海上風(fēng)電場對岸基雷達(dá)能效影響的回波仿真

馮澍

摘要：海上風(fēng)電場的大規(guī)模建設(shè)，減弱了岸基雷達(dá)的監(jiān)測能力;采用一致性繞射理論仿真了風(fēng)電場電磁回波，從電磁能量分布、衰減和遮擋等方面分析了雷達(dá)效能影響。仿真結(jié)果證明該風(fēng)電場影響中小船只的探測與跟蹤，對大型船只影響不大。

關(guān)鍵詞：能效影響;一致性繞射理論;電場強(qiáng)度;雷達(dá)威力

概述

海上風(fēng)電場建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)模和數(shù)量不斷增加，對岸基雷達(dá)地域電磁環(huán)境和探測能力產(chǎn)生影響，主要影響包括電磁輻射引起背景噪聲抬高、發(fā)電機(jī)組反射產(chǎn)生的真假回波和發(fā)電機(jī)組遮擋帶來探測性能衰減等[4-7]。因此需在風(fēng)電場規(guī)劃論證階段開展其岸基雷達(dá)的能效評估工作，本文主要通過一致性繞射理論，仿真計算觀通站雷達(dá)回波信號的幅度、相位變化。

一致性繞射理論（UTD）方法是一種較為高效的高頻方法，非常適用于處理平面和圓柱結(jié)構(gòu)形狀的物體[1-3]，因此這里采用UTD方法計算風(fēng)電機(jī)組的遮擋效應(yīng)。UTD較好地解決了電磁波在陰影邊界上的連續(xù)問題，在幾何光學(xué)陰影邊界過渡區(qū)有效，在陰影邊界過渡區(qū)以外，則自動轉(zhuǎn)化為幾何繞射理論（GTD）算式[1-4]。因?yàn)樾螤顝?fù)雜的物體可以看成是許多簡單幾何構(gòu)形的復(fù)合體，對每一個復(fù)雜構(gòu)形的各個局部分別引用己知的典型問題解，然后把各個局部對場的貢獻(xiàn)疊加起來，可求得復(fù)雜物體的輻射和散射特性。

1仿真計算方法

采用UTD方法計算分析風(fēng)電場遮擋對雷達(dá)輻射信號造成的的影響，利用散射疊加模型分析方法對回波信號仿真。

下圖為雷達(dá)照射風(fēng)電場遮擋海域的示意圖，當(dāng)風(fēng)電場不存在時，任意觀察點(diǎn)處的電場可以由自由空間電磁波的傳播規(guī)律直接計算得到[3，7]

當(dāng)電磁波的傳播路徑經(jīng)過風(fēng)電場時，由于發(fā)電機(jī)組的散射作用，在觀察平面的電磁場會發(fā)生相應(yīng)的變化，在雷達(dá)遠(yuǎn)場區(qū)域，可不考慮發(fā)電機(jī)組間的直接耦合，即一臺發(fā)電機(jī)組的電磁散射不受其它發(fā)電機(jī)組的影響。

在遠(yuǎn)場條件下，散射場的傳播也可近似為簡單的球面波衰減過程，于是此時觀察點(diǎn)處的電場可以表達(dá)為[3，7]

為雷達(dá)輻射的電磁波到達(dá)第k個發(fā)電機(jī)組位置處的電場

分別為雷達(dá)和第k個發(fā)電機(jī)組連線的方位角、俯仰角和距離;

分別為第k個發(fā)電機(jī)組和觀察點(diǎn)之間連線的方位角、俯仰角和距離;

代表發(fā)電機(jī)組針對入射方向?yàn)榈膯挝浑妶鰪?qiáng)度平面波在方向上產(chǎn)生的散射電場強(qiáng)度。

2 仿真分析

雷達(dá)參數(shù)：頻率5.5GHz，方位向主瓣寬度1.2°，俯仰向主瓣寬度2.8°，雷達(dá)工作模式：機(jī)掃（5轉(zhuǎn)/m），雷達(dá)信號帶寬5MHz

