海上风电场对雷达性能的影响——绕射损耗

最近老师得到了一个课题“关于海上风电场对雷达性能影响的研究”，老师叫我完成一部分内容。

其中我主要研究了风电场对雷达性能影响的两个方面：

1.对电磁波的遮挡建模主要是建立风机障碍下绕射损耗模型，从而分析风机对雷达的影响程度。

2.针对风机的几何结构对风机回波进行建模，并对风轮机的雷达回波进行分析与仿真。

在本此博客中，我们对雷达波的绕射损耗进行建模和仿真。在这之前，我们先提一下课题的研究背景。

       在海上风电场飞速发展之际，风机作为一种海上大型障碍物，其对航海安全所带来的不利影响也逐渐引起人们的重视，特别是对航海雷达的影响更是引起了人们的关注。风电场中风机的分布比较集中，其对雷达信号的阻挡，会在不同程度上影响雷达的探测性能和范围，使得雷达的阴影区变大。而风机多次反射雷达信号，使得雷达的跟踪性能和雷达的方位分辨力下降。虽然多径效应在特定情况下能提高雷达的检测性能，但是同时雷达的其他一些参数估计精度会降低。风机对雷达的影响机理非常复杂，这对近海航运安全构成了一定的威胁。

       风电场对电磁波设备的影响主要有：风机发电过程中产生的电磁干扰，风机建筑结构对电磁波的反射和遮挡。由于风机发电过程中产生的电磁干扰为低频干扰，而雷达工作在高频段，因此这种电磁干扰对雷达的影响不大。具有移动目标探测功能的雷达，其原理是在两次或多次扫描中得到目标的位移，从而实现运动目标检测与跟踪，因此风机转动的叶片反射的电磁波会影响这种雷达探测风机附近目标。

1 绕射损耗模型

雷达工作的频段属于微波波段，其发射的雷达波在空间是沿直线匀速传播。如果雷达波传播过程中遇到障碍物，就会被反射。此时，障碍物会阻挡雷达波沿原来的方向继续传播，并在障碍物后形成不可探测的扇形阴影区域。由于被障碍物阻挡，雷达波在阴影区强度会迅速下降。然而，雷达波的绕射使一些在阴影区边缘具有较强反射能力的目标仍然能被探测到，另一些小目标则不再被检测到。在扇形阴影区域中不能被检测到目标的区域被称为雷达盲区。雷达波通过绕过障碍物，照射到障碍物后的目标的过程称为绕射。对于不同拓扑结构的障碍物，有刃峰绕射、圆顶峰绕射以及矩形屏蔽绕射等绕射模型。

由于在博客中输入公式比较繁琐，建模过程可以参考相关文献，或者参考我自己写的word文档，一下是文档链接：

https://download.youkuaiyun.com/download/John_zsz/86726110https://download.youkuaiyun.com/download/John_zsz/867261102 风机绕射模型仿真

桅杆、机舱和叶片是风电机的三个主要组成部分。由于叶片的尺寸相对较小，并且其材料一般为非金属，所以它对雷达波的干扰相对较小。因此，在计算风力发电机阻挡下雷达波的绕射损耗时，可以只将桅杆作为障碍物进行绕射计算。

对于厚度窄的障碍物，在计算绕射损耗时，一般使用刃形绕射模型；而对于厚度宽的障碍物，绕射损耗常采用圆顶峰绕射模型计算。在计算单部风机对雷达的遮挡影响时，不可能考虑风机桅杆复杂的结构，因此，需要对风机桅杆的形状进行简化处理。根据现有的海上风电机型号可知，单风机障碍物可以简化为圆柱体。对于刃形绕射模型和圆顶峰绕射模型，都要求障碍物在水平方向宽度为无限大，而风机形状与其要求差异较大，刃形绕射模型和圆顶峰绕射模型用于风电机绕射损耗计算有较大偏差。相比而言，矩形屏蔽绕射模型更适合风机绕射损耗的计算。单个矩形屏蔽的绕射损耗计算模型将矩形障碍物在其四边分别作刀刃形绕射处理。在矩形屏蔽的基础上，当其任意一个方向或几个方向无限延伸，便可得到新的计算模型。结合风机桅杆的形状，本文中将矩形屏蔽模型中接近海面的一个方向无限延伸，得到风力发电机绕射损耗计算的模型。风电场同样会对其周边的雷达站产生绕射损耗，影响雷达站对周边海域的通航监管，使得某些船舶不能被雷达站探测到，留下安全隐患，特别是在交通繁忙的港口和码头。

