海上风电场对岸基雷达能效影响的回波仿真

冯澍

摘要：海上风电场的大规模建设，减弱了岸基雷达的监测能力;采用一致性绕射理论仿真了风电场电磁回波，从电磁能量分布、衰减和遮挡等方面分析了雷达效能影响。仿真结果证明该风电场影响中小船只的探测与跟踪，对大型船只影响不大。

关键词：能效影响;一致性绕射理论;电场强度;雷达威力

概述

海上风电场建设项目的规模和数量不断增加，对岸基雷达地域电磁环境和探测能力产生影响，主要影响包括电磁辐射引起背景噪声抬高、发电机组反射产生的真假回波和发电机组遮挡带来探测性能衰减等[4-7]。因此需在风电场规划论证阶段开展其岸基雷达的能效评估工作，本文主要通过一致性绕射理论，仿真计算观通站雷达回波信号的幅度、相位变化。

一致性绕射理论（UTD）方法是一种较为高效的高频方法，非常适用于处理平面和圆柱结构形状的物体[1-3]，因此这里采用UTD方法计算风电机组的遮挡效应。UTD较好地解决了电磁波在阴影边界上的连续问题，在几何光学阴影边界过渡区有效，在阴影边界过渡区以外，则自动转化为几何绕射理论（GTD）算式[1-4]。因为形状复杂的物体可以看成是许多简单几何构形的复合体，对每一个复杂构形的各个局部分别引用己知的典型问题解，然后把各个局部对场的贡献叠加起来，可求得复杂物体的辐射和散射特性。

1仿真计算方法

采用UTD方法计算分析风电场遮挡对雷达辐射信号造成的的影响，利用散射叠加模型分析方法对回波信号仿真。

下图为雷达照射风电场遮挡海域的示意图，当风电场不存在时，任意观察点处的电场可以由自由空间电磁波的传播规律直接计算得到[3，7]

当电磁波的传播路径经过风电场时，由于发电机组的散射作用，在观察平面的电磁场会发生相应的变化，在雷达远场区域，可不考虑发电机组间的直接耦合，即一台发电机组的电磁散射不受其它发电机组的影响。

在远场条件下，散射场的传播也可近似为简单的球面波衰减过程，于是此时观察点处的电场可以表达为[3，7]

为雷达辐射的电磁波到达第k个发电机组位置处的电场

分别为雷达和第k个发电机组连线的方位角、俯仰角和距离;

分别为第k个发电机组和观察点之间连线的方位角、俯仰角和距离;

代表发电机组针对入射方向为的单位电场强度平面波在方向上产生的散射电场强度。

2 仿真分析

雷达参数：频率5.5GHz，方位向主瓣宽度1.2°，俯仰向主瓣宽度2.8°，雷达工作模式：机扫（5转/m），雷达信号带宽5MHz

风电场参数：风电场与雷达距离15-20km，相对高度200米，风机高度105米，风机直径（3-7米），风机扇叶长度75米，扇叶转速（5转/m），扇叶平均磁导率4.5，电场风机数55，风机间距1900米*700米

在波束扫描过程中，电磁波经过风电场后，在不同指向角度情形下， 在雷达距离风电场远端点3km处，即距离雷达天线 19km 处形成的辐射场方向图如下图2所示，在电场方位向范围内，辐射电场的大小存在起伏，其电场强度的最大起伏量大约为风电场不存在情形下辐射电场强度的18%，但是水平波束宽度未见明显影响。

在雷达距离风电场远端点33.5km处，即距离雷达天线 49.5km 处辐射电场强度的起伏范围大约为风电场不存在情形下辐射电场强度的5%以内，且水平波束宽度未见明显影响。

在雷达距离风电场远端点64km处，即距离雷达天线 80km 处，接近雷达视距范围，整体的辐射场方向图与风电场不存在的情形基本无异，仅在最大增益方向有着微小的抖动。

在分别距离天线 19km 、49.5km和80km处，各取受风电场方位影响的三个方位点，如下图5所示，计算风电场对目标回波的衰减影响，结果见表1。

按电波传播理论计算反射信号功率如下：

式中：Pr为反射信号功率，Pt为雷达发射机峰值功率，Gt为雷达发射天线增益，Gr为雷达接收天线增益，λ为雷达信号波长， σ为目标有效散射截面积，（4π）3为常数，R为雷达与目标的距离，L为雷达收发馈线通道损耗。

图15选取各位置威力影响程度或同等威力下可探测的目标RCS影响程度如下表所示。

在方位248.1504°，位置点4回波功率衰减稍大，其原因是存在多个方位邻近的风机，即风机5（方位248.1163°，距离雷达11.0872km，距离位置点4约7.9km）和风机36（方位248.4156°，距离雷达13.1882km，距离位置点4约5.8km）的部分遮挡，在方位261.8653°，位置点7虽然被风机19（方位261.8653°，距离雷达天线11.0822km）遮挡，但由于位置点距离风机稍远，其回波功率反而有所增强。

3结论

通过海上风电场建设对岸基雷达的回波信号仿真，可以发现小规模的风电场建设对观通站雷达的能效影响不大，回波信号功率衰减大都在3dB以内，对大型目标（RCS 20m2）影响不大[5，8];对于小型目标的探测能力受到一定影响，威力损失在20%左右;風电场的建设规模是关键因素，风电场的建社规模扩大一倍，造成的能量衰减放大1.44倍，同时风电场建设会造成大量虚假目标的出现。

4参考文献

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