海上風電場對岸基雷達能效影響的回波仿真

馮澍

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

關鍵詞：能效影響;一致性繞射理論;電場強度;雷達威力

概述

海上風電場建設項目的規(guī)模和數量不斷增加，對岸基雷達地域電磁環(huán)境和探測能力產生影響，主要影響包括電磁輻射引起背景噪聲抬高、發(fā)電機組反射產生的真假回波和發(fā)電機組遮擋帶來探測性能衰減等[4-7]。因此需在風電場規(guī)劃論證階段開展其岸基雷達的能效評估工作，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構形狀的物體[1-3]，因此這里采用UTD方法計算風電機組的遮擋效應。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，則自動轉化為幾何繞射理論（GTD）算式[1-4]。因為形狀復雜的物體可以看成是許多簡單幾何構形的復合體，對每一個復雜構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疊加起來，可求得復雜物體的輻射和散射特性。

1仿真計算方法

采用UTD方法計算分析風電場遮擋對雷達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。

下圖為雷達照射風電場遮擋海域的示意圖，當風電場不存在時，任意觀察點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]

當電磁波的傳播路徑經過風電場時，由于發(fā)電機組的散射作用，在觀察平面的電磁場會發(fā)生相應的變化，在雷達遠場區(qū)域，可不考慮發(fā)電機組間的直接耦合，即一臺發(fā)電機組的電磁散射不受其它發(fā)電機組的影響。

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

為雷達輻射的電磁波到達第k個發(fā)電機組位置處的電場

分別為雷達和第k個發(fā)電機組連線的方位角、俯仰角和距離;

分別為第k個發(fā)電機組和觀察點之間連線的方位角、俯仰角和距離;

代表發(fā)電機組針對入射方向為的單位電場強度平面波在方向上產生的散射電場強度。

2 仿真分析

雷達參數：頻率5.5GHz，方位向主瓣寬度1.2°，俯仰向主瓣寬度2.8°，雷達工作模式：機掃（5轉/m），雷達信號帶寬5MHz

風電場參數：風電場與雷達距離15-20km，相對高度200米，風機高度105米，風機直徑（3-7米），風機扇葉長度75米，扇葉轉速（5轉/m），扇葉平均磁導率4.5，電場風機數55，風機間距1900米*700米

在波束掃描過程中，電磁波經過風電場后，在不同指向角度情形下， 在雷達距離風電場遠端點3km處，即距離雷達天線 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，輻射電場的大小存在起伏，其電場強度的最大起伏量大約為風電場不存在情形下輻射電場強度的18%，但是水平波束寬度未見明顯影響。

在雷達距離風電場遠端點33.5km處，即距離雷達天線 49.5km 處輻射電場強度的起伏范圍大約為風電場不存在情形下輻射電場強度的5%以內，且水平波束寬度未見明顯影響。

在雷達距離風電場遠端點64km處，即距離雷達天線 80km 處，接近雷達視距范圍，整體的輻射場方向圖與風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，各取受風電場方位影響的三個方位點，如下圖5所示，計算風電場對目標回波的衰減影響，結果見表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為雷達發(fā)射機峰值功率，Gt為雷達發(fā)射天線增益，Gr為雷達接收天線增益，λ為雷達信號波長， σ為目標有效散射截面積，（4π）3為常數，R為雷達與目標的距離，L為雷達收發(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RCS影響程度如下表所示。

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

3結論

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

4參考文獻

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