劉克中 王偉強(qiáng) 許曉琴 辛旭日 楊 星 馬 杰
(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心3) 武漢 430062)
近年來,全球海上風(fēng)電場發(fā)展迅速,截至2017年底,世界海上風(fēng)電場的總裝機(jī)容量已達(dá)18 814 MW,較2016年增長30.8%,裝機(jī)容量最大的兩個(gè)國家分別為英國(6 963.2 MW)和德國(5 427.2 MW)[1].我國政府也高度重視國內(nèi)的海上風(fēng)電發(fā)展,2008年“上海東海大橋100 MW海上風(fēng)電示范項(xiàng)目”獲得國家發(fā)展和改革委員會(huì)批準(zhǔn),標(biāo)志著我國及亞洲第一個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目落地實(shí)施[2].截至2017年底,我國海上風(fēng)電場總裝機(jī)容量已達(dá)到2 788 MW,僅次于英國、德國,居世界第三位.
海上風(fēng)電場的建設(shè)將改變附近水域的船舶通航環(huán)境,增加附近通航船舶的航行風(fēng)險(xiǎn);此外,密集布設(shè)的風(fēng)電機(jī)組也將對導(dǎo)航雷達(dá)等設(shè)施的正常探測性能產(chǎn)生影響[3].研究顯示,海上風(fēng)電場對于雷達(dá)性能的影響主要體現(xiàn)在輻射、反射和遮擋三個(gè)方面[4],其中電磁輻射將增加雷達(dá)的背景噪聲,風(fēng)機(jī)反射產(chǎn)生的強(qiáng)回波將降低雷達(dá)對小目標(biāo)的觀測靈敏度,風(fēng)機(jī)組遮擋將造成雷達(dá)探測性能的衰減.因此,研究海上風(fēng)電場對導(dǎo)航雷達(dá)性能的影響形式具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義.劉克中等[5]通過結(jié)合雷達(dá)性能參數(shù)及雷達(dá)繞射原理對風(fēng)機(jī)有效反射寬度及物標(biāo)與風(fēng)機(jī)最小分辨距離等探測性能影響進(jìn)行了研究;楊守峰[6]分別就海上風(fēng)機(jī)電磁回波、扇葉衰減及遮擋區(qū)域三個(gè)因素對雷達(dá)探測性能的影響程度進(jìn)行了量化評估;Danoon[7]等對船舶穿越風(fēng)電場時(shí),風(fēng)機(jī)電磁回波與雷達(dá)監(jiān)測閾值的影響關(guān)系進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[3]通過電磁仿真建模定量分析了雷達(dá)天線輻射場在穿越海上風(fēng)電場后,其分布特征受風(fēng)電場的影響程度.但以上研究均側(cè)重對風(fēng)電場影響下的雷達(dá)觀測性能進(jìn)行分析研究,而針對風(fēng)機(jī)輻射電磁波的定量化、系統(tǒng)化計(jì)算分析方法等理論性研究相對缺乏.
基于以上分析,本文對風(fēng)機(jī)輻射影響下雷達(dá)電磁波散射場強(qiáng)的計(jì)算問題進(jìn)行研究,并提出了一種海上風(fēng)電場作用下的雷達(dá)電磁波散射場強(qiáng)計(jì)算方法.以某海上風(fēng)電場為研究實(shí)例,仿真計(jì)算其周圍電磁場強(qiáng)分布特征,結(jié)合風(fēng)電場雷達(dá)回波實(shí)測情況對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析,并針對性提出降低風(fēng)電場建設(shè)對雷達(dá)探測性能影響的相關(guān)建議和措施.
風(fēng)機(jī)輻射對雷達(dá)觀測性能產(chǎn)生影響的主要原因?yàn)轱L(fēng)機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)在導(dǎo)航雷達(dá)電磁波的輻射下會(huì)產(chǎn)生極化電流,并形成新的散射場,影響原有的電磁環(huán)境[8],從而降低雷達(dá)的靈敏度和工作性能.風(fēng)機(jī)對雷達(dá)電磁波的極化包含垂直極化(s波段)與水平極化(x波段)兩種方式,計(jì)算海上風(fēng)電場作用下的雷達(dá)電磁波散射場強(qiáng)需要對以上兩種極化方式分別構(gòu)建模型進(jìn)行研究.
圖1 垂直極化時(shí)的坐標(biāo)關(guān)系圖
圖2 水平極化時(shí)的坐標(biāo)關(guān)系圖
雷達(dá)發(fā)射的電磁波在空氣中的傳播滿足以下波動(dòng)方程[9]:
(1)
由于岸基VTS雷達(dá)與風(fēng)機(jī)之間距離較遠(yuǎn),可以認(rèn)為傳播到風(fēng)機(jī)處的電磁波為平面波,其諧和解為ej(ω t-K·r),省略ejω t因子,剩余部分滿足以下的亥姆霍茲方程[10]:
·E+k2E=0
(2)
1.1.1波長10 cm導(dǎo)航雷達(dá)垂直極化分析
取坐標(biāo)圖1.ρ為觀測點(diǎn)的距離;φ為相對X軸(X軸可以取任何方向如北方向)的方位角;a為風(fēng)機(jī)塔筒的半徑;Z軸垂直向上,電場E與Z軸同方向;K為電磁波的傳播方向,稱為波矢量.
