面向海上风电工程的雷达遮蔽区域模型构建方法与流程

1.本发明涉及到海上风电场技术及雷达技术领域，具体涉及到面向海上风电工程的雷达遮蔽区域模型构建方法。


背景技术：

2.我国大陆海岸线长达1.8万km，海上风能资源储备丰富，海上风电产业发展优势显著。据统计，我国近海水深在5～25m范围内50m高度风电开发潜力约200gw，水深在25～50m范围内的风电资源可开发量则达320gw。海上风电年平均利用小时数约2500h，比陆上风电高出约500h。虽然我国海上风电产业起步较晚，但凭借海上资源丰富、稳定等优势，近年来已进入发展快车道。自2010年我国首座、也是亚洲首座大型海上风电场——东海大桥海上风电场并网发电以来，经10多年的探索与快速发展，如今我国已成为名副其实的海上风电大国。2020年，我国海上风电新增装机量占全球的50.45%，位居世界第一。截至2020年底，我国海上风电累计装机容量占全球的28.12%，超过德国，仅次于英国，成为全球第二大海上风电市场。
3.根据《海上风电开发建设管理办法》的相关规定，海上风电场应当按照生态文明建设要求，统筹考虑开发强度和资源环境承载能力，原则上应在离岸距离不少于10km、滩涂宽度超过10km时海域水深不得少于10m的海域布局。通常，海上风电工程选址水深条件较好，其需做好自身保障与防护的同时，也需配备有效的监管、警示设备，防止船舶误入海上风电场。由于海上风电场通常占地范围广、风力发电机尺寸大且转速高，海上风电场建设有可能影响附近雷达探测海上目标的能力，对于海事安全监管造成一定的影响。近年来，由于在海上风电工程规划、设计阶段对雷达探测影响分析不足，而在被迫在后期调整海上风电场布置方案的工程案例频频出现，这将对海上风电工程建设实施进度造成巨大影响，也会造成前期投入资源的浪费。因此，在科学、合理布置海上风电场的过程中，精准评估海上风电场工程对雷达探测性能的影响程度显得至关重要。
4.中国发明专利申请（公开号：cn111796244a）在2020年公开了一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法，根据地波超视距雷达参数以及风电场的预选区域展开场景分析，筛选出需重点分析的对象；根据提供的风电机组参数建立风机电磁模型，实现单台风力发电机电磁模型的建立；按照拟建风电场风机经纬度坐标与雷达相对位置信息，在feko电磁计算软件中建阵列、建场景模型，对遮挡影响进行分析；计算单台风力发电机设备在不同状态下的rcs变化；多普勒频率的影响进行分析；推导多径效应理论公式；场景实测等效，电磁环境噪声数据，评估出风电场影响范围。该发明通过电磁模型的建立能够评价风电场的对电磁波的影响，但是对于风力发电机叶片旋转、风力发电机本身对雷达遮蔽的影响分析较少，而且其评价结果难以作为海上风电工程布置及航道布置的全面参考。
5.《雷达与对抗》2016年第36卷第1期公开了论文“海上风电场对岸基警戒雷达遮挡影响计算分析”，文中对风电场对雷达遮挡影响的理论计算分析主要利用雷达波绕射模型计算雷达的遮挡衰减值，然后从对岸基雷达距离、方位和高度等3个方面计算分析遮挡影响
的结果，从而评估风电场工程对雷达系统的遮挡影响效果。这种方式主要用于对已知某风电场的评估，没有考虑风力发电机叶片旋转的影响及最大影响距离计算，不能够在海上风电场规划阶段优化海上风力发电机的布置。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供面向海上风电工程的雷达遮蔽区域模型构建方法，利用几何法分析海上风电场对雷达遮挡的影响。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：面向海上风电工程的雷达遮蔽区域模型构建方法，包括设置在海上风电场中的风力发电机，以及设置在所述海上风电场附近的航道、雷达站；所述模型构建方法包括如下步骤：步骤一：获取所述雷达站中雷达的类型及基本参数，获取所述海上风电场中风力发电机的设计参数；步骤二：评估所述风力发电机叶片旋转对所述雷达电磁波遮挡的影响，首先确定雷达扫掠单台风力发电机时叶片产生的旋转角度，其次结合雷达旋转角度确定风力发电机叶片旋转遮挡雷达电磁波的面积s，并得到雷达扫描单台风力发电机时叶片所在平面内一定不会产生遮挡区域的百分比；步骤三：评估步骤二中风力发电机叶片旋转对所述雷达电磁波遮挡的影响后，根据风力发电机与雷达及航道之间的距离，建立雷达扫描风力发电机塔筒时形成盲区的计算模型，包括确定雷达由于风力发电机塔筒遮挡对雷达探测产生的阴影径向距离d和阴影面积，得到风力发电机对航道影响的盲区距离e和风力发电机对雷达探测影响的角度α；，其中，为风力发电机塔筒的半径，d1为雷达与风力发电机间的水平距离，d2为风力发电机与航道间的水平距离。