 图 1  λ = 0.1 ​​​​​ 

 图 2  λ = 0.3 ​​​​​  

图 1 和图 2 可以看出，风机对雷达的损耗随着目标离风机距离的增大而减小。对于不同波长的雷达，损耗的大小是不一样的，波长较长时，损耗相对较小。另外，当雷达离风机距离不同时，损耗变化速率是不一样的，雷达离风机距离越远，绕射损耗随着目标与风机距离的增大衰减较快。雷达离风机不同距离下，以及雷达和目标中有一个或两个的高度相对风机高度低很多时，两点模型中绕射损耗随着目标离风机距离增大单调减小，通过上述分析可知，近海风电场对岸基海事监管雷达存在一定影响，在粗略估算风电场绕射损耗时，可以使用两点模型进行计算，计算量可以减少三分之一。

 MATLAB 代码如下（这里主要参照了博客 “【雷达信号处理】风电场中电磁波绕射损耗计算（附MATLAB代码）__Karen_的博客-优快云博客” ）：

% 计算风电场-传播过程中的绕射损耗
% 使用有限宽度的屏障的模型 将屏障的顶端与两侧分别看成三个单刃峰模型
% 作者：张尺&Sangtro
% 参照：优快云博客（【雷达信号处理】风电场中电磁波绕射损耗计算（附MATLAB代码））
% 日期：2022.9.11

% -----------雷达和风机的属性----------- %
ae=8500e3;                      %地球等效半径
length_fengye=66;               %风叶长度
height_lungu=90;                %轮毂高度
width_wind_turbine=6;           %风电机宽度
Fc=9e9;                         %射频
c=3e8;                          %光速
lambda=0.3;                     %波长
height_radar=100;               %雷达高度
width_radar=5;                  %雷达天线宽度
d1=10000;                       %雷达与风电机距离
h=height_lungu+length_fengye/2; %风电机的等效高度
width_target=15;                %目标水平宽度
height_target=10;               %目标高度
d2=0:1e3:200e3;                 %目标与风电机的距离
 
syms x;
f=@(x) exp(1i*pi*x.^2/2);       %菲涅尔积分
m=1;
Jmin=zeros(1,length(d2));
for d2_1=0:1e3:200e3
    %计算风电机顶端的绕射损耗
    d1_1=sqrt(d1^2+h^2);
    d2_2=sqrt(d2_1^2+h^2);
    d=sqrt((height_target-height_radar).^2+(1+height_radar/ae)*(1+height_target/ae)*(d2_1+d1).^2);%Eq[4] in [1] 目标与雷达距离 考虑地球曲率的影响
    H=h-(height_target*d1_1+d2_2*height_radar)/d+d1_1*d2_2/2/ae;%Eq[8] in [1] 传播余隙
    r=sqrt(lambda*d1_1*d2_2/(d1_1+d2_2));%第一菲涅尔区半径
    v=H/r;
    F=integral(f,0,v);%数值积分 Eq[6] in [2]
    C=real(F);
    S=imag(F);
    J1=-20*log10(sqrt((1-C-S)^2+(C-S)^2)/2);%Eq[30] in [2] 风电机顶端的绕射损耗 
    
    %计算风电机两侧的绕射损耗
    H1=width_wind_turbine/2-((width_target/2)*d1_1+d2_2*(width_radar/2))/d;%Eq[8] in [1] 传播余隙 由于是水平宽度 不必考虑地球曲率
    v1=H1/r;
    F1=integral(f,0,v1);%数值积分 Eq[6] in [2]
    C1=real(F1);
    S1=imag(F1);
    J2=-20*log10(sqrt((1-C1-S1)^2+(C1-S1)^2)/2);%Eq[30] in [2] 风电机顶端的绕射损耗    
    
    j1=10^(J1/20);%损耗系数
    j2=10^(J2/20);%损耗系数
    j3=10^(J2/20);%损耗系数
    
    Jmin(m)=-20*log10(1/j1+1/j2+1/j3);
    m=m+1;
end
 
figure;
plot((d2+d1)/1e3,abs(Jmin));
xlabel('雷达与目标的距离/km');
ylabel('绕射损耗/dB');
title('风电场绕射损耗');
grid on;

参考文献：

[1] 近海风电场障碍下海事雷达图像模拟研究_王树武

[2] 海上风电场对岸基雷达的效能影响_杨守峰

[3] 风机对岸基雷达和船载雷达的影响测试

参考博客：

【雷达信号处理】风电场中电磁波绕射损耗计算（附MATLAB代码）__Karen_的博客-优快云博客

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