其中x,y,ρ,φ,z,k分別為對應(yīng)方向上的單位矢量,λ=10 cm.由雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波相對風(fēng)機(jī)塔筒稱為入射波,表示為
Ei=E0e-jkxz=E0e-jkρcosφz
(3)
式中:k=2π/λ=2π/0.1,E0根據(jù)導(dǎo)航雷達(dá)的發(fā)射機(jī)功率確定,e-jkρcosφ滿足:
(5)
1.1.2波長3 cm導(dǎo)航雷達(dá)水平極化分析
(6)
參考10 cm導(dǎo)航雷達(dá)垂直極化分析過程可得導(dǎo)航雷達(dá)水平極化情況下的總場核算公式為
(7)
假定某海上風(fēng)電場,風(fēng)機(jī)布設(shè)行間距為910 m,列間距為520 m.風(fēng)電場列間陣因子是由于不同列兩塔筒與岸基VTS間存在夾角,相鄰塔筒在被固定角速度的VTS雷達(dá)天線(nA=20/分,ωA=120°/s)掃描過程中會(huì)引起位相差;行間陣因子是由于不同行塔筒與岸基VTS雷達(dá)間距不同,相鄰行間在電磁波傳播過程中會(huì)引起位相差.經(jīng)分析列間位相差約為5 μs,而行間位相差約為0.1 μs,故暫時(shí)不考慮行間陣因子的影響,該處僅考慮風(fēng)電場第一行塔筒列間陣因子的作用.計(jì)算過程為
第一行圓柱塔筒陣因子Fa可表示為
(9)
某風(fēng)力發(fā)電場,其岸基VTS雷達(dá)為X波段,頻率為9 375 MHz,波長λ≈3 cm,功率為50 kW,電磁波極化方式為水平極化.岸基VTS雷達(dá)距風(fēng)電場約35 km,塔筒直徑為5 m,風(fēng)機(jī)列間距為520 m,首行布設(shè)風(fēng)機(jī)17臺,考慮極化情況下的風(fēng)機(jī)散射電場場強(qiáng)計(jì)算過程為
(10)
圖3為不同測試距離單個(gè)風(fēng)機(jī)塔筒散射場的幅值;圖4為考慮所有17個(gè)風(fēng)機(jī)塔筒后散射場的幅值分布;圖5為單個(gè)風(fēng)機(jī)塔筒散射場的幅角分布情況.
圖3 圓柱塔筒散射場的幅值圖
圖4 ρ=50時(shí)17個(gè)風(fēng)機(jī)塔筒散射場的幅值圖
圖5 散射場的幅角圖
為進(jìn)一步觀察風(fēng)電場是否會(huì)對雷達(dá)的實(shí)際觀測產(chǎn)生影響,使用雷達(dá)模擬器對某海上風(fēng)電場對于VTS雷達(dá)站的探測性能影響進(jìn)行模擬.在模擬器上輸入雷達(dá)站和風(fēng)電場的各項(xiàng)基本參數(shù),然后通過雷達(dá)模擬器分析風(fēng)機(jī)在雷達(dá)回波上的顯示情況,觀測結(jié)果見圖6.此外,該風(fēng)電場在某地雷達(dá)站的真實(shí)回波觀測結(jié)果見圖7.
圖6 VTS雷達(dá)模擬器模擬仿真圖像
圖7 某港雷達(dá)站真實(shí)觀測圖
結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果和風(fēng)電場雷達(dá)回波實(shí)際觀測情況表明,風(fēng)電場內(nèi)各臺風(fēng)機(jī)塔筒極化所產(chǎn)生的散射場存在較明顯的方向性,但在其他方向上的影響較為微弱.
1) 單個(gè)風(fēng)機(jī)塔筒散射場幅值呈瓣壯分布,且隨著測試點(diǎn)與塔筒距離的增加,柱面波幅值均勻減小,但場強(qiáng)幅值分布形狀保持不變.
2) 當(dāng)考慮風(fēng)電場多臺風(fēng)機(jī)共同作用時(shí),散射場強(qiáng)度的幅值具有較為明顯的方向性,最大散射方向的波瓣寬度約10°左右.
3) 在海上風(fēng)電場建設(shè)時(shí),應(yīng)充分考慮雷達(dá)電磁波散射場的分布特征及風(fēng)機(jī)塔筒布設(shè)方案,盡量避免電磁波主散射方向?qū)?dǎo)航雷達(dá)正常使用所產(chǎn)生的影響.