海上風電場作用下的導航雷達電磁波散射場強計算研究*

劉克中 王偉強 許曉琴 辛旭日 楊 星 馬 杰

(武漢理工大學航運學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學內河航運技術湖北省重點實驗室2) 武漢 430063) (武漢理工大學現代教育技術中心3) 武漢 430062)

0 引 言

近年來，全球海上風電場發展迅速，截至2017年底，世界海上風電場的總裝機容量已達18 814 MW，較2016年增長30.8%，裝機容量最大的兩個國家分別為英國(6 963.2 MW)和德國(5 427.2 MW)[1].我國政府也高度重視國內的海上風電發展，2008年“上海東海大橋100 MW海上風電示范項目”獲得國家發展和改革委員會批準，標志著我國及亞洲第一個海上風電項目落地實施[2].截至2017年底，我國海上風電場總裝機容量已達到2 788 MW，僅次于英國、德國，居世界第三位.

海上風電場的建設將改變附近水域的船舶通航環境，增加附近通航船舶的航行風險；此外,密集布設的風電機組也將對導航雷達等設施的正常探測性能產生影響[3].研究顯示，海上風電場對于雷達性能的影響主要體現在輻射、反射和遮擋三個方面[4]，其中電磁輻射將增加雷達的背景噪聲，風機反射產生的強回波將降低雷達對小目標的觀測靈敏度，風機組遮擋將造成雷達探測性能的衰減.因此，研究海上風電場對導航雷達性能的影響形式具有重要的理論和現實意義.劉克中等[5]通過結合雷達性能參數及雷達繞射原理對風機有效反射寬度及物標與風機最小分辨距離等探測性能影響進行了研究；楊守峰[6]分別就海上風機電磁回波、扇葉衰減及遮擋區域三個因素對雷達探測性能的影響程度進行了量化評估；Danoon[7]等對船舶穿越風電場時，風機電磁回波與雷達監測閾值的影響關系進行了研究；文獻[3]通過電磁仿真建模定量分析了雷達天線輻射場在穿越海上風電場后，其分布特征受風電場的影響程度.但以上研究均側重對風電場影響下的雷達觀測性能進行分析研究，而針對風機輻射電磁波的定量化、系統化計算分析方法等理論性研究相對缺乏.

基于以上分析，本文對風機輻射影響下雷達電磁波散射場強的計算問題進行研究，并提出了一種海上風電場作用下的雷達電磁波散射場強計算方法.以某海上風電場為研究實例，仿真計算其周圍電磁場強分布特征，結合風電場雷達回波實測情況對仿真結果進行驗證分析，并針對性提出降低風電場建設對雷達探測性能影響的相關建議和措施.

1 模型構建

風機輻射對雷達觀測性能產生影響的主要原因為風機的金屬結構在導航雷達電磁波的輻射下會產生極化電流，并形成新的散射場,影響原有的電磁環境[8]，從而降低雷達的靈敏度和工作性能.風機對雷達電磁波的極化包含垂直極化(s波段)與水平極化(x波段)兩種方式，計算海上風電場作用下的雷達電磁波散射場強需要對以上兩種極化方式分別構建模型進行研究.

1.1 單一風機影響模型的建立

圖1 垂直極化時的坐標關系圖

圖2 水平極化時的坐標關系圖

雷達發射的電磁波在空氣中的傳播滿足以下波動方程[9]：

(1)

由于岸基VTS雷達與風機之間距離較遠，可以認為傳播到風機處的電磁波為平面波，其諧和解為ej(ω t-K·r)，省略ejω t因子，剩余部分滿足以下的亥姆霍茲方程[10]：

·E+k2E=0

(2)

1.1.1波長10 cm導航雷達垂直極化分析

取坐標圖1.ρ為觀測點的距離；φ為相對X軸(X軸可以取任何方向如北方向)的方位角；a為風機塔筒的半徑；Z軸垂直向上，電場E與Z軸同方向；K為電磁波的傳播方向，稱為波矢量.

其中x,y,ρ,φ,z,k分別為對應方向上的單位矢量，λ=10 cm.由雷達發射機發射的電磁波相對風機塔筒稱為入射波，表示為

Ei=E0e-jkxz=E0e-jkρcosφz

(3)

式中：k=2π/λ=2π/0.1，E0根據導航雷達的發射機功率確定，e-jkρcosφ滿足：

(5)

1.1.2波長3 cm導航雷達水平極化分析

(6)

參考10 cm導航雷達垂直極化分析過程可得導航雷達水平極化情況下的總場核算公式為

(7)

1.2 風機群陣因子

假定某海上風電場，風機布設行間距為910 m，列間距為520 m.風電場列間陣因子是由于不同列兩塔筒與岸基VTS間存在夾角，相鄰塔筒在被固定角速度的VTS雷達天線(nA=20/分，ωA=120°/s)掃描過程中會引起位相差；行間陣因子是由于不同行塔筒與岸基VTS雷達間距不同，相鄰行間在電磁波傳播過程中會引起位相差.經分析列間位相差約為5 μs，而行間位相差約為0.1 μs，故暫時不考慮行間陣因子的影響，該處僅考慮風電場第一行塔筒列間陣因子的作用.計算過程為

第一行圓柱塔筒陣因子Fa可表示為

(9)

2 實例研究

某風力發電場，其岸基VTS雷達為X波段，頻率為9 375 MHz，波長λ≈3 cm，功率為50 kW，電磁波極化方式為水平極化.岸基VTS雷達距風電場約35 km，塔筒直徑為5 m，風機列間距為520 m，首行布設風機17臺，考慮極化情況下的風機散射電場場強計算過程為

(10)

圖3為不同測試距離單個風機塔筒散射場的幅值；圖4為考慮所有17個風機塔筒后散射場的幅值分布；圖5為單個風機塔筒散射場的幅角分布情況.

圖3 圓柱塔筒散射場的幅值圖

圖4 ρ=50時17個風機塔筒散射場的幅值圖

圖5 散射場的幅角圖

為進一步觀察風電場是否會對雷達的實際觀測產生影響，使用雷達模擬器對某海上風電場對于VTS雷達站的探測性能影響進行模擬.在模擬器上輸入雷達站和風電場的各項基本參數，然后通過雷達模擬器分析風機在雷達回波上的顯示情況，觀測結果見圖6.此外，該風電場在某地雷達站的真實回波觀測結果見圖7.

圖6 VTS雷達模擬器模擬仿真圖像

圖7 某港雷達站真實觀測圖

結合仿真實驗結果和風電場雷達回波實際觀測情況表明，風電場內各臺風機塔筒極化所產生的散射場存在較明顯的方向性，但在其他方向上的影響較為微弱.

3 結 論

1) 單個風機塔筒散射場幅值呈瓣壯分布，且隨著測試點與塔筒距離的增加，柱面波幅值均勻減小，但場強幅值分布形狀保持不變.

2) 當考慮風電場多臺風機共同作用時，散射場強度的幅值具有較為明顯的方向性，最大散射方向的波瓣寬度約10°左右.

3) 在海上風電場建設時，應充分考慮雷達電磁波散射場的分布特征及風機塔筒布設方案，盡量避免電磁波主散射方向對導航雷達正常使用所產生的影響.