風(fēng)電場參數(shù)：風(fēng)電場與雷達(dá)距離15-20km，相對高度200米，風(fēng)機(jī)高度105米，風(fēng)機(jī)直徑（3-7米），風(fēng)機(jī)扇葉長度75米，扇葉轉(zhuǎn)速（5轉(zhuǎn)/m），扇葉平均磁導(dǎo)率4.5，電場風(fēng)機(jī)數(shù)55，風(fēng)機(jī)間距1900米*700米

在波束掃描過程中，電磁波經(jīng)過風(fēng)電場后，在不同指向角度情形下， 在雷達(dá)距離風(fēng)電場遠(yuǎn)端點(diǎn)3km處，即距離雷達(dá)天線 19km 處形成的輻射場方向圖如下圖2所示，在電場方位向范圍內(nèi)，輻射電場的大小存在起伏，其電場強(qiáng)度的最大起伏量大約為風(fēng)電場不存在情形下輻射電場強(qiáng)度的18%，但是水平波束寬度未見明顯影響。

在雷達(dá)距離風(fēng)電場遠(yuǎn)端點(diǎn)33.5km處，即距離雷達(dá)天線 49.5km 處輻射電場強(qiáng)度的起伏范圍大約為風(fēng)電場不存在情形下輻射電場強(qiáng)度的5%以內(nèi)，且水平波束寬度未見明顯影響。

在雷達(dá)距離風(fēng)電場遠(yuǎn)端點(diǎn)64km處，即距離雷達(dá)天線 80km 處，接近雷達(dá)視距范圍，整體的輻射場方向圖與風(fēng)電場不存在的情形基本無異，僅在最大增益方向有著微小的抖動。

在分別距離天線 19km 、49.5km和80km處，各取受風(fēng)電場方位影響的三個方位點(diǎn)，如下圖5所示，計算風(fēng)電場對目標(biāo)回波的衰減影響，結(jié)果見表1。

按電波傳播理論計算反射信號功率如下：

式中：Pr為反射信號功率，Pt為雷達(dá)發(fā)射機(jī)峰值功率，Gt為雷達(dá)發(fā)射天線增益，Gr為雷達(dá)接收天線增益，λ為雷達(dá)信號波長， σ為目標(biāo)有效散射截面積，（4π）3為常數(shù)，R為雷達(dá)與目標(biāo)的距離，L為雷達(dá)收發(fā)饋線通道損耗。

圖15選取各位置威力影響程度或同等威力下可探測的目標(biāo)RCS影響程度如下表所示。

在方位248.1504°，位置點(diǎn)4回波功率衰減稍大，其原因是存在多個方位鄰近的風(fēng)機(jī)，即風(fēng)機(jī)5（方位248.1163°，距離雷達(dá)11.0872km，距離位置點(diǎn)4約7.9km）和風(fēng)機(jī)36（方位248.4156°，距離雷達(dá)13.1882km，距離位置點(diǎn)4約5.8km）的部分遮擋，在方位261.8653°，位置點(diǎn)7雖然被風(fēng)機(jī)19（方位261.8653°，距離雷達(dá)天線11.0822km）遮擋，但由于位置點(diǎn)距離風(fēng)機(jī)稍遠(yuǎn)，其回波功率反而有所增強(qiáng)。

3結(jié)論

通過海上風(fēng)電場建設(shè)對岸基雷達(dá)的回波信號仿真，可以發(fā)現(xiàn)小規(guī)模的風(fēng)電場建設(shè)對觀通站雷達(dá)的能效影響不大，回波信號功率衰減大都在3dB以內(nèi)，對大型目標(biāo)（RCS 20m2）影響不大[5，8];對于小型目標(biāo)的探測能力受到一定影響，威力損失在20%左右;風(fēng)電場的建設(shè)規(guī)模是關(guān)鍵因素，風(fēng)電場的建社規(guī)模擴(kuò)大一倍，造成的能量衰減放大1.44倍，同時風(fēng)電場建設(shè)會造成大量虛假目標(biāo)的出現(xiàn)。

4參考文獻(xiàn)

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