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        深遠海漂浮式風電場對海事雷達回波的衰減仿真研究*

        2018-04-08 03:17:12俞曉峰江建平李子林施岐璘
        交通信息與安全 2018年1期
        關鍵詞:雷達站場強風電場

        王 倩 俞曉峰 謝 磊 江建平 李子林 施岐璘

        (1.上海電力實業(yè)有限公司 上海 200001;2.武漢理工大學智能交通系統(tǒng)研究中心 武漢 430063)

        0 引 言

        深遠海漂浮式風電場能夠充分利用深遠海域更加豐富的風能資源,對我國清潔能源產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展具有非常重要的意義。但是,作為一種分布比較集中的海上大型障礙物群,海上風電場的建設也帶來了一些比較突出的問題[1]。其中,由于風機的分布比較集中,其對雷達信號的阻擋,會在不同程度上影響雷達的探測性能和范圍,使得雷達的陰影區(qū)變大。而風機多次反射雷達信號,使得雷達的跟蹤性能和方位分辨力下降。雖然多徑效應在特定情況下能提高雷達的檢測性能[2],但是卻會降低雷達的其他一些參數(shù)精度[3]。

        國外非常重視海上風電場對雷達工作性能的影響,據(jù)《紐約時報》報道,美軍為了避免風電場對雷達的性能影響,推遲或否決了多達9 000 MW的風電場項目,這相當于美國5年的建設總量[4]。英國國防部同樣極力反對大量修建風力發(fā)電站,以避免風力發(fā)電機的葉片干擾軍方雷達[5]。而英國能源部為此不得不與英國國防部一起出資,專門研制了一種新型的雷達系統(tǒng)以解決風電場影響雷達工作性能的問題[6]。

        我國對海上風電場的建設投入很大,近年來對于風電場影響雷達探測性能的問題也越來越重視。經(jīng)過長期的跟蹤研究,研究人員認為風電場對電磁波設備的影響主要來自風機建筑結構對電磁波的反射和遮擋[7],且風電場的不利影響會降低雷達的成像清晰度、探測概率和虛警概率[8-9]。為了解決這一問題,其中一項研究就是對風機的雷達散射截面(RCS)進行建模,從而分析風機在雷達中的成像,并為風機的雷達圖像模擬奠定基礎。L.S.Rashid等[10]通過對分析形狀結構的分析,建立了風機的RCS計算模型,并定性對比分析了模型結果與測量結果。O.Karabayir等[11]在分析了風機結構及合成孔徑雷達(SAR)圖像中風機影像的基礎上,建立了風機RCS模型。張連迎等[12]基于有限寬度屏蔽繞射模型,仿真計算了風機繞射損耗,并分析了損耗對雷達漏警率和虛警率的影響。王樹武等[13]提出了一種基于矩形屏蔽繞射模型的風機損耗計算方法,并將其應用到了東海大橋近海風電場對附近海事雷達影響的研究分析。Xie L等[14]通過將實測的風電場環(huán)境下雷達波功率與理論計算的雷達波功率對比,得到了風機對雷達波附加損耗值,并討論了測量數(shù)據(jù)中噪聲消除方法。

        隨著計算機技術的發(fā)展,計算機的計算能力不斷提高,系統(tǒng)建模與仿真技術在各行各業(yè)都開始得到應用,因此,研究人員可以根據(jù)海上風電場水域的雷達波衰減模型,模擬相應的雷達圖像,從而在海上風電場選址階段對相關水域的船舶航行安全進行評估。目前,雷達圖像模擬技術已被廣泛應用到了雷達模擬器的研制中,很多學者都對其進行了大量研究,并利用數(shù)字高程圖(DEM)進行雷達圖像模擬。其中,顧振杰等[15]針對SAR雷達的需求,基于DEM數(shù)據(jù),采用距離時域相干法,對目標回波進行了仿真。趙宏宇等[16]通過建立雨雪例子二維分布模型,給出了雨雪雜波振幅的計算方法,并將其用于雷達模擬器,模擬結果具有較高的真實性。

        筆者研究了深遠海漂浮式風電場環(huán)境下雷達回波所受到的干擾情況,根據(jù)相應的環(huán)境和風機損耗模型,實現(xiàn)了海事雷達衰減的模擬和仿真,將上述方法應用到了上海市深遠海海域海上風電場場址方案的比選中,根據(jù)相關海域的實際情況,對多種方案下可能對航行安全造成的影響進行了說明,從船舶航行安全的角度為深遠海海域海上風電場選址方案的確定提供了技術支持。

