干擾，為空管空中監視提供準確有效的信息，為將來空中監視設備規劃提供科學依據都將具有十分重要的意義。

1 我國監視設備的組成與發展政策

2010年，中國民航運輸總周轉量已居世界第二位，我國已成為名副其實的民航大國。隨著經濟、科技及安全高速運輸的需求的快速增長，我國民航事業將向民航強國進軍。高速發展的民航事業要求有更高效率的空中交通管制保障，雙重甚至多重雷達覆蓋已在多條繁忙航路上應用。雷達已成為民航高效運輸不可或缺的有力保障。

而目前我國民航應用于空中交通管理的監視技術主要有空管一次監視雷達（PSR）、空管二次監視雷達（SSR）、自動相關監視（ADS）和多點定位（MLAT）及場面監視雷達等。按照監視技術的工作原理，國際民航組織（ICAO）將監視技術分為獨立非協同式監視、獨立協同式監視和非獨立協同式監視[1]。

我國民航空管行業在中南地區現擁有各種型號的航管雷達共30多部，它們分布在各個關鍵區域，有效覆蓋了主要航路和航線，隨著經濟持續高速發展，航班量不斷增長和飛行密度相應增大，管制員對航管雷達的依賴性也與日俱增，這樣對保障雷達目標信息的正常提出了越來越高的要求。

2010月11月2日，中國民航局頒發了《中國民航監視技術應用政策》（AC-115-TM-2010-01），該政策首次規定了我國民航監視技術應用的發展方向，明確指出了我國民航監視技術的總體策略，即基于中國民航運輸航空運行需求和監視技術發展現狀，可用于空中交通服務的監視技術主要有空管監視雷達、自動相關監視和多點定位，未來不排除使用新出現的監視技術。可見，在一段較長時期內，我國民航空管監視手段都將是以地基監視設備為主的雷達或類雷達監視設備，故其信號的可靠性和可用性仍然十分重要。

2 我國風力發電的現狀與發展

隨著能源與環境問題的日益突出，世界各國正在把更多目光投向可再生能源，其中風能因其自身優勢，作為可再生能源的重要類別，在地球上是最古老、最重要的能源之一，具有巨大蘊藏量、可再生、分布廣、無污染的特性，成為全球普遍歡迎的清潔能源，風力發電成為目前最具規?；_發條件和商業化發展前景的可再生能源發電方式。

我國是世界上風力資源占有率最高的國家，也是世界上最早利用風能的國家之一，據資料統計，我國10m高度層風能資源總量為3226GW，其中陸上可開采風能總量為253GW，加上海上風力資源，我國可利用風力資源近1000GW。如果風力資源開發率達到60%，僅風能發電一項就可支撐我國目前的全部電力需求。

中國的風電產業正在突飛猛進：2009年當年的裝機容量已超過歐洲各國，名列世界第二。2010年將新增1892.7萬kW，超越美國，成為世界第一。2011年裝機總量到達驚人的62364MW。在圖1中可以看出，中國風電正經歷一個跨越式發展。

中國的風電資源不僅豐富，而且分布基本均勻。東南沿海及其島嶼、青藏高原、西北、華北、新疆、內蒙古和東北部分地區都屬于風能儲藏量比較豐富的地區，而甘肅、山東、蘇北、皖北等地區也有相當大比例的風能資源可以有效利用，參見圖2。

經過連續多年的快速發展，目前我國風電產業不僅在規模上處于世界領先地位，在技術實力上也具備了趕超世界先進水平的基礎。未來，如果能繼續依托國內穩定的市場拉動，我國風電將引領全球行業發展[2]。

3 風力發電場對我國空管現有監視設備的影響與原因分析

隨著我國風力發電場的快速建設，風力發電機對我國也同樣在快速發展的空管監視設備的影響正在加大。經參考國內外資料及研究統計，風力發電場對空管監視設備的影響主要有以下幾個方面：

