一種大地背景下風電機雷達回波求解方法與流程
2023-06-09 13:49:26
本發明一種大地背景下風電機雷達回波求解方法，屬於風電場與雷達系統的電磁兼容領域。
背景技術：
隨著風能的大力發展，日益增多的風電場對鄰近的各型雷達臺站的電磁幹擾也越顯突出，特別是葉片旋轉時相對於雷達會發生實時、持續性的位置遷移，從而向外部空間散射出獨特性的具有都卜勒頻移的雷達回波。因此，準確獲取含有完整都卜勒特徵的風電機雷達回波是雷達側風電機雜波濾除的有效途徑。
現有獲取風電機雷達回波的方法主要有四類：縮比模型實驗的方法、基於射線追蹤技術的高頻近似算法、基於快速多極子等方法的數值計算方法，以及基於點散射模型的方法。縮比模型實驗的方法求解風電機雷達回波通用性不強，故該方法主要用於實驗驗證。目前，現有研究主要利用基於射線追蹤技術的高頻近似算法、基於快速多極子等方法的數值計算方法，以及基於點散射模型的方法求解風電機雷達回波。高頻近似算法和數值計算方法得到的風電機回波較為精確，但計算所需時間和資源較大；相比之下，採用基於點散射模型的算法得到的回波精度相對較差，但其優點在於建模簡單，計算速度快，且仍能較完整地保留風電機回波的都卜勒特徵，因此，在風電機雷達回波的都卜勒特徵研究中，通常採用點散射模型。然而截止當前，上述研究均未提到大地的存在對風電機回波都卜勒特徵的影響。
實際上，在對風電機雷達散射截面(RCS，radar cross section)進行研究時，就已經發現大地對風電機RCS影響極大。根據RCS的定義，RCS值與風電機入射電場和散射電場的比值有關，而大地存在時，風電機周圍的散射電場將會發生嚴重畸變，且隨著地形的不同，其產生的畸變也存在差異，進而影響風電機RCS。顯然，在風電機回波都卜勒特徵的研究中，無法避開大地的影響。並且，目前尚無有關考慮大地影響的風電機葉片雷達回波求解方法的相關專利。所以，需要針對性的提出一種方法，以求解大地背景下的風電機雷達回波。
技術實現要素：
本發明所要解決的問題時針對上述現有方法的不足，利用電磁波傳播的能量衰減原理，確定電磁波的傳播路線，以引入大地散射雷達電磁波對風電機雷達回波的影響，從而提出了一種大地背景下風電機雷達回波求解方法，可以為雷達臺站對風電機目標進行更有效的識別提供方法，進一步為後續風電機雜波特徵提取及其抑制提供理論依據。
本發明採取的技術方案為：
一種大地背景下風電機雷達回波求解方法，包括以下步驟：
步驟一：利用電磁波傳播過程中的能量衰減原理，確定電磁波的傳播線路。
考慮大地的存在時，大地會對雷達電磁波進行散射，此時電磁波傳播線路中存在風電機和大地兩個散射體。因此，雷達接受到的攜帶風電機信息的電磁波的線路，即風電機雷達回波線路也存在多種。隨著散射次數的增加，電磁波的能量遞減，對雷達目標識別的影響也隨之減小，故只考慮散射次數不大於3次的風電機雷達回波線路。
步驟二：利用鏡像原理，確定某時刻下平地上風電機各散射中心所有線路回波，進而疊加得到平地背景下風電機雷達回波。
該求解方法首先將風電機葉片和塔架等效為圓柱體，再對各圓柱體沿各自軸線分割成儘可能多的薄圓片，用各個薄圓片的圓心等效為該薄圓片的散射中心，因此，風電機可以用點模型表示。然後，將風電機做鏡像，此時風電機塔架及其鏡像的連線、雷達到風電機旋轉中心的連線以及雷達到風電機旋轉中心鏡像的連線，組成了一個三角形，從而可確定雷達相對於鏡像風電機的位置。此時雷達發射電磁波經地面散射後傳播到風電機上任一散射中心的路程，可由雷達與該散射中心對應鏡像點的直線距離確定。此時，分別在所確定的回波線路下，求取風電機葉片和塔架上各個散射中心回波線路長度，進而基於點散射雷達回波公式，求取葉片和塔架上各個散射中心雷達回波。分別對各線路下風電機上所有散射中心雷達回波進行疊加，即可得到各線路下風電機雷達回波。最後將所有線路下風電機雷達回波進行疊加，即可得到平底背景下風電機雷達回波。
