海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)航海雷達(dá)探測(cè)性能影響研究*

劉克中 張金奮 嚴(yán)新平 楊 星

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430063) (水路公路交通安全與裝備教育部工程中心2) 武漢 430063)

近年來,全球海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)展十分迅速,截至2007年,世界海上風(fēng)電場(chǎng)的總裝機(jī)容量達(dá)到了1 103 MW,近10年來的年平均增長(zhǎng)率更是達(dá)到了58%[1].丹麥規(guī)劃2020年海上風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量達(dá)到2.75 GW,2030年達(dá)4 GW;德國(guó)預(yù)計(jì)2025年實(shí)現(xiàn)20～25 GW 的總裝機(jī)容量[2].我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)展也已經(jīng)起步,2008年,我國(guó)首個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目“上海東海大橋100 MW海上風(fēng)電示范項(xiàng)目”已經(jīng)獲國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)并開始著手建設(shè).根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)劃,我國(guó)的海上風(fēng)力發(fā)電將會(huì)得到快速發(fā)展.

海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)勢(shì)必會(huì)對(duì)附近海域的通航環(huán)境造成影響,包括風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)會(huì)改變附近船舶的航路,需要對(duì)現(xiàn)有的航標(biāo)等助航設(shè)施重新調(diào)整或布置等.風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)機(jī)的分布比較集中,對(duì)船上和岸基雷達(dá)的影響比較復(fù)雜,風(fēng)電場(chǎng)對(duì)航海雷達(dá)的影響成為最為關(guān)鍵的問題之一,圍繞這一主題進(jìn)行研究,具有非常深遠(yuǎn)的意義.

C.G.James等[3]對(duì)航海雷達(dá)探測(cè)風(fēng)機(jī)時(shí)風(fēng)葉與雷達(dá)不同角度時(shí)的回波特性進(jìn)行了研究,Colin Brown[4]從雷達(dá)方位分辨力和距離分辨力角度對(duì)如何有效觀測(cè)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了定性分析,Martin Howard和Colin Brown[5]隨后又通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證性研究.由于海上風(fēng)電項(xiàng)目在我國(guó)尚屬于新型能源項(xiàng)目,尚未見到研究海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)航海雷達(dá)影響的相關(guān)文獻(xiàn).

1 航海雷達(dá)主要觀測(cè)參數(shù)

對(duì)航海而言,海上風(fēng)機(jī)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的多次反射、阻擋等會(huì)不同程度影響雷達(dá)性能和探測(cè)范圍,影響雷達(dá)觀測(cè)物標(biāo)的參數(shù)主要有雷達(dá)的方位分辨力和陰影區(qū)的大小.

雷達(dá)方位分辨力是指雷達(dá)能夠分辨距離相同而方位不同的2個(gè)物標(biāo)之間的最小夾角.夾角越小,雷達(dá)的方位分辨力越高,雷達(dá)性能越好.雷達(dá)的方位分辨力公式為

式中:θ°H為水平波束寬度;d°為顯示器光點(diǎn)角尺寸.

當(dāng)雷達(dá)附近有高大的障礙物時(shí),會(huì)對(duì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波產(chǎn)生遮擋而產(chǎn)生陰影區(qū).由于電磁波具有一定的繞射能力,使得障礙物遮擋部分的一定范圍內(nèi)仍然可以探測(cè)到物標(biāo).電波的繞射根據(jù)障礙物的不同可以分為刀刃繞射和圓頂峰繞射.當(dāng)障礙物的曲率半徑與電磁波波長(zhǎng)相差不大時(shí),電磁波的繞射為刀刃繞射,而當(dāng)障礙物尺度較大,曲率半徑與電波波長(zhǎng)相差較大,則為圓頂峰繞射.具體判斷方法是:如圖1所示,當(dāng)障礙物的曲率半徑R 及電波波長(zhǎng)λ滿足(R/λ)＜2/(10 θ)3時(shí),電磁波的繞射為刀刃繞射,否則為圓頂峰繞射.

當(dāng)電磁波為刀刃繞射時(shí),電磁波的衰減量A(dB)與幾何尺度因子v之間的關(guān)系可以用下式近似表示[6-7].

根據(jù)衰減量A計(jì)算出幾何尺度因子 ,進(jìn)而雷達(dá)繞射高度h可以按照下式計(jì)算

式中:λ為雷達(dá)波長(zhǎng);d為雷達(dá)與障礙物之間的距離;r為雷達(dá)與探測(cè)目標(biāo)之間的距離.