        1 海上風電場水域的雷達回波衰減研究

        為了更好地仿真風電場水域的海事雷達回波衰減特征,需要依次模擬出當前的海洋環(huán)境和風機分布所帶來的雷達衰減,然后才能描述出雷達衰減區(qū)的總體分布和衰減程度,進而有針對性的提出相應的安全保障措施。整個過程包括以下3個模型。

        1.1 雷達信號的自由傳播衰減模型

        雷達波在穿透任何介質(zhì)時都會有損耗,其中,電磁波在空氣中傳播時的能量損耗滿足自由空間損耗模型,該損耗可根據(jù)電磁波在雷達和目標之間的傳輸過程換算出來。對于各向同性的雷達天線,綜合考慮發(fā)射機損耗、接收機損耗、大氣損耗、多路徑因子,可將雷達接收天線接收回波信號的功率表示為

        (1)

        式中:Pr為接收到的雷達回波功率;Pt為發(fā)射機功率;Gt為發(fā)射天線的增益;σ為目標的雷達截面積;Gr為接收天線的增益;L為系統(tǒng)和傳播損耗;R為目標與雷達的距離。

        1.2 海洋環(huán)境引起的雷達回波衰減模型

        雷達在海洋環(huán)境下進行探測,往往會受到2方面的干擾:①雷達波在富含水蒸氣的空間進行傳播,由于水蒸氣的吸收與散射,會造成雷達波一定的損耗;②雷達波照射到水面上,被水面前向反射出去,然后回到雷達天線處,由于這種方式傳播的電磁波相位與直射波不同,因此兩者之間會產(chǎn)生矢量疊加效果,也稱為多徑干擾。對上述2種干擾,一般需要借助大氣損耗因子(lR或lc)和多徑因子mp來描述雷達回波的衰減情況。

        大氣損耗因子與很多因素有關,包括:降水類型、降水量多少、降水量范圍、雷達波長、雷達波極化方式等。由于實際情況下,雷達與目標之間全程的降水量可能不一樣,不可能全部測量,實際計算過程中往往選取某測量站測量的降水量作為損耗計算的參考。在雷達系統(tǒng)性能評估時,常常假設全程都有較高的降水量。降水的衰減值為

        lR=10[c+dlg(r+0.000 01)]dB/km

        (2)

        式中:r為降雨量,mm/h;c,d為常數(shù),取值與雷達頻率有關。

        在晴朗天氣中,雖然大氣中沒有小水珠和霧氣的影響,但是氧氣分子和水蒸氣分子也會吸收電磁波影響雷達探測。這個影響與雷達頻率相關,一般用氧分子因子(p)和水分子因子(q)表示??諝庵械暮?W)與溫度(t)有關,溫暖的天氣空氣中含水量相對較多,一般可選取經(jīng)驗公式進行計算,見式(3)。

        W≈5.25+0.13t+0.023t2g/m3

        (3)

        晴朗天氣的衰減(lc)與氧氣(因子p)和水蒸氣吸收分量(因子q)的關系可用式(4)表示。

        (4)

        式中:H為相對濕度。

        多徑因子與雷達的干涉區(qū)域和衍射區(qū)域有關。干涉區(qū)域是離雷達發(fā)射點距離較近的區(qū)域,到達目的地的信號被直接的和間接的射線之間的干涉修正。在干涉區(qū)域,幾何光學可以精確描述雷達波傳播過程;在衍射區(qū)域,幾何光學不能精確該傳播過程,只能由波動力學描述。干涉區(qū)域和衍射區(qū)域的分界不明顯且隨機,一般可以選擇下式計算干涉區(qū)域的轉(zhuǎn)變距離RA。

        (5)

        式中:RA為干涉區(qū)域到衍射區(qū)域的轉(zhuǎn)換距離;H為雷達天線高度;h為目標高度;λ為雷達工作波長。

        多路因子的數(shù)值是直接射線加上間接射線的合成矢量與直接射線能量之比,計算見式(6)。

        (6)