步驟三：利用鏡像原理和坐標旋轉理論，確定某時刻下斜坡上風電機各散射中心所有線路回波，進而疊加得到斜坡背景下風電機雷達回波。
該求解方法首先對風電機建立點模型。然後，將風電機做鏡像，此時在風電機塔架底部建立坐標系，根據坐標運算確定雷達相對於鏡像風電機的位置。此時雷達發射電磁波經地面散射後傳播到風電機上任一散射中心的路程，可由雷達與該散射中心對應鏡像點的直線距離確定。此時，分別在所確定的回波線路下，求取風電機葉片和塔架上各個散射中心回波線路長度，進而基於點散射雷達回波公式，求取葉片和塔架上各個散射中心雷達回波。分別對各線路下風電機上所有散射中心雷達回波進行疊加，即可得到各線路下風電機雷達回波。最後將所有線路下風電機雷達回波進行疊加，即可得到斜坡背景下風電機雷達回波。上述步驟求解大地背景下風電機雷達回波的理論基礎是電磁波傳播的能量衰減原理。通過該理論技術求解風電機雷達回波可以引入大地和地形風電機雷達回波的影響。由於風電機通常都位於陸地之上，大地對電磁波的散射作用將會導致風電機回波的組成變化，而地形的變化還會導致風電機回波的頻率有所改變。因此，通過該理論基礎求解的大地背景下風電機雷達回波，將更符合實際需求，將為後續風電機雜波抑制提出更為有效的依據。
步驟一確定風電機雷達回波線路根據的是電磁波傳播的能量衰減原理。由於引入了大地的影響，雷達電磁波會在大地與風電機之間進行多重散射，使得雷達接收到的攜帶有風電機信息的雷達電磁波，即大地背景下風電機雷達回波也更為複雜。為求解該回波，根據雷達回波公式，需要求解回波的傳播路程，而該回波中包含的子回波的傳播路程均存在差異。為此，需要根據能量衰減原理，將風電機的子回波根據傳播過程進行分類，確定風電機雷達回波線路，從而分線路求解風電機雷達回波，最終達到求解大地背景下風電機雷達回波的目的。
步驟二計算平地背景下各線路風電機雷達回波利用的是鏡像原理。計算各線路下風電機雷達回波，則需計算風電機上散射中心的各線路長度，而確定各線路長度時又必須確定雷達發射電磁波經地面散射後傳播到風電機上任一散射中心的路程。為簡單求解該路程，就需要利用鏡像原理，將風電機做鏡像，此時雷達發射電磁波經地面散射後傳播到風電機上任一散射中心的路程可由雷達與該散射中心對應鏡像點的直線距離確定。該路程確定後，風電機上散射中心的各線路長度也能較易得到，進而可以求取各線路下風電機雷達回波。
步驟二計算平地背景下風電機雷達回波利用的是疊加原理。由於整體求解平地背景下的風電機雷達回波較為困難，步驟一中利用能量衰減原理將該回波進行了分類，步驟二中分線路確定了風電機雷達回波。雷達接收到的風電機雷達回波是多線路回波作用的結果，因此利用疊加原理將所求各線路下風電機雷達回波進行疊加，進而可以得到平地背景下風電機雷達回波。
步驟三計算斜坡背景下各線路風電機雷達回波利用的是鏡像原理。計算該回波的基本原理與平地背景下各線路風電機雷達回波類似，同樣在確定各線路長度時必須確定雷達發射電磁波經地面散射後傳播到風電機上任一散射中心的路程。因此，同樣可以利用鏡像原理求解。
步驟三計算斜坡背景下各線路風電機雷達回波利用的是坐標旋轉理論。計算斜坡背景下各線路風電機雷達回波時，當對風電機做鏡像之後，雷達相對於鏡像風電機的位置與斜坡的傾角有關。為了增加該算法的適用性，對風電機塔架底端為圓心建立坐標系，則可以通過含傾角參量的表達式來計算雷達相對於鏡像風電機位置。計算出位置信息後，即可得到風電機上散射中心的各線路長度，最終可以確定斜坡背景下各線路風電機雷達回波。
