吳仁彪，付恒智，王曉亮，賈瓊瓊

（中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300）

一座風電場中通常包含十幾臺甚至幾十臺的風輪機，風輪機桅桿通常達幾十米至100 m，葉片長度也在數(shù)十米。這些高大、金屬材質的風輪機對航管二次雷達的信號而言是一種強散射體，在其周圍形成復雜的多徑環(huán)境可能導致雷達在這一區(qū)域性能下降[1]。這種情況可能會對飛機的飛行安全產(chǎn)生威脅。

近年來隨著各國相繼開始大規(guī)模開發(fā)風能資源，有關風電場對雷達的影響問題也受到越來越多的關注。荷蘭科學應用研究組織TNO（Netherlands organization for applied scientific research）在2010國際雷達會議上報道了一套簡單風電場影響評估方案[2]。英國民用航空管理局CAA（Civil Aviation Authority）也在2010年出版一份文件CAA 764[3]，綜述了風電場對民航飛行安全可能產(chǎn)生的各種影響，并給出了一個以風輪機是否處于雷達可視范圍內來判斷風電場是否可能對航管雷達產(chǎn)生影響的簡單方法。此外，歐洲民航組織在關于民航電子設備建筑限制區(qū)指南[4]中劃定了二次雷達的建筑限制區(qū)并用風電場是否穿越二次雷達的建筑限制區(qū)作為影響評估標準。然而現(xiàn)有的評估模型和評估方法大多是定性評估，沒有根據(jù)二次雷達信號的特點來詳細分析風電場產(chǎn)生的影響和對影響進行評估。

首先基于二次雷達信號特征分別分析風電場對二次雷達詢問信號與應答信號產(chǎn)生的影響，然后以風電場反射信號的時延為依據(jù)建立了評估影響的定量模型并以此為基礎給出了劃分風電場對應答信號影響區(qū)域，劃分風電場對詢問信號影響區(qū)域以及假目標影響區(qū)域的方法。最后基于DEM數(shù)據(jù)進行仿真實驗驗證了評估方法的有效性。

1 風電場對航管二次雷達的影響分析

與其他建筑物一樣，風輪機也會反射二次雷達的信號。然而，由于風輪機中金屬材質部件占很大比例，使其反射信號更強。又由于風輪機排列較為緊密，使其附近的多徑環(huán)境更為復雜。這些都會使目前二次雷達所采取的抗多徑干擾手段（如增益時間控制等）達不到原有的效果[3]。

按反射信號與直達信號之間的水平夾角不同可將影響分為兩類：

1）反射信號與直達信號之間的水平夾角小于二次雷達主瓣寬度。風電場反射信號對應答信號（信號形式如圖1所示）的影響包括：

圖1 應答信號形式Fig.1 Response signal

a）多徑竄擾 反射信號的F1脈沖出現(xiàn)在直達信號的F1脈沖后的14個間隔脈沖之一處。這樣的反射信號可能改變應答編碼的波形，從而改變飛機的識別碼或高度碼。

b）多徑交錯 反射信號的F1脈沖前沿出現(xiàn)在直達信號脈沖之間間隔但不與其重疊。此時，反射信號會被當成一個真實的應答信號。如果大量出現(xiàn)這種情況可能導致二次雷達處理器過載。

c）多徑覆蓋 反射信號與直達信號重疊從而改變了直達信號的波形，使地面接收機無法識別，致使譯碼失敗造成航跡點丟失。

以上情況所對應的反射信號出現(xiàn)的位置如圖2所示，時延如表1所示。

風電場對詢問信號（信號形式如圖3所示）的影響包括：

圖2 反射信號位置與影響類型Fig.2 Reflected signal and effects

表1 多徑信號的時延分類和引起的系統(tǒng)誤差Tab.1 Multipath signal and system error

圖3 詢問信號形式（X決定詢問模式）Fig.3 Request signal（X decided ask mode）

應答概率降低 根據(jù)《國家標準：空中交通管制機載應答機通用技術條件》[5]中的規(guī)定，機載應答機應答條件為：P1和P2脈沖間隔為2±0.15 μs。P2幅度低于P1幅度9 dB以上或無P2脈沖。當反射信號的時延在1.85～2.15 μs時，反射信號的P1脈沖就會被當做直達信號的P2脈沖。由于直達信號的P1脈沖的幅度不會超過反射信號的P1脈沖9 dB，故此次詢問會被當做旁瓣詢問而被抑制，即風電場反射信號降低了應答機的應答概率。

