一种风轮机叶片多普勒频移分析方法

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种风轮机叶片运动而对雷达雷达回波产生的多普勒频移的分析方法。

背景技术：

由于风力发电行业的蓬勃发展，越来越多的风力发电场(以下简称风电场)正在建立，风电场的规模和风机的结构也越来越大。然而，最近研究表明，风电场的主体风轮机，由于其庞大的结构和复杂的电磁散射特性，会对雷达、导航和监视等电子设备会产生严重影响。国外发达国家，如美国、英国、德国和西班牙等，均已开始研究风电场对雷达的干扰，以期为风电场的选址和风电场干扰抑制提供技术支持。

本发明主要是涉及风轮机叶片运动对雷达回波产生的多普勒频移分析方法研究。由于风轮机的叶片是运动的，叶片尖端最高线速度可超过100m/s，而且叶片不同部分转动的线速度不同(从轮毂到叶尖连续变化)，从而在雷达回波多普勒谱中产生频带很宽的杂波。而传统的地杂波滤波器无法移除该部分杂波，使得雷达难于利用速度信息检测目标，造成现有雷达动目标检测技术失效，可能引起雷达误检测和误跟踪。因此，研究一种风轮机叶片运动产生的多普勒频移的分析方法，对叶片运动而产生的多普勒频移进行科学估算具有十分重要的意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种风轮机叶片多普勒频移分析方法，已经在多个实际的风电场建设中进行了应用，通过该方法进行模拟运算的结果与实际数据进行对比，证明了该方法的可用性。

本发明已经在多个实际的风电场建设中进行了应用，通过该方法进行模拟运算的结果与实际数据进行对比，证明了该方法的可用性

为了实现上述技术方案，本发明提供了一种风轮机叶片多普勒频移分析方法，包括有首先建立风轮机叶片多普勒频移数学模型，然后提出提出雷达回波调制方程和多普勒频移计算方法，并依据雷达回波调制方程和多普勒频移计算方法对多个角度的多普勒频移进行案例验证。

进一步改进在于，具体步骤如下：

步骤一：建立风轮机叶片多普勒频移数学模型

根据实际数据，风轮机叶片长为d0＝71.5m，最大转速为12.9转/分，及叶片的叶尖旋转线速度高达96.53m/s，理论计算叶片旋转过程中产生的最大多普勒频移如公式(1)：

式子中v为叶尖旋转线速度，f是雷达工作频率为0.24ghz，c为光速；

分析风叶旋转对雷达天线的影响，将风轮机叶片中心置于原点，直接选取一个叶片的叶尖，初始角度为θ，叶片绕x轴以12.9转/分的转速旋转，距离叶片中心50000m处，雷达从正面照射叶片，距离叶尖r；

由于雷达a正面照射，雷达与叶片的距离r＝(r0²+d0²)^1/2为常数，雷达与目标未发生相对位移，无多普勒频移，将雷达沿圆周依次平移100，从不同的角度照射叶片的叶尖，由此计算出不同照射角度的rcs；最后直接设置雷达c从侧面照射叶片，此时叶片与雷达的相对距离最大，雷达有最大的多普勒频移；

步骤二：雷达回波调制方程

设t＝0时刻，风叶与y轴夹角为θ，则任意t时刻，雷达与风叶叶尖距离r(t)为公式(2)：

r(t)＝{r0²+[d1-d0cos(θ+ωt)]²+[d0sin(θ+ωt)]²}^1/2()

雷达回波方程见公式(3)：

式中d0是风叶长度，d1是雷达沿y轴的平移距离，ω是风叶的转速，ρ是点的散射率，f是载频，λ是波长，r(t)是雷达到目标点的距离；

步骤三：多普勒频移计算方法

将任意时刻的r(t)带入雷达回波调制方程中，利用matlab画出其回波视频图，进行傅里叶变化，然后将回波载频去掉，通过小波变化分析其多普勒频移；

步骤四：依据数学模型进行多个角度的多普勒频移进行案例验证。

进一步改进在于，在所述步骤四中，验证时将模拟运算的结果与实际数据进行对比，以验证其可用性。

本发明的有益效果是：本发明已经在多个实际的风电场建设中进行了应用，通过该方法进行模拟运算的结果与实际数据进行对比，证明了该方法的可用性，本发明对叶片运动而产生的多普勒频移进行科学估算具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明叶片旋转对雷达天线回波的影响示意图。

图2为本发明的入射角为40度时雷达与风叶位置图。

图3为本发明的入射角为40度时雷达回波示意图。

图4为本发明的入射角为40度时回波傅里叶变换示意图。

图5为本发明的入射角为40度时去载波示意图。

图6为本发明的入射角为40度时多普勒频移示意图。

图7为本发明的入射角为90度时雷达与风叶位置图。

图8为本发明的入射角为90度时回波傅里叶变换示意图。

图9为本发明的入射角为90度时去载波示意图。

图10为本发明的入射角为90度时多普勒频移示意图。

图11为本发明的入射角0度时雷达与风叶位置及其多普勒频移示意图。

图12为本发明的入射角10度时雷达与风叶位置及其多普勒频移示意图。

图13为本发明的入射角20度时雷达与风叶位置及其多普勒频移示意图。

图14为本发明的入射角30度时雷达与风叶位置及其多普勒频移示意图。

图15为本发明的入射角40度时雷达与风叶位置及其多普勒频移示意图。

图16为本发明的入射角50度时雷达与风叶位置及其多普勒频移示意图。

图17为本发明的入射角60度时雷达与风叶位置及其多普勒频移示意图。

图18为本发明的入射角70度时雷达与风叶位置及其多普勒频移示意图。

图19为本发明的入射角80度时雷达与风叶位置及其多普勒频移示意图。

图20为本发明的入射角90度时雷达与风叶位置及其多普勒频移示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