第一，風力發電機葉片對雷達可造成反射干擾。目前我國風力發電機的葉片多用玻璃鋼或其它復合材料（如碳纖維）來制造，雖然這些材料不是電磁波的良好反射體，但對于高靈敏度的航管一次和二次雷達來說（航管一次雷達靈敏度為-90～-100dBm，航管二次雷達靈敏度為-85dBm），都足以引起反射干擾，且有些大型風力發電機葉片尺寸非常巨大，如1500kW風機葉片長度一般在35-40米左右，不同廠家型號，長度略有不同。假設雷達對目標的入射波功率通量為Pf，其度量單位為W/m2，目標的雷達有效截面積為σ，而從目標反射回雷達的總功率為Pre，則有：Pre=Pf*σ

考慮發射鏈和天線等的損耗Lt及天線增益G，則反射回雷達的功率通量：

從上式可知35-40m的葉面在一定距離內對S波段的一次雷達航管雷達來說，其反射的功率可以超過雷達的信號錄取門限，從而對雷達造成干擾。同樣通過反射航管二次雷達的詢問信號或飛機的應答信號，風力發電機的葉面也會對航管二次雷達產生同步串擾。

另外，風力發電機的支撐鐵塔就更是航管雷達的“優良”反射體，鐵塔是支承風輪、尾舵和發電機的構架。它一般修建得比較高，為的是獲得較大的和較均勻的風力，又要有足夠的強度。鐵塔高度視地面障礙物對風速影響的情況，以及風輪的直徑大小而定，一般在6-20米范圍內，其圓柱形的結構同樣適用雷達截面反射公式，只是金屬材質使其雷達等效截面積所反射的能量更大。

可見，若航管雷達離風力發電場較近，風力發電機的槳葉和支撐鐵塔都會對雷達造成反射，從而出現假目標干擾。

第二，風力發電場對航管雷達還存在著多普勒效應的干擾。這也是風力發電機造成射頻反射干擾影響問題的顯著代表。我們知道航管一次雷達對動目標的監測主要是通過識別運動目標相對雷達運動所產生的脈沖回波多普勒頻移來實現的。而旋轉的風力發電機渦輪葉片能產生相同的多普勒回波頻率偏移。因此，航管一次雷達將自動把風力渦輪機識別成真正的飛機。這可能導致許多錯誤的航跡產生，從而在空中交通管制席位上顯示錯誤的目標報告[3]。

圖3給出了風力渦輪機多普勒頻移特性圖[4]，從圖上我們不難發現這時間軸上，其產生的多普勒頻移都很有規律，這樣，對航管一次雷達來說，自適應濾波器提取的頻移目標信號在每個接收周期內都能穩定收到，雷達錄取器的動目標檢測將把該信號作為真實的目標進行輸出，從而在空中交通管制席位上將顯示錯誤的飛行物報告。

第三，風力發電場對航管一次雷達還會造成距離旁瓣效應的影響。目前航管一次雷達多使用脈沖壓縮技術，脈沖壓縮雷達能有效地解決常規脈沖雷達中增大探測距離與提高距離分辨率的矛盾。但脈沖壓縮雷達同時也存在著旁瓣抑制難度大的缺點。因為在信號產生和處理過程中的任何失真，都將增大旁瓣高度。在多目標環境中，脈沖壓縮信號的旁瓣會埋沒附近較小目標的主信號，引起目標丟失。為了提高分辨多目標的能力，必須采用旁瓣抑制或簡稱加權技術。對于線性調頻信號，考慮到信號波形和頻譜的關系與天線激勵和遠場的關系具有本質上的共性，人們應用天線設計中的旁瓣抑制理論，提出多爾夫一切比雪夫函數作為最佳加權函數。但是這種理想的加權函數是難以實現的。我們只能在旁瓣抑制、主瓣加寬、信噪比損失、旁瓣衰減速度以及技術實現難易等幾方面折衷考慮[5]。

風力發電渦輪機的巨大葉面和支撐塔都是很好的反射面，離雷達一定距離內，其反射的強回波將會被航管一次雷達旁瓣所接收，這將引起采用脈沖壓縮技術的雷達出現無法抑制的旁瓣接收，從而出現假目標。

第四，風力發電場對航管雷達還存在著遮擋的影響。我們知道為獲得較大的風力，這些風力發電場多建于高山高處或海邊沿線，而航管雷達為獲得較好的陸上或海面覆蓋也多建于高山或沿海地區，若雷達距離風力發電場較近，且處于相近的水平面上，則風力發電機的巨大葉面和支撐鐵塔將對雷達形成遮擋。

