海上風電場電磁特性試驗

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.安徽博微長安電子有限公司，安徽 六安 237000)

0 引 言

海上風電場建設項目的規(guī)模和數(shù)量不斷增加，影響了岸基雷達和低空監(jiān)視雷達的探測能力，主要影響包括電磁輻射引起的背景噪聲抬高、發(fā)電機組反射產(chǎn)生的真假回波、發(fā)電機組遮擋帶來的探測性能衰減、風葉旋轉帶來的多普勒頻譜展寬等[1-2]。

在理論分析的基礎上，開展了大豐海域海上風電場大功率信號源測試和電磁環(huán)境測試，主要通過車載大功率信號源對海上風電場照射，在風電場區(qū)域對信號測試，測試后的數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)比對，同時在關閉信號源的情況下，測試升壓站和風電場周邊的電磁特性信號。

1 試驗目的和試驗方法

試驗目的：收集海上風電場的電磁輻射特性，為海上風電場對岸基觀通雷達站、船舶AIS、短波通訊電臺等電子設備工作性能的影響分析提供依據(jù)，并為風電場安裝安防設備提供數(shù)據(jù)支撐。

試驗地點：江蘇鹽城大豐港岸上及附近海域。

圖1所示3條軌跡的點分別為船舶向風電場方向的主要測量點，船舶返回碼頭時的主要測量點以及信號源坐標點。

圖1 試驗設備布設示意圖

在大功率信號源開機狀態(tài)，分別在遠離海上風電機、風電場中心及前后，海上風機與大功率信號源架設點連線上的多個位置，利用頻譜儀分別測量大功率信號源的電磁輻射信號強度。頻譜儀采用Max-Hold最大保持狀態(tài)測試，并保存數(shù)據(jù)。頻譜儀RBW設置為1 MHz，VBW為300 kHz，頻譜儀參考電平10 dBm[3]。

大功率信號源參數(shù)設置如表1所示。

表1 大功率信號源參數(shù)設置

1.1 大功率信號源測試數(shù)據(jù)

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

表2 S波段測試數(shù)據(jù)記錄表

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

表3 X波段測試數(shù)據(jù)記錄表

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

表4 C波段測試數(shù)據(jù)記錄表

1.2 海上升壓站電磁環(huán)境測試

船行駛至海上升壓站正面，利用頻譜儀分別測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)測試，并保存數(shù)據(jù)。

升壓站附近微波頻段的干擾信號主要是電信信號，升壓站自身產(chǎn)生的主要是MHz以下的工頻信號，對通信和雷達工作不會產(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 風電場電磁場仿真

圖2為雷達照射風電場遮擋海域的示意圖，當風電場不存在時，任意觀察點robs處的電場可以由自由空間電磁波的傳播規(guī)律直接計算得到[4-5]:

(1)

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

圖2 雷達照射風電場輻射示意圖

當電磁波的傳播路徑經(jīng)過風電場時，由于發(fā)電機組的散射作用，在觀察平面的電磁場會發(fā)生相應的變化。由于風電機組間的距離在6 000個電波長以上，因此可以不考慮發(fā)電機組間的直接耦合，即一臺發(fā)電機組的電磁散射不受其它發(fā)電機組的影響。

此時觀察點robs處的電場強度可以看作由以下兩部分組成：一部分是雷達天線的直接輻射部分，另一部分是經(jīng)過發(fā)電機組散射后到達觀察點部分。在遠場條件下，散射場的傳播也可近似為簡單的球面波衰減過程，于是此時觀察點robs處的電場可以表達為:

(2)

(3)

式中：Ek為雷達輻射的電磁波到達第k個發(fā)電機組位置處的電場：θradar,k,φradar,k,Rradar,k分別為雷達和第k個發(fā)電機組連線的方位角、俯仰角和距離；θk,obs,φk,obs,Rk,obs分別為第k個發(fā)電機組和觀察點之間連線的方位角、俯仰角和距離；S(θinc,φinc,θobs,φobs)代表發(fā)電機組針對入射方向(θinc,φinc)的單位電場強度平面波在(θobs,φobs)方向上產(chǎn)生的散射電場強度。

仿真參數(shù)說明：雷達頻率5 380 GHz，海面目標為10 m高，等效風機高度135 m，風機與雷達的距離分別為50 km，風機直徑4.05～7 m，雷達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，計算不同方向入射平面波在風電場后方所產(chǎn)生的電磁場分布。通過風電場是否存在2種情形下的對比，得出風電場對雷達天線輻射的方位遮擋情況，如圖3所示，方位遮擋區(qū)間，電場變化強度超過未設立風電場時的5%～25%。

圖3 不同方向入射波在風電場后方的散射場

距離天線50 km處輻射場分布如圖4所示。其電場強度的最大起伏量大約為沒有風電場時的1.4倍，水平波束寬度也同樣有所減小。

圖4 距離天線50 km處輻射場分布示意圖

3 數(shù)據(jù)分析與結論

由于風機的電磁散射、繞射效應，風電場周邊的電磁場局部區(qū)域可能增大、減小，甚至信號盲區(qū)；試驗中采用喇叭天線，同時由于船舶的搖擺影響，信號幅度變化在30 dB左右，符合理論分析結果。

綜上所述，加裝海上風電場的主要影響如下：電磁場功率引起的變化會造成雷達P顯虛假目標的出現(xiàn)，對岸基雷達和導航雷達中小船只的檢測跟蹤有一定影響；在風電場內部，由于虛假回波的出現(xiàn)和風電場回波較大造成雷達信號飽和，甚至可能形成成片的亮線；風電場對雷達電磁波的遮擋會造成一定的信號盲區(qū)，影響船舶的檢測，導致雷達丟點；風電場及其升壓站產(chǎn)生的電磁信號主要為工頻信號，對AIS、短波電臺影響不大。