當(dāng)障礙物半徑R已知時(shí),可以求出在繞射作用下雷達(dá)的陰影區(qū)寬度θB為

圖1 雷達(dá)刀刃繞射

圖2 繞射作用下雷達(dá)陰影區(qū)

2 海上風(fēng)電對(duì)航海雷達(dá)影響分析

海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)對(duì)雷達(dá)觀測(cè)的影響的研究,主要從3個(gè)方面考慮:(1)風(fēng)機(jī)反射回波的寬度,據(jù)此可以推斷雷達(dá)觀測(cè)風(fēng)機(jī)時(shí)在雷達(dá)屏幕上的清晰程度;(2)研究當(dāng)雷達(dá)探測(cè)風(fēng)機(jī)周圍物標(biāo)時(shí)能夠清晰分辨出物標(biāo)和風(fēng)機(jī)時(shí)所需的最小垂向距離,進(jìn)而研究雷達(dá)觀測(cè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部物標(biāo)的難易程度;(3)利用繞射理論計(jì)算雷達(dá)觀測(cè)風(fēng)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的陰影區(qū)寬度,并進(jìn)一步分析雷達(dá)因遮擋而無法觀測(cè)到物標(biāo)的概率.

為了增加研究的針對(duì)性,具體計(jì)算中以“上海東海大橋100 MW 海上風(fēng)電示范項(xiàng)目”(以下簡(jiǎn)稱“上海風(fēng)電工程”)作為算例進(jìn)行分析.上海風(fēng)電工程是我國(guó)上海風(fēng)力發(fā)電的示范項(xiàng)目,在東海大橋東側(cè)的上海市海域安裝34臺(tái)單機(jī)容量為 3 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量為102 MW,每臺(tái)風(fēng)機(jī)直徑均為5 m,高度為90 m,風(fēng)機(jī)按照東西方向距離為500 m,南北方向距離為1 000 m排列在東海大橋以東附近海域,風(fēng)機(jī)的相對(duì)位置如圖3所示.

圖3 風(fēng)機(jī)相對(duì)位置

2.1 風(fēng)機(jī)有效反射寬度

當(dāng)雷達(dá)回波的衰減達(dá)到-6 dB時(shí),回波強(qiáng)度減為初始強(qiáng)度的一半,此時(shí)如果回波強(qiáng)度進(jìn)一步降低,將無法被雷達(dá)探測(cè)到.因此風(fēng)機(jī)的有效反射寬度可以等價(jià)為風(fēng)機(jī)回波衰減-6 dB時(shí)的寬度.當(dāng)觀測(cè)雷達(dá)分別位于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部和風(fēng)電場(chǎng)周圍時(shí),風(fēng)機(jī)有效反射寬度會(huì)有所不同,本文選取風(fēng)電場(chǎng)中心區(qū)域(如圖3雷達(dá)位置1)和風(fēng)電場(chǎng)以南2 000 m區(qū)域(如圖3雷達(dá)位置2)分別進(jìn)行研究.

由式(2)知,當(dāng)雷達(dá)回波衰減量為-6 dB時(shí),幾何尺度因子v為-0.22.當(dāng)雷達(dá)分別位于位置1和位置2時(shí),1～34號(hào)風(fēng)機(jī)所形成的有效反射寬度如圖4所示.

由圖4可知,當(dāng)雷達(dá)位于風(fēng)電場(chǎng)中心時(shí),風(fēng)機(jī)有效反射寬度在0.1～0.7°,而觀測(cè)雷達(dá)位于風(fēng)電場(chǎng)外圍時(shí),風(fēng)機(jī)有效反射寬度僅為 0.06～0.22°,因此可以推斷觀測(cè)雷達(dá)位于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部時(shí)雷達(dá)屏幕上的風(fēng)機(jī)要比觀測(cè)雷達(dá)位于風(fēng)電場(chǎng)外圍時(shí)清晰,而且用S波段雷達(dá)觀測(cè)時(shí)風(fēng)機(jī)的有效反射寬度均要大于X波段雷達(dá).

2.2 物標(biāo)與風(fēng)機(jī)垂向分辨距離

航海雷達(dá)的方位分辨力僅與雷達(dá)的水平波束寬度和光點(diǎn)角尺寸有關(guān),屬于雷達(dá)本身的性能指標(biāo),與風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)無關(guān).但是雷達(dá)的方位分辨力高有利于觀測(cè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的小物標(biāo),即便這樣,由于雷達(dá)存在一定的徑向擴(kuò)張,當(dāng)物標(biāo)與風(fēng)機(jī)距離減小到回波發(fā)生重疊時(shí),雷達(dá)無法分辨出物標(biāo).當(dāng)使用ARPA跟蹤風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)物標(biāo)時(shí),很容易造成物標(biāo)丟失或跟蹤錯(cuò)誤.研究為避免發(fā)生這些情況所需要的物標(biāo)與風(fēng)機(jī)的最小垂直距離十分必要.

圖4 風(fēng)機(jī)有效反射寬度

目前船用雷達(dá)的水平波束寬度為θH=0.7～1.5°,而港口雷達(dá)的 θH大小一般為 0.25～1.5°,本文將雷達(dá)水平波束寬度取為1°.利用雷達(dá)方位分辨力以及上述衰減寬度的計(jì)算結(jié)果,可以計(jì)算出雷達(dá)能夠清晰地分辨出風(fēng)機(jī)與風(fēng)機(jī)附近的物標(biāo)需要風(fēng)機(jī)與物標(biāo)間的最小垂向距離,同樣利用上述2個(gè)位置進(jìn)行研究,計(jì)算結(jié)果如圖5所示.

