袁漢欽，田賢峰

(1.海裝上海局合肥地區(qū)軍事代表室，安徽 合肥 230031;2.安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司，安徽 六安 237000)

0 引 言

海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)模和數(shù)量不斷增加，影響了岸基雷達(dá)和低空監(jiān)視雷達(dá)的探測(cè)能力，主要影響包括電磁輻射引起的背景噪聲抬高、發(fā)電機(jī)組反射產(chǎn)生的真假回波、發(fā)電機(jī)組遮擋帶來(lái)的探測(cè)性能衰減、風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的多普勒頻譜展寬等[1-2]。

在理論分析的基礎(chǔ)上，開展了大豐海域海上風(fēng)電場(chǎng)大功率信號(hào)源測(cè)試和電磁環(huán)境測(cè)試，主要通過(guò)車載大功率信號(hào)源對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)照射，在風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域?qū)π盘?hào)測(cè)試，測(cè)試后的數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)比對(duì)，同時(shí)在關(guān)閉信號(hào)源的情況下，測(cè)試升壓站和風(fēng)電場(chǎng)周邊的電磁特性信號(hào)。

1 試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)康模菏占Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)的電磁輻射特性，為海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)岸基觀通雷達(dá)站、船舶AIS、短波通訊電臺(tái)等電子設(shè)備工作性能的影響分析提供依據(jù)，并為風(fēng)電場(chǎng)安裝安防設(shè)備提供數(shù)據(jù)支撐。

試驗(yàn)地點(diǎn)：江蘇鹽城大豐港岸上及附近海域。

圖1所示3條軌跡的點(diǎn)分別為船舶向風(fēng)電場(chǎng)方向的主要測(cè)量點(diǎn)，船舶返回碼頭時(shí)的主要測(cè)量點(diǎn)以及信號(hào)源坐標(biāo)點(diǎn)。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備布設(shè)示意圖

在大功率信號(hào)源開機(jī)狀態(tài)，分別在遠(yuǎn)離海上風(fēng)電機(jī)、風(fēng)電場(chǎng)中心及前后，海上風(fēng)機(jī)與大功率信號(hào)源架設(shè)點(diǎn)連線上的多個(gè)位置，利用頻譜儀分別測(cè)量大功率信號(hào)源的電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度。頻譜儀采用Max-Hold最大保持狀態(tài)測(cè)試，并保存數(shù)據(jù)。頻譜儀RBW設(shè)置為1 MHz，VBW為300 kHz，頻譜儀參考電平10 dBm[3]。

大功率信號(hào)源參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 大功率信號(hào)源參數(shù)設(shè)置

1.1 大功率信號(hào)源測(cè)試數(shù)據(jù)

在信號(hào)源發(fā)射信號(hào)狀態(tài)下，測(cè)量電磁輻射特性，大功率信號(hào)源在駛向風(fēng)電場(chǎng)階段工作在S波段，部分測(cè)試采用喇叭天線HD-10180HTDRHAT2F。S波段測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 S波段測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

在信號(hào)源發(fā)射信號(hào)狀態(tài)下，測(cè)量電磁輻射特性。全部測(cè)試采用喇叭天線SAS-571，搭配HTPRE8001放大器，工作在X波段。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 X波段測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

在信號(hào)源發(fā)射信號(hào)狀態(tài)下，工作在C波段，測(cè)量電磁輻射特性，全部測(cè)試采用喇叭天線SAS-571，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 C波段測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

1.2 海上升壓站電磁環(huán)境測(cè)試

船行駛至海上升壓站正面，利用頻譜儀分別測(cè)試升壓站附近電磁環(huán)境，頻譜儀采用Max-Hold最大保持狀態(tài)測(cè)試，并保存數(shù)據(jù)。

升壓站附近微波頻段的干擾信號(hào)主要是電信信號(hào)，升壓站自身產(chǎn)生的主要是MHz以下的工頻信號(hào)，對(duì)通信和雷達(dá)工作不會(huì)產(chǎn)生影響。海上升壓站電磁環(huán)境數(shù)據(jù)記錄如表5所示。

表5 海上升壓站電磁環(huán)境數(shù)據(jù)記錄表

2 風(fēng)電場(chǎng)電磁場(chǎng)仿真

圖2為雷達(dá)照射風(fēng)電場(chǎng)遮擋海域的示意圖，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)不存在時(shí)，任意觀察點(diǎn)robs處的電場(chǎng)可以由自由空間電磁波的傳播規(guī)律直接計(jì)算得到[4-5]:

(1)