8.步骤四：根据雷达的基本参数，以及可接受的雷达探测盲区大小和影响角度，反推风力发电机与雷达站之间的距离和风力发电机与航道之间的距离，确定风力发电机和航道设置的位置是否合理，以及是否需要增设其他形式协同监管设备。
9.对于已规划或拟建的海上风电场，根据步骤二和步骤三中的计算模型分析风力发电机叶片和风力发电机对雷达遮蔽以及航道盲区的影响，判断是否需要优化风力发电机位置或是否需要补充协同监管设施。
10.本构建方法通过对雷达和风力发电机参数的分析，建立了海上风力发电机叶片旋转遮挡模型，确定了风力发电机叶片旋转时雷达探测遮蔽区域面积的计算方法；然后根据风力发电机与雷达及航道之间的距离，建立雷达扫描风力发电机塔筒时形成盲区的计算模型，对雷达的主要探测特性能及可能产生的影响进行计算和分析，有助于掌握海上风电场对雷达探测信号的影响程度，可为海上风电场选址、布置及优化提供依据，同时也有利于海事监管部门精准识别雷达盲区及重点监测通航水域，可有效减小雷达探测盲区的通航安全隐患，为海上风电场水域的多形式协同安全监管提供参考。
11.由于风力发电机叶片的尺寸较大而且通常会持续旋转，因此先行判断风力发电机叶片旋转对雷达遮蔽的影响，再进行风力发电机塔筒对雷达遮蔽的影响分析，在确定出风力发电机对航道影响的盲区距离e、风力发电机对雷达探测影响的角度α以及雷达扫掠风力发电机塔筒时遮挡的阴影面积后，进而根据雷达实际扫掠情况，优化风力发电机布置或提出雷达探测盲区水域的监管设施补充方案。
12.进一步的，所述雷达的参数包括工作波长、脉冲重复频率、脉冲宽度、波束宽度和接收机通频带，并计算得出距离分辨力和方位分辨力。
13.进一步的，步骤二中叶片旋转角度的确定方法如下：假设单台风力发电机单个叶片遮挡角度为，当雷达扫过单台风力发电机时叶片会产生的旋转角度，则会受到遮挡影响区域的角度为，一定不会受到遮挡影响区域的角度为，假设表示雷达扫掠单台风力发电机的旋转角度，雷达扫掠单台风力发电机的时间为t，则，由于，故，则，其中为风力发电机叶片旋转角速度，为雷达扫掠角速度，r为风力发电机叶片长度，d为雷达与风力发电机间距离。
14.进一步的，在步骤二中风力发电机叶片旋转遮挡雷达电磁波的面积的确定方法如下：首先将风力发电机叶片抽象为可计算模型，将风力发电机叶片的形状近似为一个三角形abf和一个直角梯形bcdf的结合，则风力发电机叶片的初始位置为abcd，旋转角度后位置为a
′
b
′
cd，风力发电机叶片的长度r即为ad之间的距离，b点到f点之间的距离设为w，直角梯形bcdf的短边cd的长度设为n，b
′
点到cd边之间的垂直距离设为h，线段a
′
d与线段ab的交点为e；求得单台风力发电机单个叶片遮挡雷达电磁波的面积s
abcd
为：，则风力发电机叶片旋转时遮挡雷达电磁波的面积s表示为：；为计算风力发电机叶片旋转时的重叠面积s
bcde
，对直线与构建函数表达式：，联立可解得e的位置为：，s
bcde
可由下式获得：，其中，s
deg
及s
bcg
可根据交点e及辅助点g的位置计算可得：。
15.进一步的，根据雷达扫描单台风力发电机单个叶片时产生的遮挡区域面积s，计算
雷达扫描单台风力发电机时叶片所在平面一定不会产生遮挡区域百分比；,s为风力发电机叶片旋转时遮挡雷达电磁波的面积，将获取的w、r、h、n，以及计算得到的等数据代入s
deg
和s
bcg
的计算公式中，得到s
bcde
，进一步计算得到s，从而可以得到雷达扫描单台风力发电机时叶片所在平面一定不会产生遮挡区域百分比的数值；通过的数值进行分析，可以得到风力发电机叶片旋转对雷达电磁波的遮蔽影响，初步判断风力发电机对雷达探测的影响程度。
16.进一步的，分别构建d1（雷达与风力发电机间的距离）与、d1与的变化关系曲线图，以便直观明了的获取随距离变化风力发电机叶片旋转对雷达遮蔽影响程度。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、建立风力发电机叶片旋转遮挡模型和雷达扫描风力发电机塔筒时形成盲区的计算模型，有助于掌握海上风电场对雷达探测信号的影响程度，可为海上风电场选址、布置及优化提供依据；2、为雷达站、航道等的布设提供参考，有效减小海上风电场遮蔽区域对雷达探测的影响；3、有助于海事监管部门精准识别雷达盲区及重点监测通航水域，可有效减小雷达探测盲区的通航安全隐患，为海上风电场水域的多形式协同安全监管提供参考。