4 應對風力發電場干擾影響的方法探討

通過研究與分析，我們基本了解了風力發電場對航管雷達造成干擾的主要因素，為有效減少，甚至消除干擾提供了研究的方向。我認為減少乃至消除干擾應從兩個方向入手，即從雷達應用與改進方向入手和從風力發電場的建設與改進入手。

從雷達應用與改進方面，經研究和參考國外案例，我認為有以下方法：

（1）若是現有航管監視設備受到風力發電場的干擾，而在干擾區域內沒有我們所需要監視的航路、航線和飛行區域，則可通過在航管監視設備上設置該區域的靜默區來抑制干擾信號的接收與輸出?，F我國民航所使用的一次雷達、二次雷達、ADS-B及多點定位系統都具有該項功能，也是我國民航相關行業技術標準中所規定必須具備的功能之一。但這一方法的先決條件是對該區域無需監視，且對將來的發展應用存在不利因素，故不是一個真正的解決方案。

（2）通過研究應用新技術提高航管監視設備的監測性能，減少風力發電機渦輪葉片對航管監視設備的影響。目前世界各國的雷達研究生產機構都投入了大量人力物力進行研究，并取得了一定的進展。

a.通過處理來自多個接收波束的數據來提高檢測概率。例如，在傳統的一次雷達設計中，雷達信號處理就使用高、低波束的轉換來進行近距離和遠距離信號的接收，這樣有利于地面雜波抑制。雷聲公司已經證明，通過在雷達全作用距離上對兩個波束接收信號的處理，并優化組合兩個數據流信息可以實現性能的顯著提升，尤其是在高地物回波區域[3]。

b.開展當地雷達雜波環境下的實時特性的研究。首先利用一次雷達不斷動態產生新的空間雜波地圖。這張雷達回波地圖反映了在一定范圍內的任何距離方位單元上的靜止物體，利用當時的雜波水平在一個給定的區域建立檢測閾值，當檢測閾值被突破，則意味著一個高可能性的目標正位于該給定區域內。雷神公司通過升級和擴展該技術，不僅從靜物的雜波中，而且從移動物體的雜波中（如風力渦輪機葉片）檢測到了目標。這主要是在風力發電場中設立多個檢測單元，并配置其動態的檢測門限，從而大大降低了渦輪葉片造成的假目標檢測，提高了動目標的檢測概率。

c.通過計算設置更好的檢測閾值從而提高目標的檢測概率。其中的部分計算是在一個距離方位單元中估算一個檢測閾值。該檢測閥值不僅包含此單元最近的雜波水平（如上面提到的），而且還包含該單元附近區域實時噪聲和雜波水平。這估算的檢測閾值主要應用于風力渦輪機所在的距離方位單元中，從渦輪返回的信號將把檢測閾值偏置為一個較高的水平。這樣將降低雷達在風機附近區域的靈敏度，從而減少假目標的產生，但同時也將失去在這些區域中小目標的識別能力。然而這與靜默該區域的技術不同的是，雷達仍能檢測較強的回波信號，即仍能檢測出較大的飛行目標。

d.另外還可通過雷達的后端處理對干擾進行的緩解。從廣泛的強雜波背景下的小目標跟蹤經驗以及對海上超視距的探測應用，雷聲公司開發了一套復雜的目標跟蹤軟件，使其成為針對風力干擾的最后一道防線?；诂F場的實時雷達目標檢測和關于雷達環境的信息應用，目標跟蹤系統在高雜波和高風輪機的活動區域仍能智能地進行目標識別，并能通過修改處理算法來最大可能地保持真正的目標和抑制假目標。例如有一套一次雷達比較接近于風力發電機，這可能導致一次雷達的需要更多的信息（例如后續的雷達掃描所提供的信息）以輸出一個有效的目標，或縮小這一目標回波檢測窗。目標跟蹤系統還能為每個跟蹤目標同時保持其目標特性的多個模型（如位置、速度等），并根據誤差的測量，結合對這些模型的輸出結果的統計，以最優方式來產生一個更準確的目標輸出。這種通過估計目標的位置和速度從而判斷目標的真實性的方法比傳統的跟蹤算法在減弱風力發電機的干擾方面具有更好的效果。

