利用信号特征的风电场对二次雷达影响评估

吴仁彪，付恒智，王晓亮，贾琼琼

（中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室，天津 300300）

一座风电场中通常包含十几台甚至几十台的风轮机，风轮机桅杆通常达几十米至100 m，叶片长度也在数十米。这些高大、金属材质的风轮机对航管二次雷达的信号而言是一种强散射体，在其周围形成复杂的多径环境可能导致雷达在这一区域性能下降[1]。这种情况可能会对飞机的飞行安全产生威胁。

近年来随着各国相继开始大规模开发风能资源，有关风电场对雷达的影响问题也受到越来越多的关注。荷兰科学应用研究组织TNO（Netherlands organization for applied scientific research）在2010国际雷达会议上报道了一套简单风电场影响评估方案[2]。英国民用航空管理局CAA（Civil Aviation Authority）也在2010年出版一份文件CAA 764[3]，综述了风电场对民航飞行安全可能产生的各种影响，并给出了一个以风轮机是否处于雷达可视范围内来判断风电场是否可能对航管雷达产生影响的简单方法。此外，欧洲民航组织在关于民航电子设备建筑限制区指南[4]中划定了二次雷达的建筑限制区并用风电场是否穿越二次雷达的建筑限制区作为影响评估标准。然而现有的评估模型和评估方法大多是定性评估，没有根据二次雷达信号的特点来详细分析风电场产生的影响和对影响进行评估。

首先基于二次雷达信号特征分别分析风电场对二次雷达询问信号与应答信号产生的影响，然后以风电场反射信号的时延为依据建立了评估影响的定量模型并以此为基础给出了划分风电场对应答信号影响区域，划分风电场对询问信号影响区域以及假目标影响区域的方法。最后基于DEM数据进行仿真实验验证了评估方法的有效性。

1 风电场对航管二次雷达的影响分析

与其他建筑物一样，风轮机也会反射二次雷达的信号。然而，由于风轮机中金属材质部件占很大比例，使其反射信号更强。又由于风轮机排列较为紧密，使其附近的多径环境更为复杂。这些都会使目前二次雷达所采取的抗多径干扰手段（如增益时间控制等）达不到原有的效果[3]。

按反射信号与直达信号之间的水平夹角不同可将影响分为两类：

1）反射信号与直达信号之间的水平夹角小于二次雷达主瓣宽度。风电场反射信号对应答信号（信号形式如图1所示）的影响包括：

图1 应答信号形式Fig.1 Response signal

a）多径窜扰 反射信号的F1脉冲出现在直达信号的F1脉冲后的14个间隔脉冲之一处。这样的反射信号可能改变应答编码的波形，从而改变飞机的识别码或高度码。

b）多径交错 反射信号的F1脉冲前沿出现在直达信号脉冲之间间隔但不与其重叠。此时，反射信号会被当成一个真实的应答信号。如果大量出现这种情况可能导致二次雷达处理器过载。

c）多径覆盖 反射信号与直达信号重叠从而改变了直达信号的波形，使地面接收机无法识别，致使译码失败造成航迹点丢失。

以上情况所对应的反射信号出现的位置如图2所示，时延如表1所示。

风电场对询问信号（信号形式如图3所示）的影响包括：

图2 反射信号位置与影响类型Fig.2 Reflected signal and effects

表1 多径信号的时延分类和引起的系统误差Tab.1 Multipath signal and system error

图3 询问信号形式（X决定询问模式）Fig.3 Request signal（X decided ask mode）

应答概率降低 根据《国家标准：空中交通管制机载应答机通用技术条件》[5]中的规定，机载应答机应答条件为：P1和P2脉冲间隔为2±0.15 μs。P2幅度低于P1幅度9 dB以上或无P2脉冲。当反射信号的时延在1.85～2.15 μs时，反射信号的P1脉冲就会被当做直达信号的P2脉冲。由于直达信号的P1脉冲的幅度不会超过反射信号的P1脉冲9 dB，故此次询问会被当做旁瓣询问而被抑制，即风电场反射信号降低了应答机的应答概率。