附图说明
18.图1为本发明风力发电机旋转示意图；图2为本发明风力发电机抽象模型旋转示意图；图3为本发明雷达扫掠过程中风力发电机叶片旋转角度与雷达
‑
风力发电机间距离变化关系；图4为本发明风力发电机叶片平面一定不受遮挡影响区域百分比随雷达
‑
风力发电机间距离变化关系；图5为本发明海上风电场对雷达的直线遮挡侧视示意图；图6为本发明海上风电场对雷达的直线遮挡俯视示意图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中间”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
21.一、雷达主要参数的确定选取某vts雷达作为分析，主要参数如下：
（1）工作波长λ雷达的工作波长即发射机产生的超高频脉冲波的波长。vts雷达站雷达的工作频段为9375mhz，根据波长的计算公式可计算vts雷达站的工作波长λ为3.2cm；船载雷达使用的工作波长允许范围为：s波段7.5～15cm，x波段2.5～3.75cm。
22.（2）脉冲重复频率prf雷达信号每秒内脉冲重复出现的次数，称为脉冲重复频率，即为prf，与其对应的是相邻两个脉冲间的时间间隔，即为脉冲重复周期prp，其对应关系为prf=1/prp。
23.（3）脉冲宽度脉冲宽度就是射频脉冲振荡持续的时间，一般用表示。一般选择0.05～2μs之内。雷达通常可按照近、中、远距离档以改换发射电磁波的脉冲宽度。
24.（4）波束宽度在雷达波束水平面内的波束宽度成为水平波束宽度，用表示，它与雷达天线的结构、尺寸及使用波长有关。根据《某vts用户指南》可知基站雷达的水平波束宽度≤0.45
°
，其后计算参照的最大值为0.45
°
。
25.（5）接收机通频带接收机通频带表示接收机能有效放大的信号频率范围，一般指接收机对输入信号的电压放大倍数从中心频率的最大相对值1下降到0.707时的两个频率的差。现代船用雷达接收机通频带为3~25mhz。
26.（6）距离分辨力雷达的距离分辨力是指雷达分辨同方向两个相邻目标的能力。同方向的两个目标逐渐靠拢时，两个目标的回波也会逐渐接近而至相切，此时两个目标间的实际距离即距离分辨力。当同方位的两个物标逐渐靠拢时，雷达屏上两个物标的回波亮点也将逐渐接近，当两个回波亮点相切时，两物标间的实际距离即为雷达的距离分辨力。
27.，其中，c为电磁波的传播速度，为发射脉冲宽度，为接收机通频带，为光点直径，d为屏幕直径，r
d
为所用量程距离。
28.雷达的距离分辨力主要取决于发射脉冲宽度、接收机通频带、量程以及屏幕光点尺寸大小等技术参数，通过查询获取某vts雷达在不同量程下的距离分辨力如表1所示。
29.表1 雷达选取不同量程时的距离分辨力
（7）方位分辨力雷达的方位分辨力是指雷达区分距离相同而方位相邻的两个目标的能力，以能区分开的两个目标间的最小夹角来表示。此夹角越小，表示雷达的方位分辨力越高，雷达图像的清晰度越好，以能分辨的两个物标间的最小方位夹角来表示，越小，表示雷达方位分辨力越高。
30.影响方位分辨力的主要因素是天线水平波束宽度、光点角尺寸（光点直径对屏中心的张角）和回波在屏幕扫描线上的位置，具体雷达的方位分辨力可表示为：，基站雷达的水平波束宽度≤0.45
°
，光点尺寸约0.06
°
。
31.二、风力发电机参数的确定某风力发电机底座半径为2.5m，轮毂高度90m，叶片长度为63.4m。
32.三、风力发电机叶片旋转对雷达电磁波的遮蔽模型构建实际情况中，风力发电机叶片会对雷达电磁波产生遮挡影响，并且由于风力发电机叶片是处于旋转状态，在雷达扫掠单台风力发电机过程中，风力发电机叶片平面内只有风力发电机叶片对雷达探测存在遮挡影响，其他区域无遮挡。
33.如图1所示，单台风力发电机单个叶片遮挡角度为，当雷达扫过单台风力发电机时叶片会产生一定的旋转角度，则会受到遮挡影响区域的角度为，一定不会受到遮挡影响区域的角度为。由于单台风力发电机的3个叶片形状大小完全相同，因此首先单独考虑1个风力发电机叶片对雷达的影响情况：假设表示雷达扫掠单台风力发电机的旋转角度，雷达扫掠单台风力发电机的时间为t，则