式中：E0為雷達(dá)天線處輻射電場(chǎng)極化；Gt(θ,φ)為雷達(dá)天線的輻射方向圖；R為觀察點(diǎn)robs和雷達(dá)站坐標(biāo)rradar之間的距離；k0為電磁波波數(shù)；θ,φ為觀察點(diǎn)和雷達(dá)連線的方位角和俯仰角。

圖2 雷達(dá)照射風(fēng)電場(chǎng)輻射示意圖

當(dāng)電磁波的傳播路徑經(jīng)過(guò)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，由于發(fā)電機(jī)組的散射作用，在觀察平面的電磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。由于風(fēng)電機(jī)組間的距離在6 000個(gè)電波長(zhǎng)以上，因此可以不考慮發(fā)電機(jī)組間的直接耦合，即一臺(tái)發(fā)電機(jī)組的電磁散射不受其它發(fā)電機(jī)組的影響。

此時(shí)觀察點(diǎn)robs處的電場(chǎng)強(qiáng)度可以看作由以下兩部分組成：一部分是雷達(dá)天線的直接輻射部分，另一部分是經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)組散射后到達(dá)觀察點(diǎn)部分。在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，散射場(chǎng)的傳播也可近似為簡(jiǎn)單的球面波衰減過(guò)程，于是此時(shí)觀察點(diǎn)robs處的電場(chǎng)可以表達(dá)為:

(2)

(3)

式中：Ek為雷達(dá)輻射的電磁波到達(dá)第k個(gè)發(fā)電機(jī)組位置處的電場(chǎng)：θradar,k,φradar,k,Rradar,k分別為雷達(dá)和第k個(gè)發(fā)電機(jī)組連線的方位角、俯仰角和距離；θk,obs,φk,obs,Rk,obs分別為第k個(gè)發(fā)電機(jī)組和觀察點(diǎn)之間連線的方位角、俯仰角和距離；S(θinc,φinc,θobs,φobs)代表發(fā)電機(jī)組針對(duì)入射方向(θinc,φinc)的單位電場(chǎng)強(qiáng)度平面波在(θobs,φobs)方向上產(chǎn)生的散射電場(chǎng)強(qiáng)度。

仿真參數(shù)說(shuō)明：雷達(dá)頻率5 380 GHz，海面目標(biāo)為10 m高，等效風(fēng)機(jī)高度135 m，風(fēng)機(jī)與雷達(dá)的距離分別為50 km，風(fēng)機(jī)直徑4.05～7 m，雷達(dá)方位向波束寬度約為2°，俯仰波束寬度2.6°。

根據(jù)一致性繞射理論，計(jì)算不同方向入射平面波在風(fēng)電場(chǎng)后方所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)分布。通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)是否存在2種情形下的對(duì)比，得出風(fēng)電場(chǎng)對(duì)雷達(dá)天線輻射的方位遮擋情況，如圖3所示，方位遮擋區(qū)間，電場(chǎng)變化強(qiáng)度超過(guò)未設(shè)立風(fēng)電場(chǎng)時(shí)的5%～25%。

圖3 不同方向入射波在風(fēng)電場(chǎng)后方的散射場(chǎng)

距離天線50 km處輻射場(chǎng)分布如圖4所示。其電場(chǎng)強(qiáng)度的最大起伏量大約為沒(méi)有風(fēng)電場(chǎng)時(shí)的1.4倍，水平波束寬度也同樣有所減小。

圖4 距離天線50 km處輻射場(chǎng)分布示意圖

3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

由于風(fēng)機(jī)的電磁散射、繞射效應(yīng)，風(fēng)電場(chǎng)周邊的電磁場(chǎng)局部區(qū)域可能增大、減小，甚至信號(hào)盲區(qū)；試驗(yàn)中采用喇叭天線，同時(shí)由于船舶的搖擺影響，信號(hào)幅度變化在30 dB左右，符合理論分析結(jié)果。

綜上所述，加裝海上風(fēng)電場(chǎng)的主要影響如下：電磁場(chǎng)功率引起的變化會(huì)造成雷達(dá)P顯虛假目標(biāo)的出現(xiàn)，對(duì)岸基雷達(dá)和導(dǎo)航雷達(dá)中小船只的檢測(cè)跟蹤有一定影響；在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部，由于虛假回波的出現(xiàn)和風(fēng)電場(chǎng)回波較大造成雷達(dá)信號(hào)飽和，甚至可能形成成片的亮線；風(fēng)電場(chǎng)對(duì)雷達(dá)電磁波的遮擋會(huì)造成一定的信號(hào)盲區(qū)，影響船舶的檢測(cè)，導(dǎo)致雷達(dá)丟點(diǎn)；風(fēng)電場(chǎng)及其升壓站產(chǎn)生的電磁信號(hào)主要為工頻信號(hào)，對(duì)AIS、短波電臺(tái)影響不大。