2）當發(fā)射信號與直達信號之間的水平夾角大于二次雷達主瓣寬度。

形成假目標 由于風輪機的反射會使詢問信號被反射到不同的方向，盡管反射損耗將使信號衰減，但反射信號仍可能觸發(fā)應答機發(fā)出應答信號，在該方向上的飛機會發(fā)出應答信號。這個應答信號會被二次雷達檢測到，然后轉換為飛機的一個點跡，這個點跡會出現(xiàn)在風輪機的方位上從而形成假目標。假目標出現(xiàn)在風輪機后方，距風輪機的距離與真實飛機距風輪機的距離相同。

2 影響評估方法

風輪機反射信號相對于直達信號在到達接收機的時間上有一定的時延，故在評估反射信號對二次雷達的影響時可以此作為標準。

時延標準：反射信號相對于直達信號的時延可由式（1）計算

其中：Drw表示風輪機與雷達之間的距離；Dwt表示飛機與風輪機之間的距離；Drt表示飛機與雷達之間的距離；c表示光速。

1）反射信號與直達信號之間的水平夾角小于二次雷達主瓣寬度。

a）對應答信號的影響評估

根據(jù)之前的分析，對于應答信號來說如果反射信號與直達信號有重疊，就有可能對地面接收機的譯碼產(chǎn)生影響。根據(jù)《國家標準：空中交通管制機載應答機通用技術條件》[5]中的規(guī)定，二次雷達應答信號的信號長度為 20.3 ± 0.1 μs，脈沖寬度為 0.45 ± 0.1 μs。據(jù)此得若使反射信號與直達信號不重疊，反射信號的時延應在 20.95 μs（20.3 μs+0.1 μs+0.45 μs+0.1 μs）以上。當風輪機和雷達的位置已知，計算目標位于空間某點處接收到的風輪機反射應答信號的時延Δt。若反射信號時延Δt在0～20.95 μs，則此目標位于風電場對應答信號的影響區(qū)域內。

利用待分析區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，計算DEM數(shù)據(jù)上每個網(wǎng)格點位置上的反射信號時延并標注Δt在0～20.95 μs的數(shù)據(jù)點就可以劃分出風電場對應答信號的影響區(qū)域。

b）對詢問信號的影響評估

根據(jù)對詢問信號的影響分析，當Δt在1.85～2.15 μs時，反射信號會造成機載應答機應答概率較低。當風輪機和雷達的位置已知，計算目標位于空間某點處接收到的風輪機反射詢問信號的時延Δt。若反射信號時延Δt在1.85～2.15 μs，則此目標位于風電場對詢問信號的影響區(qū)域內。

利用待分析區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，計算DEM數(shù)據(jù)上每個網(wǎng)格點位置上的反射信號時延并標注Δt在1.85～2.15 μs的數(shù)據(jù)點就可以劃分出風電場對詢問信號的

2）反射信號與直達信號之間的水平夾角大于二次雷達主瓣寬度。當反射信號與直達信號之間的水平夾角大于二次雷達主瓣寬度時，飛機處于二次雷達的旁瓣范圍之內。根據(jù)《國家標準：空中交通管制機載應答機通用技術條件》[5]中有關抑制時間的規(guī)定，只有當被反射的主瓣詢問信號相對于直達的旁瓣詢問信號的時延在35 μs以上并且被反射的主瓣詢問信號的功率滿足大于觸發(fā)應答機應答的最小功率門限-77 dBm的條件時，被反射的主瓣詢問信號才能觸發(fā)應答機發(fā)出應答。

綜上在判斷某點是否會引發(fā)假目標的產(chǎn)生時，應以以下兩點為標準：

a）被反射的主瓣詢問信號相對于直達的旁瓣詢問信號的時延是否在35 μs以上。時延Δt可通過式（1）計算。

b）應答機接收到的被反射的主瓣詢問信號的功率是否大于最小功率門限-77 dBm，即Pr≥77 dBm。

根據(jù)雷達方程可推導出風輪機的接收功率為

則機載應答機接收到的風輪機反射信號功率為[6]

將式（2）代入式（3）中得

式中：Drw表示風輪機與雷達之間的距離；Dtw表示飛機與風輪機之間的距離；σ表示風輪機的RCS；Gw表示反射損耗；Gt表示雷達的發(fā)射增益；Gr表示機載應答機的接收增益；Pt表示雷達的發(fā)射功率；λ表示雷達波長。

當目標出現(xiàn)在空間中某一點時，若其接收到的風輪機反射信號滿足以上兩點，則目標有可能會在風電場方位上形成假目標。

如果利用待分析區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，將DEM數(shù)據(jù)上的每一個網(wǎng)格點都進行一次判斷就可以劃分出可能引發(fā)假目標產(chǎn)生的區(qū)域。根據(jù)之前的分析，假目標會出現(xiàn)在風輪機的后方且與真實目標距風輪機的距離相同，據(jù)此就可以劃分出會出現(xiàn)假目標的區(qū)域。