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（1）由于
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（2）故
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（3）
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（4）其中为风力发电机叶片旋转角速度90（
°
/s），为雷达扫掠角速度=120（
°
/s），r为风力发电机叶片长度，d为雷达与风力发电机间距离。
34.进一步分析风力发电机叶片旋转情况下遮挡雷达电磁波的面积，如图2所示，首先将风力发电机叶片抽象为可计算模型，将风力发电机叶片的形状近似为一个三角形abf和
一个直角梯形bcdf的结合，则风力发电机叶片的初始位置为abcd，旋转角度后位置为a
′
b
′
cd，风力发电机叶片的长度r即为ad之间的距离，b点到f点之间的距离设为w，直角梯形bcdf的短边cd的长度设为n，b
′
点到cd边之间的垂直距离设为h，线段a
′
d与线段ab的交点为e。
35.因此，可求得单个风力发电机叶片遮挡的影响区域s
abcd
为：
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（5）由于雷达扫描时风力发电机叶片的旋转角度为，则风力发电机叶片旋转的遮挡影响区域可表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）为计算风力发电机叶片旋转时的重叠面积s
bcde
，对直线l
a
′
d
与l
ab
构建函数表达式：
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（7）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）将式（6）与（7）联立可解得e的位置为：根据上图，s
bcde
可由下式获得：
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（9）其中，s
deg
及s
bcg
可根据交点e及辅助点g的位置计算可得：
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（10）
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（11）将公式（10）和（11）代入公式（9），并将公式（9）代入公式（5），同时将雷达扫掠单台风力发电机的旋转角度也代入公式（5）可计算雷达扫描单台风力发电机单个叶片时产生的遮挡区域面积s，同时可得雷达扫描单台风力发电机时叶片所在平面一定不会产生遮挡区域面积百分比为：
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（12）将获取的w、r、h、n，以及计算得到的等数据代入s
deg
和s
bcg
的计算公式中，得到s
bcde
的数值，进一步计算得到s的值，从而可以得到雷达扫描单台风力发电机时叶片所在平面一定不会产生遮挡区域百分比。从而根据计算可以得到雷达与海上风电场某边界点距离d1，并得到与。
36.随d的变化关系见图3，随d的变化关系见图4。
37.由图3可知，雷达扫掠某台风力发电机时间内，叶片旋转角度与雷达
‑
风力发电机
间的距离成反比，由于雷达与风力发电机间距离从18～30km不等，雷达扫掠过程中风力发电机叶片旋转角度从0.18
°
～0.30
°
不等，在本实施例中雷达扫掠风力发电机时，风力发电机旋转角度非常小，对雷达探测影响不大。
38.由图4可知，随着雷达与风力发电机间距离变大，风力发电机叶片产生遮挡区域百分比减少，由于雷达与风力发电机间距离变化范围为18～30km，则风力发电机叶片所在平面一定不会产生遮挡区域百分比变化范围为95.23%～95.33%。可知在本实施例范围内单台风力发电机叶片相对其整个平面而言遮挡效应有限。但是，实际情况中，应结合海上风电场中各风力发电机布置，对某通航区域的遮挡影响进行叠加分析，进而结合叶片遮挡区域可接受范围，综合评估海上风电场中对雷达的影响。