（3）為避免風力發電場的影響，在航管監視設備的安裝布點上也可采取一些必要的措施。根據2014年民航局發布的《MH/T 4003.2-2014民用航空通信導航監視臺（站）設置場地規范 第1部分：監視》中的4.2.5條就有相關規定——“在空管近程一次監視雷達的通視范圍內不應有大型旋轉反射物體，如風力渦輪發電機等?！倍鴮展苓h程一次監視雷達在5.2.5條中也有相同的規定。在6.2.6條中對二次雷達也作出了相關規定——“在空管二次監視雷達16千米范圍內不宜有大型旋轉反射物體，如風力渦輪發電機等”。這一規定是從降低和避免風力發電場對雷達等監視設備所造成的影響出發，通過增加雷達與風力發電場的距離來達到目的的，為日后新增雷達的場地選址提出了規定和依據。

（4）隨著新技術的不斷開發和應用，航管監視設備也邁入了一個新的時代，一些專門針對降低或消除風力發電場干擾的技術正應用于航管監視設備中。故對已有監視設備進行升級，使其具有降低或消除風力發電場干擾的能力將是一項可行的方案。同時選用具有降低或消除風力發電場干擾能力的新型的監視設備，安裝于距離風力發電場較近但又為了滿足覆蓋要求的地方也將是一個可行的方案。目前世界一些國家正在研究新的雷達技術，其中包括使用更短的詢問脈沖寬度，更高的脈沖重復頻率，本振相干技術以及多接收波瓣等。從上面的分析我們可知道這些都是減少或消除風力發電渦輪干擾的有效方法。例如丹麥的TERMA雷達公司就生產了一款X波段的一次雷達。其通過使用以上的技術就成功地在一個風力發電場中識別出了穿梭飛行的測試直升機?？梢娒窈娇赏ㄟ^使用一些新的監視技術或設備也能減少或消除風力發電渦輪干擾。

另外，通過對風力發電機加以改進也能減少或消除其對民航航管監視設備的干擾。

目前，世界上一些國家正在開展新型風力發電機的研究，其中包括了渦輪葉片的改進，英國奎奈蒂克（QinetiQ）公司和丹麥風力渦輪機制造商維斯塔斯花費了5年時間，聯手研發了一種“隱形渦輪機”。該渦輪機表面涂有能夠吸收雷達電磁波的涂層，該產品的誕生讓許多因“雷達干擾”問題被擱置的風力發電廠重獲新生，同時也為民航監視設備的正常運行提供的保障。

如前所述，還有的公司正用對雷達電磁波反射較低的碳纖維來制作風力發電機的渦輪葉片，從而降低對民航監視設備的影響。

另外，關于風力發電機的支撐鐵塔也可通過對雷達方向的特殊賦形來減少其對雷達的發射干擾。

同樣，為不干擾民航監視設備的正常運行，新建風力發電場與民航監視設備間保持一段有效距離也是一個可行的降低干擾的方法。

5 進一步深入研究的意義

目前，風力發電作為新能源正被廣泛應用與發展，而國際上對其干擾民航監視設備的運行也開展了廣泛的研究。我國一方面風力發電的裝機容量也已是世界第一，而另一方面民航的年運輸量也但世界第二位，可見風力發電對民航監視設備的影響問題已提到了一個新的高度。但是，我國在如何減少甚至消除風力發電場對民航監視設備干擾的研究方面卻鳳毛麟角。因此繼續深入研究風力發電場對民航監視設備干擾的解決辦法也迫在眉睫，為了綠色能源的開發與發展，為了保障民航的安全運行，深入開展風力發電場對民航監視設備干擾解決辦法的研究意義重大。

參考文獻

[1]中國民航監視技術應用政策_AC-115-TM-2010-01[Z].

[2]中國風電發展現狀及前景[Z].

[3]Raytheon Company_ Technology Today-Air Traffic Control Wind Farm Interference Mitigation at Raytheon[Z].

[4]wind turbines and radar interaction[Z].

[5]脈沖壓縮及其旁瓣抑制技術研究[Z].

[6]wind farm and radar[Z].