3 仿真實驗

場景設置：實驗選取美國SRTM（shuttle radar to－pography mission）90 m網(wǎng)格DEM數(shù)據(jù)中一塊20 km×20 km的區(qū)域作為待分析區(qū)域。在該地形場景中設置15臺風輪機，并假設風輪機輪轂高70 m，葉片長40 m，風輪機的RCS為30 dBm2。在風電場東北方向設置一座二次雷達站（海拔313 m），假設二次雷達天線高度為20 m，主瓣寬度為2.75°，雷達波長為0.291 3 m，發(fā)射增益為27 dB，發(fā)射功率為2 000 W且假設電磁波的反射損耗為0 dB，機載應答機的接收增益為0 dB。具體15臺風輪機的分布與二次雷達站的位置如圖4（a）所示，各個風輪機所在位置的海拔高度如表2所示。經(jīng)計算得風輪機分布在雷達方位201.55°～228.70°，距雷達5.1～8.1 km的范圍內。

表2 風輪機所在位置的海拔高度Tab.2 Altitude of wind turbines

1）風電場對應答信號的影響區(qū)域

根據(jù)上述的評估方法，利用待分析區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，若該區(qū)域DEM數(shù)據(jù)的某個網(wǎng)格點上接收到的反射信號的時延Δt在0～20.95 μs，則此點處于風電場對應答信號的影響區(qū)域，即反射路徑與直達路徑的路程差在0～6.3 km。路程差范圍較大，故對應答信號的影響區(qū)域應在風電場方位上的較大區(qū)域內。

仿真實驗劃分了3 000 m高度層上風電場對應答信號的影響區(qū)域，結果如圖4（b）所示。可以看出其影響區(qū)域在雷達方位201.55°～228.70°的范圍，距雷達2 km至作用距離的區(qū)域，影響區(qū)域較大。故應在處理真實風電場對二次雷達影響問題時，重點考慮對應答信號的影響。

2）風電場對詢問信號的影響區(qū)域

根據(jù)上述評估方法，利用待分析區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，若該區(qū)域DEM數(shù)據(jù)的某個網(wǎng)格點上接收到的反射信號的時延Δt在1.85～2.15 μs，則此點處于風電場對詢問信號的影響區(qū)域，即反射路徑與直達路徑的路程差在555～675 m。路程差范圍相對較小，故對詢問信號的影響區(qū)域應在風電場方位上的較小區(qū)域內。

仿真實驗同樣選取3 000 m高度層作為實驗區(qū)域來劃分對詢問信號的影響區(qū)域，結果如圖4（c）所示。可以看出影響區(qū)域是由一些小的分散區(qū)域組成，這些小的影響區(qū)域大致分布在雷達方位201.55°～228.70°，距雷達8～10 km的區(qū)域內。

圖4 仿真實驗結果Fig.4 Simulation results

3）風電場引起假目標的區(qū)域

風電場對二次雷達在產(chǎn)生假目標方面的影響區(qū)域如圖4（d）所示，圖中分別標注出了產(chǎn)生虛假目標的真實目標所在的區(qū)域和虛假目標出現(xiàn)的區(qū)域。從圖中可以看出當飛機飛臨二次雷達附近時，有可能在風電場相對于二次雷達的后方形成假目標。

4 結語

本文在分析風電場對二次雷達影響的基礎上，利用風電場反射信號時延給出了一種評估風電場反射信號影響的定量評估方法。通過利用DEM數(shù)據(jù)進行仿真實驗，驗證了該方法的有效性。本文方法不僅可為擬建風電場選址與航管二次雷達選址提供重要依據(jù)，也可為降低已建風電場對其附近二次雷達的影響提供參考。

[1]THEIL A，VAN EWI JK L J.Radar Performance Degradation due to the Presence of Wind Turbines[C]//Radar Conference，2007 IEEEBoston，MA，USA，2007：75-80.

[2]THEIL A，SCHOULEN M W，DE JONG A.Radar and Wind Turbines：A guide to Acceptance Criteria[C]//Proceedings of the 2010 IEEE Radar Conference.Washington，2010：1355-1361.

[3]CAA Policy and Guidelines on Wind Turbines[EB/OL].（2010-05）[2010-12-07].http：//www.caa.co.uk/docs/33/cap764.pdf.

[4]European and North Atlantic（EUR/NAT）Office of ICAO.European Guidance Material on Managing Building Restricted Areas[Z].2th ed.ICAO EUR DOC 015，2009

[5]國家技術監(jiān)督局.GB 12183-1990，空中交通管制機載應答機通用技術條件[S].1990.

[6]Guidelines on How to Assess the Potential Impact of Wind Turbines on Surveillance Sensors[EB/OL].[2012-09-13]http：//www.apere.org/manager/docnum/doc/doc1289_Guidelines.fiche117.pdf，2010-06-09/2012-09-16.