        式中:mp為多徑因子;ρ為間接射線在反射點的發(fā)射系數(shù);gdif為間接射線的歸一化能量;φ為間接射線與直接射線的相位差。

        1.3 風機遮擋引起的雷達回波衰減模型

        由于雷達工作在微波波段,雷達波在傳播過程中如果遇到大型障礙物會產(chǎn)生遮擋及繞射現(xiàn)象。障礙物阻擋了電磁波的正常傳播,會在其身后形成回波陰影區(qū)域。由于電磁波具有一定的繞射能力,在陰影扇形區(qū)域的邊緣,仍然能夠探測到具有一定反射能力的目標,但回波的強度明顯減弱,一些小目標將會漏失;在陰影扇形區(qū)域中心,雷達波被完全阻擋不能到達,探測不到任何目標,這就是雷達的盲區(qū)。

        繞射現(xiàn)象產(chǎn)生的基本原因是當雷達發(fā)射的電磁波波長遠小于障礙物的尺寸時,電磁波能夠越過障礙物傳播。根據(jù)障礙物拓撲結構的不同,電磁波的繞射可分為刃峰繞射、圓頂峰繞射、小坡度連續(xù)地面繞射等。一般來說,可以認為當雷達天線所輻射的電磁波通過空間傳播到目標點時,凡進入發(fā)射點和目標點之間第一菲涅爾區(qū)的地面、山峰、建筑物及樹木等障礙物,都會對電磁波產(chǎn)生“遮擋”效應,影響目標點的雷達波場強。

        第一菲涅爾區(qū)的范圍如圖1所示,設定發(fā)射點至接收點的距離為d,由發(fā)射點發(fā)出的電磁波至空間的任一點,再折向傳播到接收點時所經(jīng)歷的路程長度為dr=d1+d2,滿足以下條件所構成的空間曲面,即為第一菲涅爾區(qū)的邊界。

        (7)

        圖1 第一菲涅爾區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the first Fresnel zone

        理論可以證明,這是一個以發(fā)射點至接收點連線為長軸的橢球面,發(fā)射點和目標點處于橢球面的2個焦點上。該橢球的長短軸分別為

        (8)

        式中:a為長軸半徑;b為短軸半徑;d為二點間的直線距離。橢球面上任一點至長軸的垂直距離被稱為第一菲涅爾區(qū)半徑。

        在考慮雷達波傳輸損耗時,需要根據(jù)障礙物所構成的第一菲涅爾區(qū),計算雷達波的繞射及遮擋。通過與實際測試數(shù)據(jù)的對比分析,選用了基于矩形屏蔽繞射模型的風機損耗計算方法,見圖2,記矩形屏蔽所在平面為XOY面;以雷達T和目標R的連線為Z軸;Z軸與XOY面的交點為原點,建立空間直角坐標系。

        圖2 矩形屏蔽繞射模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of diffraction model for rectangular screen

        由圖2可見,記矩形屏障4個方向的刀刃位置為x1,x2,y1,y2,并假設雷達波平行于Z軸傳播,雷達T和目標R兩者離屏蔽面的距離分別為d1和d2,則目標上的雷達回波場強為

        es=1-ea

        (9)

        式中:ea為穿過矩形屏蔽到達目標上的場強,其計算見式(10)~(11)。

        ea(x1,x2,x3,x4)=0.5(CxSy+SxCy)-

        j0.5(CxCy-SxSy)

        (10)

        (11)

        式中:C(ν)和S(ν)是菲涅爾積分,ν為幾何參數(shù),與障礙物所在處第一菲涅爾半徑F1有關,其中λ為電磁波波長,h為刀刃形繞射中的高程,其定義見式(12)~(14)。

        (12)

        (13)

        (14)

        2 已建成海上風電場的實例分析

        借助前文所開展的理論研究,可以通過仿真來模擬深遠海風電場水域的海事雷達回波衰減情況。但是,相關風電場目前仍處于前期論證階段,尚未真正建成,無法通過現(xiàn)場測試來驗證仿真結果的準確性。為了確保仿真的準確性,筆者以已建成的上海東海大橋風電場為對象,現(xiàn)場測試了小洋山雷達站的海事雷達在風電場環(huán)境下的回波衰減情況,并與仿真數(shù)據(jù)進行對比,以驗證相關仿真處理方法的準確度。之后,還對仿真模型進行了線性回歸,進一步提高了仿真的精度。