步驟三計算斜坡背景下風電機雷達回波利用的是疊加原理。由於求解該回波方法與平地背景下風電機雷達回波一樣，也是基於電磁波傳播的能量衰減原理。因此利用疊加原理將所求各線路下風電機雷達回波進行疊加，即可得到斜坡背景下風電機雷達回波。
本發明一種風電機葉片雷達回波都卜勒頻譜求解方法，有益效果如下：
1)、通過將大地影響引入風電機雷達回波計算，更加貼合實際，因此可使雷達對風電機目標的識別更加優化，同時也為後續研究雷達對風電機雜波抑制措施提供更加可靠的依據。
2)、根據求得的大地背景下風電機雷達回波，對其進行時頻分析，從都卜勒閃爍寬度以及出現的時間可以為風電機葉片長度、葉片轉速、葉片個數等參數的辨識提供相應的基礎及方法。
附圖說明
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明：
圖1為風電機點模型。
圖2(a)為線路(1)示意圖。
圖2(b)為線路(2)示意圖。
圖2(c)為線路(3)示意圖。
圖2(d)為線路(4)示意圖。
圖3為平地上風電機回波求解示意圖。
圖4為斜坡上風電機回波求解示意圖。
圖5為無大地時風電機回波時頻圖。
圖6為平地背景下的風電機回波時頻圖。
圖7為斜坡上的風電機回波時頻圖。
具體實施方式
一種大地背景下風電機雷達回波求解方法，基於電磁波傳播的衰減原理，用於雷達臺站的風電場雜波識別及其抑制。包含以下步驟：
步驟一：利用電磁波傳播的能量衰減原理，確定風電機雷達回波的線路。
步驟二：利用鏡像原理，確定某時刻下平地上風電機各散射中心所有線路回波，進而疊加得到平地背景下風電機雷達回波。
步驟三：利用鏡像原理和坐標旋轉理論，確定某時刻下斜坡上風電機各散射中心所有線路回波，進而疊加得到斜坡背景下風電機雷達回波。
上述步驟求解大地背景下風電機雷達回波的理論基礎是電磁波傳播的能量衰減原理。
步驟一確定風電機雷達回波線路根據的是電磁波傳播的能量衰減原理。
步驟二計算平地背景下各線路風電機雷達回波利用的是鏡像原理。
步驟二計算平地背景下風電機雷達回波利用的是疊加原理。
步驟三計算斜坡背景下各線路風電機雷達回波利用的是鏡像原理。
步驟三計算斜坡背景下各線路風電機雷達回波利用的是坐標旋轉理論。
步驟三計算斜坡背景下風電機雷達回波利用的是疊加原理。
具體來講，如附圖2所示，一種風電機葉片雷達回波都卜勒頻譜求解方法，包括以下步驟：
步驟一：利用電磁波傳播的能量衰減原理，確定風電機雷達回波的線路。
步驟二：利用鏡像原理，確定某時刻下平地上風電機各散射中心所有線路回波，進而疊加得到平地背景下風電機雷達回波。
步驟三：利用鏡像原理和坐標旋轉理論，確定某時刻下斜坡上風電機各散射中心所有線路回波，進而疊加得到斜坡背景下風電機雷達回波。
進一步，上述步驟求解大地背景下風電機雷達回波的理論基礎是電磁波傳播的能量衰減原理，其推導過程會在下面詳細介紹。
進一步，步驟一確定風電機雷達回波線路根據的是電磁波傳播的能量衰減原理：
對於風電機任一散射中心的回波而言，由於引入大地之後，電磁波會在散射中心和地面之間進行多重散射，因此，電磁波傳播線路將會發生變化，從而造成電磁波傳播總路程和散射情況均存在差異。當電磁波在每次散射中均伴隨有能量的損失，散射次數越多，雷達接收到的信號越弱，對雷達工作性能的影響也就越小。因此，利用電磁波傳播的能量衰減原理，將這些電磁波根據散射次數進行分類，並忽略3次以上的散射影響，則可確定存在以下4種線路：
(1)：雷達——風電機——雷達；
(2)：雷達——風電機——地面——雷達；
(3)：雷達——地面——風電機——雷達；
(4)：雷達——地面——風電機——地面——雷達。
進一步，步驟二計算平地背景下各線路風電機雷達回波利用的是鏡像原理：
