海上风电场作用下的导航雷达电磁波散射场强计算研究*

2020-06-03刘克中王伟强许晓琴辛旭日

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2020年2期

刘克中王伟强许晓琴辛旭日杨星马杰

(武汉理工大学航运学院1) 武汉 430063) (武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室2) 武汉 430063) (武汉理工大学现代教育技术中心3) 武汉 430062)

0 引言

近年来，全球海上风电场发展迅速，截至2017年底，世界海上风电场的总装机容量已达18 814 MW，较2016年增长30.8%，装机容量最大的两个国家分别为英国(6 963.2 MW)和德国(5 427.2 MW)[1].我国政府也高度重视国内的海上风电发展，2008年“上海东海大桥100 MW海上风电示范项目”获得国家发展和改革委员会批准，标志着我国及亚洲第一个海上风电项目落地实施[2].截至2017年底，我国海上风电场总装机容量已达到2 788 MW，仅次于英国、德国，居世界第三位.

海上风电场的建设将改变附近水域的船舶通航环境，增加附近通航船舶的航行风险；此外,密集布设的风电机组也将对导航雷达等设施的正常探测性能产生影响[3].研究显示，海上风电场对于雷达性能的影响主要体现在辐射、反射和遮挡三个方面[4]，其中电磁辐射将增加雷达的背景噪声，风机反射产生的强回波将降低雷达对小目标的观测灵敏度，风机组遮挡将造成雷达探测性能的衰减.因此，研究海上风电场对导航雷达性能的影响形式具有重要的理论和现实意义.刘克中等[5]通过结合雷达性能参数及雷达绕射原理对风机有效反射宽度及物标与风机最小分辨距离等探测性能影响进行了研究；杨守峰[6]分别就海上风机电磁回波、扇叶衰减及遮挡区域三个因素对雷达探测性能的影响程度进行了量化评估；Danoon[7]等对船舶穿越风电场时，风机电磁回波与雷达监测阈值的影响关系进行了研究；文献[3]通过电磁仿真建模定量分析了雷达天线辐射场在穿越海上风电场后，其分布特征受风电场的影响程度.但以上研究均侧重对风电场影响下的雷达观测性能进行分析研究，而针对风机辐射电磁波的定量化、系统化计算分析方法等理论性研究相对缺乏.

基于以上分析，本文对风机辐射影响下雷达电磁波散射场强的计算问题进行研究，并提出了一种海上风电场作用下的雷达电磁波散射场强计算方法.以某海上风电场为研究实例，仿真计算其周围电磁场强分布特征，结合风电场雷达回波实测情况对仿真结果进行验证分析，并针对性提出降低风电场建设对雷达探测性能影响的相关建议和措施.

1 模型构建

风机辐射对雷达观测性能产生影响的主要原因为风机的金属结构在导航雷达电磁波的辐射下会产生极化电流，并形成新的散射场,影响原有的电磁环境[8]，从而降低雷达的灵敏度和工作性能.风机对雷达电磁波的极化包含垂直极化(s波段)与水平极化(x波段)两种方式，计算海上风电场作用下的雷达电磁波散射场强需要对以上两种极化方式分别构建模型进行研究.

1.1 单一风机影响模型的建立

图1 垂直极化时的坐标关系图

图2 水平极化时的坐标关系图

雷达发射的电磁波在空气中的传播满足以下波动方程[9]：

(1)

由于岸基VTS雷达与风机之间距离较远，可以认为传播到风机处的电磁波为平面波，其谐和解为ej(ω t-K·r)，省略ejω t因子，剩余部分满足以下的亥姆霍兹方程[10]：

·E+k2E=0

(2)

1.1.1波长10 cm导航雷达垂直极化分析

取坐标图1.ρ为观测点的距离；φ为相对X轴(X轴可以取任何方向如北方向)的方位角；a为风机塔筒的半径；Z轴垂直向上，电场E与Z轴同方向；K为电磁波的传播方向，称为波矢量.

其中x,y,ρ,φ,z,k分别为对应方向上的单位矢量，λ=10 cm.由雷达发射机发射的电磁波相对风机塔筒称为入射波，表示为

Ei=E0e-jkxz=E0e-jkρcosφz

(3)

式中：k=2π/λ=2π/0.1，E0根据导航雷达的发射机功率确定，e-jkρcosφ满足：

(5)

1.1.2波长3 cm导航雷达水平极化分析

(6)

参考10 cm导航雷达垂直极化分析过程可得导航雷达水平极化情况下的总场核算公式为

(7)

1.2 风机群阵因子

假定某海上风电场，风机布设行间距为910 m，列间距为520 m.风电场列间阵因子是由于不同列两塔筒与岸基VTS间存在夹角，相邻塔筒在被固定角速度的VTS雷达天线(nA=20/分，ωA=120°/s)扫描过程中会引起位相差；行间阵因子是由于不同行塔筒与岸基VTS雷达间距不同，相邻行间在电磁波传播过程中会引起位相差.经分析列间位相差约为5 μs，而行间位相差约为0.1 μs，故暂时不考虑行间阵因子的影响，该处仅考虑风电场第一行塔筒列间阵因子的作用.计算过程为

第一行圆柱塔筒阵因子Fa可表示为

(9)