2）当发射信号与直达信号之间的水平夹角大于二次雷达主瓣宽度。

形成假目标 由于风轮机的反射会使询问信号被反射到不同的方向，尽管反射损耗将使信号衰减，但反射信号仍可能触发应答机发出应答信号，在该方向上的飞机会发出应答信号。这个应答信号会被二次雷达检测到，然后转换为飞机的一个点迹，这个点迹会出现在风轮机的方位上从而形成假目标。假目标出现在风轮机后方，距风轮机的距离与真实飞机距风轮机的距离相同。

2 影响评估方法

风轮机反射信号相对于直达信号在到达接收机的时间上有一定的时延，故在评估反射信号对二次雷达的影响时可以此作为标准。

时延标准：反射信号相对于直达信号的时延可由式（1）计算

其中：Drw表示风轮机与雷达之间的距离；Dwt表示飞机与风轮机之间的距离；Drt表示飞机与雷达之间的距离；c表示光速。

1）反射信号与直达信号之间的水平夹角小于二次雷达主瓣宽度。

a）对应答信号的影响评估

根据之前的分析，对于应答信号来说如果反射信号与直达信号有重叠，就有可能对地面接收机的译码产生影响。根据《国家标准：空中交通管制机载应答机通用技术条件》[5]中的规定，二次雷达应答信号的信号长度为 20.3 ± 0.1 μs，脉冲宽度为 0.45 ± 0.1 μs。据此得若使反射信号与直达信号不重叠，反射信号的时延应在 20.95 μs（20.3 μs+0.1 μs+0.45 μs+0.1 μs）以上。当风轮机和雷达的位置已知，计算目标位于空间某点处接收到的风轮机反射应答信号的时延Δt。若反射信号时延Δt在0～20.95 μs，则此目标位于风电场对应答信号的影响区域内。

利用待分析区域的DEM数据，计算DEM数据上每个网格点位置上的反射信号时延并标注Δt在0～20.95 μs的数据点就可以划分出风电场对应答信号的影响区域。

b）对询问信号的影响评估

根据对询问信号的影响分析，当Δt在1.85～2.15 μs时，反射信号会造成机载应答机应答概率较低。当风轮机和雷达的位置已知，计算目标位于空间某点处接收到的风轮机反射询问信号的时延Δt。若反射信号时延Δt在1.85～2.15 μs，则此目标位于风电场对询问信号的影响区域内。

利用待分析区域的DEM数据，计算DEM数据上每个网格点位置上的反射信号时延并标注Δt在1.85～2.15 μs的数据点就可以划分出风电场对询问信号的

2）反射信号与直达信号之间的水平夹角大于二次雷达主瓣宽度。当反射信号与直达信号之间的水平夹角大于二次雷达主瓣宽度时，飞机处于二次雷达的旁瓣范围之内。根据《国家标准：空中交通管制机载应答机通用技术条件》[5]中有关抑制时间的规定，只有当被反射的主瓣询问信号相对于直达的旁瓣询问信号的时延在35 μs以上并且被反射的主瓣询问信号的功率满足大于触发应答机应答的最小功率门限-77 dBm的条件时，被反射的主瓣询问信号才能触发应答机发出应答。

综上在判断某点是否会引发假目标的产生时，应以以下两点为标准：

a）被反射的主瓣询问信号相对于直达的旁瓣询问信号的时延是否在35 μs以上。时延Δt可通过式（1）计算。

b）应答机接收到的被反射的主瓣询问信号的功率是否大于最小功率门限-77 dBm，即Pr≥77 dBm。

根据雷达方程可推导出风轮机的接收功率为

则机载应答机接收到的风轮机反射信号功率为[6]

将式（2）代入式（3）中得

式中：Drw表示风轮机与雷达之间的距离；Dtw表示飞机与风轮机之间的距离；σ表示风轮机的RCS；Gw表示反射损耗；Gt表示雷达的发射增益；Gr表示机载应答机的接收增益；Pt表示雷达的发射功率；λ表示雷达波长。

当目标出现在空间中某一点时，若其接收到的风轮机反射信号满足以上两点，则目标有可能会在风电场方位上形成假目标。

如果利用待分析区域的DEM数据，将DEM数据上的每一个网格点都进行一次判断就可以划分出可能引发假目标产生的区域。根据之前的分析，假目标会出现在风轮机的后方且与真实目标距风轮机的距离相同，据此就可以划分出会出现假目标的区域。