引入風電機對大地的鏡像，可得如圖3所示的幾何關係圖。利用風電機塔架及其鏡像的連線OO′、雷達到風電機旋轉中心的連線OR以及雷達到風電機旋轉中心鏡像的連線O′R，組成的一個三角形來計算雷達相對於鏡像風電機的位置參數：距離r′、俯仰角β′以及方位角α′，上述3個參量可根據雷達到風電機旋轉中心O的距離r、風電機塔架高度H、雷達相對於風電機的方位角α和俯仰角β求得：
α′＝α
r′，β′，α′3個參量確定後，則可以求解平地背景下4條線路風電機任一散射中心雷達回波的線路距離，再帶入散射點雷達回波公式，可以得到4種線路下該散射中心的雷達回波，再對各線路下所有散射中心雷達回波進行疊加，即可得到平地背景下4中線路的風電機雷達回波。
對於線路(1)，風電機雷達回波可以看作是不考慮大地的回波信號，因此，線路(1)的風電機雷達回波Z1(t)：
式中：Zb(t)為風電機葉片回波，Zt(t)為風電機塔架回波，L為葉片長度，δk(t)為第k個葉片與x軸的夾角，λ為雷達電磁波波長。
對於線路(2)，任一散射中心雷達回波線路長度為雷達到該散射中心距離和雷達到該散射中心鏡像距離之和，將其代入點散射回波公式，再將所有散射中心雷達回波疊加，求解得到線路(2)的風電機雷達回波Z2(t)：
式中，δk′(t)為第k個葉片的鏡像與連線O′R的夾角：
cosδk′(t)＝cosθk′(t)sinα′sinβ′+sinθk′(t)cosβ′
式中，θk′(t)為第k個葉片的鏡像與y軸的鏡像y′軸的夾角。
由於鏡像風電機葉片旋轉角度與風電機葉片旋轉角度是互補的，故第k個葉片的鏡像與y′軸所成角度為θk′(t)＝2π-θk(t)。
對於線路(3)的風電機雷達回波信號，與線路(2)相比，雖然兩線路中風電機上同一散射中心的回波信號傳播方向相反，但是其傳播軌跡相同，因此兩線路同一散射中心的雷達回波相等。故線路(3)的回波信號Z3(t)＝Z2(t)。
線路(4)的風電機雷達回波信號可以視為鏡像風電機在自由空間中的雷達回波。需要注意的是，鏡像風電機的塔架方向朝上，與z軸方向一致，因此鏡像風電機葉片回波信號為Z4(t)：
式中：Zb″(t)為鏡像風電機葉片回波，Zt″為鏡像風電機塔架回波，δk′(t)為鏡像風電機第k個葉片與x軸的夾角。
進一步，步驟二計算平地背景下風電機雷達回波利用的是疊加原理。將求解得到的平地背景下4種線路下風電機雷達回波進行疊加，即可得到平地背景下風電機雷達回波Zf：
Zf(t)＝Z1(t)+Z2(t)+Z3(t)+Z4(t)。
進一步，步驟三計算斜坡背景下各線路風電機雷達回波利用的是鏡像原理。由於在求解線路(2)、(3)風電機雷達回波時，仍然需要求解雷達發射電磁波經地面散射後傳播到風電機上任一散射中心的路程，引入風電機鏡像後，該路程等於任雷達到該散射中心距離和雷達到該散射中心鏡像距離之和。
進一步，步驟三計算斜坡背景下各線路風電機雷達回波利用的是坐標旋轉理論。當風電機所處平面存在一定的傾斜角γ時，雷達相對於風電機的位置不變，但相對於鏡像風電機位置則發生改變，步驟二中求解雷達相對於鏡像風電機的位置參數的三角形不再存在，故需重新找尋求解方法。此時，利用坐標旋轉理論，對風電機塔架底部建立坐標系，利用坐標運算得雷達相對於鏡像風電機的位置參數：距離r′、俯仰角β′以及方位角α′，如下
r′＝sqrt[(-rsinβcosα)2+(-rsinβsinα-Hsin2γ)2+(M+rcosβ+Hcos2γ)2]
β′＝arccos[Hsin2γ(-rsinβsinα-Hsin2γ)-Hcos2γ(H+rcosβ+Hcos2γ)]/(H·r1)
α′＝arccos[(-rsinβcosα)/sqrt((-rsinβcosα)2+(-rsinβsinα-Hsin2γ)2]