        上海東海大橋風電場是我國海上風力發(fā)電行業(yè)發(fā)展初期的大型示范項目之一,位于上海浦東新區(qū)臨港新城至洋山深水港的東海大橋兩側(cè),周邊水域的航道縱橫交錯,屬水上交通船舶流密集的區(qū)域,且船舶流動向復雜。針對該風電場的地理特征,研究人員在風電場周邊及內(nèi)部水域開展了雷達回波實測實驗,現(xiàn)場測試小洋山雷達站的雷達回波場強。所測得的數(shù)據(jù)被分為兩類,其中,在沒有受到風電場遮擋的水域所測得的數(shù)據(jù),命名為自由傳播場強數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)反映了雷達波在開闊水域傳播過程中正常衰減的情況;在風電場內(nèi)部以及背面明顯受到遮擋的水域所測得的數(shù)據(jù),命名為實測場強數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)反映了雷達波在風電場水域傳播過程中異常衰減的情況。最后,在合成了雷達信號自由傳播衰減模型、海洋環(huán)境引起的雷達回波衰減模型及風機遮擋引起的雷達回波衰減模型之后,通過仿真得到的模擬數(shù)據(jù),命名為合成場強數(shù)據(jù)。按照測試點與雷達的實際距離,可以將這3批數(shù)據(jù)歸并后繪制成折線圖,見圖3。

        由圖3可見,實測場強數(shù)據(jù)和合成場強數(shù)據(jù)相對比較接近,而自由傳播場強數(shù)據(jù)則表現(xiàn)出明顯的偏離。

        為了定量分析這3批數(shù)據(jù)的關聯(lián)程度,筆者以實測場強數(shù)據(jù)為基準,采用灰色關聯(lián)法分別計算了自由傳播場強數(shù)據(jù)、合成場強數(shù)據(jù)與實測場強數(shù)據(jù)的關聯(lián)度。經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn):實測場強數(shù)據(jù)與自由傳播場強數(shù)據(jù)的關聯(lián)度r=0.583 1,這表明2條折線的關聯(lián)程度一般,兩者間不具備相關性。但是,實測場強數(shù)據(jù)與合成場強數(shù)據(jù)的關聯(lián)度r=0.760 3,明顯高于實測場強數(shù)據(jù)和自由傳播場強數(shù)據(jù)的關聯(lián)程度。顯然,筆者通過模擬得到的雷達回波衰減仿真模型比較接近真實數(shù)據(jù),仿真的結果是有效的。

        為了進一步修正雷達回波衰減仿真模型,筆者以實測場強數(shù)據(jù)為因變量,以合成場強數(shù)據(jù)中的環(huán)境衰減因子和風機遮擋衰減因子為自變量,對合成場強數(shù)據(jù)進行了二元線性回歸修正。

        Er=Ef+a·Eb+b*Et+c

        (15)

        式中:Er為實測場強數(shù)據(jù);Ef為合成場強數(shù)據(jù);Eb為環(huán)境衰減因子;Et為風機遮擋衰減因子;a,b,c為線性回歸修正系數(shù)。

        結果顯示常數(shù)項c為-20.34 dBm,環(huán)境衰減因子和風機遮擋衰減因子的系數(shù)a,b分別為0.70和-0.74。修正后合成場強數(shù)據(jù)與實測場強數(shù)據(jù)的相對誤差大部分落入在-10%~10%之間,相對誤差的平均絕對值為5%。

        3 上海市深遠海海域海上風電場選址方案評估及優(yōu)化

        通過上述實測數(shù)據(jù)對比,可以認為所采用的海事雷達回波衰減仿真計算方法是比較準確的。在此基礎上,進一步把該仿真處理算法應用到了上海市深遠海域海上風電重大示范工程的選址方案評估中。上海市深遠海域海上風電重大示范工程位于上海崇明橫沙島東側(cè)海域,風電場初步場址共2個方案,分為5個區(qū)域。方案一規(guī)劃總裝機容量為85萬kW,包括1#,2#,3# 3塊水域。方案二規(guī)劃總裝機容量為280萬kW,包括4#,5# 2塊水域。5個風電場初選場址位置如圖5所示。由圖5可見,方案一的選址區(qū)域緊鄰北港航道,而方案二的4#規(guī)劃區(qū)則夾在長江口內(nèi)航路和中航路之間。

        圖5 風電場初選場址位置(方案一、方案二)Fig.5 Preliminary geographical location of wind farm(Scheme I and II)

        從雷達監(jiān)管的情況來看,上海VTS系統(tǒng)由橫沙雷達站(北緯31°18′08″,東經(jīng)121°50′49″)、長興雷達站(北緯31°22′05″,東經(jīng)121°42′56″)、吳淞口雷達站(北緯31°23′35″,東經(jīng)121°30′30″)、吳淞TVS分中心(北緯31°22′30″,東經(jīng)121°29′44″)和雞骨礁雷達站(北緯31°10′25″,東經(jīng)122°22′56″)組成,見圖6。其中,雞骨礁雷達站距離上述風場最近,因此,在風場建設及運營期間,將主要依賴于雞骨礁雷達站來保障風場周邊航道的航行安全。