要使雷達(dá)能夠有效分辨出風(fēng)機(jī)與位于風(fēng)機(jī)附近的物標(biāo),物標(biāo)與風(fēng)機(jī)之間的垂向距離不得小于以上的計(jì)算距離.由圖5可知,選擇S波段雷達(dá)與X波段雷達(dá)對(duì)于區(qū)分物標(biāo)的影響不大.當(dāng)雷達(dá)位于風(fēng)機(jī)中心時(shí),要求物標(biāo)與風(fēng)機(jī)垂向距離不小于15 m,最大在 60 m以上;當(dāng)雷達(dá)位于風(fēng)機(jī)以南2 000 m(如圖3位置2)時(shí),要求物標(biāo)與風(fēng)機(jī)垂向距離不小于40 m,最大為120 m以上.只有達(dá)到以上要求,雷達(dá)才能分辨出風(fēng)機(jī)與物標(biāo).由此可見,雷達(dá)對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部物標(biāo)的觀測(cè)存在困難,當(dāng)雷達(dá)位于風(fēng)電場(chǎng)外部,觀測(cè)難度將進(jìn)一步加大.

2.3 陰影區(qū)

風(fēng)機(jī)對(duì)雷達(dá)電磁波的散射80%來自風(fēng)機(jī)塔身,每個(gè)風(fēng)葉對(duì)電磁波的散射僅占散射量的5%,而且是出現(xiàn)在觀測(cè)雷達(dá)位于風(fēng)機(jī)正面或背面的情況下[8-9].風(fēng)機(jī)的曲率半徑為2.5 m,假設(shè)使用S(10 cm)波段雷達(dá),觀測(cè)雷達(dá)位于風(fēng)機(jī)幾何地平1 m 處,風(fēng)機(jī)距雷達(dá) 50 m,(R/λ)=25,2/(10θ)3=250.1.所以(R/λ)＜2/(10θ)3,可以認(rèn)定為刀刃繞射障礙物,同理,X波段雷達(dá)也屬于刀刃繞射.

圖5 物標(biāo)與風(fēng)機(jī)垂向距離

當(dāng)電磁波衰減量 A為-12 dB時(shí),回波明顯減弱,雷達(dá)無法探測(cè)到目標(biāo),可以認(rèn)為目標(biāo)處于雷達(dá)陰影區(qū).由公式(3)可知幾何尺度因子v為0.73,此時(shí)繞射高度 h為 0.52[λ d(r-d)/r]1/2,雷達(dá)陰影區(qū)寬度如圖6所示.

圖6 雷達(dá)陰影區(qū)寬度

由圖6可知,雷達(dá)對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生陰影區(qū)的寬度較小.選用S波段雷達(dá)產(chǎn)生的陰影區(qū)較小,雷達(dá)距風(fēng)機(jī)距離越遠(yuǎn),陰影區(qū)寬度就越小,但是陰影區(qū)不會(huì)消失;X波段雷達(dá)陰影區(qū)寬度較大,在相同情況下,陰影區(qū)寬度比S波段雷達(dá)大0.5°左右.當(dāng)雷達(dá)陰影區(qū)小于0.5°時(shí),陰影區(qū)的范圍很小,可以認(rèn)為陰影區(qū)對(duì)觀測(cè)的影響很小,因此使用S波段雷達(dá)時(shí),雷達(dá)與風(fēng)機(jī)距離在100 m以上,以及使用X波段時(shí),雷達(dá)與風(fēng)機(jī)距離在250 m以上時(shí),陰影區(qū)對(duì)觀測(cè)風(fēng)機(jī)的影響很小.總體上講,物標(biāo)位于風(fēng)機(jī)陰影區(qū)的概率較小.

3 結(jié) 束 語

無論是岸基雷達(dá)還是船載雷達(dá),對(duì)位于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)的探測(cè)存在較大的困難,不宜使用雷達(dá)或ARPA對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部及其附近物標(biāo)進(jìn)行跟蹤;當(dāng)雷達(dá)與風(fēng)機(jī)距離較近時(shí),會(huì)產(chǎn)生一定的陰影區(qū),隨著距離的增加,陰影區(qū)會(huì)逐漸變小.從雷達(dá)陰影區(qū)的角度來看,選用S波段雷達(dá)效果較好.

風(fēng)電場(chǎng)一旦建成,對(duì)船上雷達(dá)和岸基雷達(dá)都將產(chǎn)生永久性的影響,其對(duì)船舶安全通航和海事監(jiān)管影響研究具有重要的意義.由于我國(guó)目前尚未建成大型的海上風(fēng)電場(chǎng),其對(duì)雷達(dá)的影響的研究仍處于起步階段,僅僅停留在理論分析階段,仍需要在風(fēng)電場(chǎng)建成后對(duì)其進(jìn)行更深入的研究.

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