由於斜坡背景下風電機雷達回波求解與平地情況相比，僅存在上述三個參數的差別。因此，求解出這三個參數後，帶入步驟二中4條線路下風電機雷達回波求解公式，即可得到斜坡背景下4條線路的風電機雷達回波。
進一步，步驟三計算斜坡背景下風電機雷達回波利用的是疊加原理。求解出斜坡背景下4條線路的風電機雷達回波後，將結果進行疊加，即可得到斜坡背景下風電機雷達回波。
實施例：
按照上述步驟對某一風電機進行背景下風電機雷達回波求解。該風電機葉片長度26m，塔架高度55m，葉片數為3，旋轉角速度20rad/min，葉片中心到雷達的距離10km，在t＝0時刻，令任一葉片位於水平朝右方向。雷達發射信號頻率1GHz，脈衝重複頻率1000Hz，脈衝寬度1μs。為更清晰分析存在平地、斜坡情況下的風電機回波，故取方位角α＝π/6，俯仰角β＝π/7，斜坡與水平面夾角為γ＝π/6。分別得到無大地時風電機雷達回波時頻圖、平地背景下風電機雷達回波時頻圖和斜坡背景下風電機雷達回波時頻圖，分別如圖5、圖6和圖7所示。
根據圖5，6次都卜勒閃爍出現的時刻均為δ＝π/2的時刻。由於風電機葉片為單數，故在任意時刻最多只存在一個葉片與雷達視線垂直，且葉片垂直迎向雷達運動和垂直背離雷達運動的情況交替出現，因此，時頻圖中一次只出現1個都卜勒閃爍，且正、負都卜勒閃爍也相應交替出現。
最大都卜勒頻率fmax與葉尖相對於雷達視線的最大速度vmax有關，經過計算可得：
因此，葉片回波的最大都卜勒頻率為：
通過上式求得的最大都卜勒頻率與時頻圖中結果相符。
根據圖6，平地上的風電機單葉片的回波總是3個都卜勒閃爍一組的出現，與無大地時風電機回波相比，增加了2個都卜勒閃爍。這是由於考慮大地時，雷達電磁波傳播線路相比無大地額外增加了3種，但由於線路(2)和線路(3)的風電機回波相等，故其都卜勒閃爍時刻相同，在時頻圖中表現為都卜勒閃爍重疊，從而造成時頻圖中共顯示3個都卜勒閃爍。
線路(1)與線路(4)對應的都卜勒閃爍分別在δ＝π/2和δ』＝π/2的時刻出現。由於風電機葉片與雷達電磁波夾角和方位角、俯仰角以及風電機葉片旋轉角度有關，故都卜勒閃爍出現的時刻也和這3個因素有關。由於α與α』相等，β與β』不等，θ與θ』不等，因此，這2個都卜勒閃爍的出現時間不同。當風電機轉速不變時，其回波的最大都卜勒頻率只與方位角有關。由於風電機與鏡像風電機轉速恆定相等，且α＝α』，故線路(1)、(4)對應的最大都卜勒頻率相等。
線路(2)和線路(3)的都卜勒閃爍重疊，其能量要大於單線路的都卜勒閃爍的能量，因此其顏色較線路(1)、(4)深。通常線路(2)、(3)對應的都卜勒閃爍出現時，風電機葉片與雷達視線並不垂直的，其葉片相對於電磁波的運動相對減小，故其最大都卜勒頻率也較線路(1)、(4)小。同時，線路(2)、(3)出現都卜勒閃爍時，風電機葉片旋轉角度與線路(1)、(4)中風電機葉片旋轉角度不同，其出現的時刻也有別於線路(1)、(4)。
根據圖7，鏡像風電機旋轉中心O′的位置會隨傾斜角γ發生變化，從而造成α′與β′的變化。當α′、β′發生變化時，線路(2)、(3)、(4)所對應都卜勒閃爍的出現時刻也會隨之發生變化；嚴重時，不同線路的都卜勒閃爍將會重合。此外，由於線路(2)、(3)、(4)對應的最大都卜勒頻率與α′有關，因此α′變化，這些最大都卜勒頻率也將發生變化。
由圖5、圖6和圖7可以發現風電機雷達回波的都卜勒閃爍將會明顯增加，且隨著地面傾斜角的變化，線路(2)、(3)、(4)所對應的都卜勒閃爍出現的時間以及頻率均會改變。顯然，在對風電機回波的特徵進行研究時，大地的影響必須加以考慮。因此，大地背景下的風電機雷達回波求解是必要的。