根据图1所示，本实施例提供了一种风轮机叶片多普勒频移分析方法，包括有首先建立风轮机叶片多普勒频移数学模型，然后提出提出雷达回波调制方程和多普勒频移计算方法，并依据雷达回波调制方程和多普勒频移计算方法对多个角度的多普勒频移进行案例验证。

具体步骤如下：

步骤一：建立风轮机叶片多普勒频移数学模型

风轮机叶片的旋转会对雷达的回波产生调制影响，根据理论分析，物体相对雷达运动越快，产生的多普勒频移越大，根据实际数据，风轮机叶片长为d0＝71.5m，最大转速为12.9转/分，及叶片的叶尖旋转线速度高达96.53m/s，理论计算叶片旋转过程中产生的最大多普勒频移如公式(1)：

式子中v为叶尖旋转线速度，f是雷达工作频率为0.24ghz，c为光速；

如图1所示，为了分析风叶旋转对雷达天线的影响，将风轮机叶片中心置于原点，直接选取一个叶片的叶尖，初始角度为θ，叶片绕x轴以12.9转/分的转速旋转，距离叶片中心50000m处，雷达从正面照射叶片，距离叶尖r；

由于雷达a正面照射，雷达与叶片的距离r＝(r0²+d0²)^1/2为常数，雷达与目标未发生相对位移，无多普勒频移，将雷达沿圆周依次平移10°，从不同的角度照射叶片的叶尖，由此计算出不同照射角度的rcs；最后直接设置雷达c从侧面照射叶片，此时叶片与雷达的相对距离最大，雷达有最大的多普勒频移；

步骤二：雷达回波调制方程

设t＝0时刻，风叶与y轴夹角为θ，则任意t时刻，雷达与风叶叶尖距离r(t)为公式(2)：

r(t)＝{r0²+[d1-d0cos(θ+ωt)]²+[d0sin(θ+ωt)]²}^1/2(2)

雷达回波方程见公式(3)：

式中d0是风叶长度，d1是雷达沿y轴的平移距离，ω是风叶的转速，ρ是点的散射率，f是载频，λ是波长，r(t)是雷达到目标点的距离；

步骤三：多普勒频移计算方法

将任意时刻的r(t)带入雷达回波调制方程中，利用matlab画出其回波视频图，进行傅里叶变化，然后将回波载频去掉，通过小波变化分析其多普勒频移；

步骤四：依据数学模型进行多个角度的多普勒频移进行案例验证。

在所述步骤四中，验证时将模拟运算的结果与实际数据进行对比，以验证其可用性

对入射角为40度和90度时举例分析：

入射角为40度时举例分析：如图2所示，在距离风电场50000m，及雷达以40度角度入射风机；其回波如图3所示；然后对回波进行傅里叶变换，如图4所示；可以明显看出其载波及少量的多普勒频移，进行去载波变化，如图5所示；最后进行小波变换，如图6所示。

可以看出在雷达以40度照射时，雷达的回波会受到近100hz的多普勒频移。

入射角为90度时举例分析：当雷达直接从侧面距离风轮机50000m照射时，即从90度照射风叶，风叶绕着x轴旋转，如图7所示；对其回波进行傅里叶变换，如图8所示；明显可以看出载频中混杂着宽多普勒频移，将载频去掉，如图9所示；对其进行小波变化，如图10所示；其多普勒频移最大约为150hz，与理论计算值相近。

验证不同角度下的多普勒频移

a.入射角0度，红色点代表旋转风叶叶尖，绿色表示雷达。雷达垂直入射风电场，距离为50000m，沿y轴距离为0m。其多普勒频移，如图11所示。

仿真显示其多普勒频移为0hz，由于雷达直接垂直入射，与风叶叶尖的相对位移不变，所以多普勒频移为0hz，与理论分析一致。

b.入射角10度，多普勒频移如图12所示；

c.入射角20度，多普勒频移如图13所示；

d.入射角30度，多普勒频移如图14所示；

e.入射角40度，多普勒频移如图15所示；

f.入射角50度，多普勒频移如图16所示；

g.入射角60度，多普勒频移如图17所示

h.入射角70度，多普勒频移如图18所示

i.入射角80度，多普勒频移如图19所示

j.入射角90度，有最大多普勒频移，多普勒频移，如图20所示：

由此可见，随着雷达入射角度的增大，雷达与目标点的相对位置逐渐变大，其多普勒频移也逐渐增大，但是最大的多普勒频移仍只受雷达载波频率与风叶旋转频率乘积的影响。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。