        圖6 上海市深遠海海域海上風電場附近的雷達站分布Fig.6 Distribution of radar stations near the offshore wind farms of deep sea in Shanghai city

        通過前述仿真模型,可以模擬雞骨礁雷達站在方案一和方案二2個風電場選址水域的衰減區(qū)分布,分別見圖7和圖8。其中,雞骨礁雷達站所在位置用星號標識,雷達衰減分布則由黑-白色標識其數(shù)值大小,越接近黑色,干擾值越大,越接近白色,干擾值越小。當干擾值小于1 dB時,不予渲染。

        圖7 方案二中的雞骨礁雷達站衰減區(qū)Fig.7 Attenuating areaof Jigujiao radar stationcaused

        由圖7可見,方案一的3個場址規(guī)劃區(qū)恰好遮擋了雞骨礁雷達站對北港航道的監(jiān)管,其雷達衰減區(qū)幾乎完全覆蓋了航道,這對船舶交管帶來了較大的影響;方案二的5#規(guī)劃區(qū)對長江口外航路有一定影響,但是該航路范圍較廣,影響程度有限,但是4#規(guī)劃區(qū)的雷達衰減區(qū)明顯影響到了長江口中航路,這會對船舶航行監(jiān)管形成遮蔽,并對船舶避讓形成干擾。

        針對上述模擬結果,可以看出方案二要比方案一更加合理。同時,通過實際調(diào)查,研究人員對方案二4#區(qū)域的位置做了進一步的優(yōu)化,得到了6#區(qū)域,見圖8。

        圖8 方案二優(yōu)化后的風電場場址位置Fig.8 Geographical location ofwind farm in optimized Scheme II

        對優(yōu)化后的方案二進行模擬,得到雷達波衰減分布見圖9。顯然,該方案的雷達衰減區(qū)與航道的距離更遠,能夠更好的保障該水域的航行安全。

        圖9 方案二優(yōu)化后的雞骨礁雷達站衰減區(qū)Fig.9 Attenuating areaof Jigujiao radar stationcaused by optimized scheme II

        由于上海市深遠海域海上風電重大示范工程尚未開始建設,風電機組的布設情況也沒有最終確定。因此,上述雷達模擬圖中的風機密度暫定與上海東海風電場一致。但是,對于深遠海域來說,更遠的位置也就意味著更加廣泛的海域,因此,其風機密度可以適當降低。如果優(yōu)化后的方案二所采用的風機密度降低至1/4,其雷達波衰減分布則見圖10。顯然,此時的雷達回波的衰減程度和衰減范圍都明顯得以降低。

        圖10 風機密度降低后的雞骨礁雷達站衰減區(qū)Fig.10 Attenuating areaof Jigujiao radar stationcaused bylow density wind turbine

        4 風電場干擾分析及相應措施

        通過上述雷達模擬圖像,可以直觀地看出海上風電場對雷達監(jiān)管的影響程度。方案一中的3個規(guī)劃區(qū)與雷達站和航道的距離都太近了,不僅給雷達波帶來較強的衰減,而且也導致部分航道落入衰減區(qū)內(nèi),對船舶交管帶來了較大的影響;方案二雖然距離雷達較遠,影響相對較小,但是4#規(guī)劃區(qū)恰好被兩條航道夾在中間,其雷達衰減區(qū)仍然會影響到航道中的船舶航行安全;優(yōu)化后的方案二,即5#和6#規(guī)劃區(qū)域所在海域,其對海事雷達的干擾有限,能夠確保雞骨礁雷達站保持正常的監(jiān)管能力。此外,如果適當降低風機密度,將進一步減少雷達波的衰減程度。

        5 結束語

        深遠海海域海上風電場的選址,可能會影響到風電場周邊海域的通航安全,在風電場建設之前對風電場的場址進行論證,并盡可能定量地分析其對海事雷達的干擾情況,有助于減少上述不利影響。通過雷達模擬圖像,可以向相關工程技術人員提供直觀的雷達衰減區(qū)域分布情況,以及相應的雷達衰減程度,從而為相關選址決策提供技術支持,這對保障該海域的水上交通安全具有非常重要的意義。

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