39.四、雷达扫描盲区分析以上述的雷达站为例，基于雷达波在空间匀速直线传播的特性，利用几何法分析海上风电场对雷达遮挡的影响。
40.通常，雷达与风力发电机间存在一定的距离，且雷达高度高于风力发电机高度。根据雷达波直线传递特性，雷达波对航道的覆盖范围会受到风力发电机的塔筒遮挡，形成雷达电磁波的阴影径向距离，部分航道区域会处于阴影范围，雷达与风力发电机间的位置关系示意图如图5和6所示。
41.根据雷达、海上风电场设计参数及布置方案，假设雷达高度为h1，风力发电机轮毂高度为h2，雷达与风力发电机间的水平距离为d1，则可推出雷达由于风力发电机塔筒遮挡对雷达探测产生的阴影径向距离d（最大遮挡影响距离）为：
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（13）风力发电机会对雷达的扫描范围产生遮挡阴影区域，在已分析风力发电机叶片产生的遮挡影响后，再分析风力发电机塔筒对雷达的遮挡影响，以风力发电机轮毂直径来计算风力发电机对雷达电磁波的遮挡范围。设风力发电机塔筒半径为，为风力发电机与航道间的水平距离为d2，则雷达扫掠风力发电机塔筒时遮挡的阴影面积（投射在海面上的阴影面积）为：
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（14）
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（15）
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（16）其中，x1、x2表示计算中间变量，风力发电机对航道影响的盲区（宽度）距离e为：
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（17）风力发电机对雷达探测影响的角度为：
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（18）
根据雷达的方位分辨力性能，不超过方位分辨力的方位遮挡对雷达的方位探测并无影响。对航道而言，海上风力发电机对雷达信号的多次反射、阻挡等会不同程度影响雷达性能和探测范围，影响雷达观测物标的参数主要有雷达的方位遮挡程度、形成遮蔽区域的大小等，可根据雷达电磁波阴影径向距离和盲区距离计算对海域通航的影响。
42.实施例一：以某海域设立的海上风电场为例，进行雷达探测盲区计算结果及分析，风力发电机间距离雷达站20~30km。
43.利用直线传播模型分析海上风电工程对某航路的遮挡，风力发电机底座半径为2.5m，风力发电机轮毂高度90m，风力发电机塔筒半径2.5m左右，风力发电机叶片长度为63.4m，某海域附近的多个岸基雷达站的雷达天线高程分别为150m、190m、220m、180m。针对海上风电场与不同海事监管（vts）雷达的相对位置关系以及对航道的遮挡情况不同，对于不同vts雷达，我们选取影响相对较大的风力发电机进行遮挡影响分析。分析了1#、2#、3#、4#号风力发电机对雷达天线高程150m的雷达的遮挡影响，影响结果见表2。
44.表2 20~30km处风力发电机对某雷达站的影响根据表2可知，由于某雷达站与海上风电场距离较远，风力发电机对雷达的最大影响距离都超过39km，再将风力发电机与雷达的距离考虑在内，风力发电机对雷达的遮挡影响基本都达到雷达最大探测距离25海里（约46km），但由于风力发电机底座直径较小，对雷达的影响角度在0.02
°
左右，换算为对航道内产生的遮挡盲区宽度，最大结果为5.8m左右，因此理论计算的阴影盲区较小。但是，实际情况中，应结合海上风电场中各风力发电机布置，对某通航区域的遮挡影响进行叠加分析，进而结合塔筒遮挡区域可接受范围，综合评估海上风电场中对雷达的影响。
45.实施例二：为了更好理解不同距离下风力发电机产生盲区的影响，本实施例与实施例一的区别在于将风力发电机设置在距离雷达站8~10km处，其编号分别为5#、6#、7#和8#。
46.表3 8~10km处风力发电机对某雷达站的影响
根据表3知，由于该雷达站与海上风电场距离较近，风力发电机对雷达的影响较为明显，航道盲区和影响角度均大于实施例一。同理，对于更近距离的其他雷达站，或者距离其他航道更近的风力发电机可类比按照此方法计算分析。
47.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。