3 仿真实验

场景设置：实验选取美国SRTM（shuttle radar to－pography mission）90 m网格DEM数据中一块20 km×20 km的区域作为待分析区域。在该地形场景中设置15台风轮机，并假设风轮机轮毂高70 m，叶片长40 m，风轮机的RCS为30 dBm2。在风电场东北方向设置一座二次雷达站（海拔313 m），假设二次雷达天线高度为20 m，主瓣宽度为2.75°，雷达波长为0.291 3 m，发射增益为27 dB，发射功率为2 000 W且假设电磁波的反射损耗为0 dB，机载应答机的接收增益为0 dB。具体15台风轮机的分布与二次雷达站的位置如图4（a）所示，各个风轮机所在位置的海拔高度如表2所示。经计算得风轮机分布在雷达方位201.55°～228.70°，距雷达5.1～8.1 km的范围内。

表2 风轮机所在位置的海拔高度Tab.2 Altitude of wind turbines

1）风电场对应答信号的影响区域

根据上述的评估方法，利用待分析区域的DEM数据，若该区域DEM数据的某个网格点上接收到的反射信号的时延Δt在0～20.95 μs，则此点处于风电场对应答信号的影响区域，即反射路径与直达路径的路程差在0～6.3 km。路程差范围较大，故对应答信号的影响区域应在风电场方位上的较大区域内。

仿真实验划分了3 000 m高度层上风电场对应答信号的影响区域，结果如图4（b）所示。可以看出其影响区域在雷达方位201.55°～228.70°的范围，距雷达2 km至作用距离的区域，影响区域较大。故应在处理真实风电场对二次雷达影响问题时，重点考虑对应答信号的影响。

2）风电场对询问信号的影响区域

根据上述评估方法，利用待分析区域的DEM数据，若该区域DEM数据的某个网格点上接收到的反射信号的时延Δt在1.85～2.15 μs，则此点处于风电场对询问信号的影响区域，即反射路径与直达路径的路程差在555～675 m。路程差范围相对较小，故对询问信号的影响区域应在风电场方位上的较小区域内。

仿真实验同样选取3 000 m高度层作为实验区域来划分对询问信号的影响区域，结果如图4（c）所示。可以看出影响区域是由一些小的分散区域组成，这些小的影响区域大致分布在雷达方位201.55°～228.70°，距雷达8～10 km的区域内。

图4 仿真实验结果Fig.4 Simulation results

3）风电场引起假目标的区域

风电场对二次雷达在产生假目标方面的影响区域如图4（d）所示，图中分别标注出了产生虚假目标的真实目标所在的区域和虚假目标出现的区域。从图中可以看出当飞机飞临二次雷达附近时，有可能在风电场相对于二次雷达的后方形成假目标。

4 结语

本文在分析风电场对二次雷达影响的基础上，利用风电场反射信号时延给出了一种评估风电场反射信号影响的定量评估方法。通过利用DEM数据进行仿真实验，验证了该方法的有效性。本文方法不仅可为拟建风电场选址与航管二次雷达选址提供重要依据，也可为降低已建风电场对其附近二次雷达的影响提供参考。

[1]THEIL A，VAN EWI JK L J.Radar Performance Degradation due to the Presence of Wind Turbines[C]//Radar Conference，2007 IEEEBoston，MA，USA，2007：75-80.

[2]THEIL A，SCHOULEN M W，DE JONG A.Radar and Wind Turbines：A guide to Acceptance Criteria[C]//Proceedings of the 2010 IEEE Radar Conference.Washington，2010：1355-1361.

[3]CAA Policy and Guidelines on Wind Turbines[EB/OL].（2010-05）[2010-12-07].http：//www.caa.co.uk/docs/33/cap764.pdf.

[4]European and North Atlantic（EUR/NAT）Office of ICAO.European Guidance Material on Managing Building Restricted Areas[Z].2th ed.ICAO EUR DOC 015，2009

[5]国家技术监督局.GB 12183-1990，空中交通管制机载应答机通用技术条件[S].1990.

[6]Guidelines on How to Assess the Potential Impact of Wind Turbines on Surveillance Sensors[EB/OL].[2012-09-13]http：//www.apere.org/manager/docnum/doc/doc1289_Guidelines.fiche117.pdf，2010-06-09/2012-09-16.