一种风力涡轮机杂波检测方法与流程

本发明涉及一种风力涡轮机杂波检测方法，属于气象雷达信号检测
技术领域：
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背景技术：
：近年来，随着风电场数量及规模的不断增长，由风力涡轮机叶片在高速旋转过程中引起的杂波已成为影响气象雷达探测性能的主要因素，现有的雷达系统在地杂波、气象信号、涡轮机杂波同时存在的情况下，所采取的杂波抑制方法多为假设杂波处于静止或缓慢运动状态中，而忽略了快速运动中的叶片杂波，且运动中的涡轮机叶片的不同部分的转动线速度也不同。因此，研究涡轮机叶片的微多普勒频谱对减少由叶片杂波引起的雷达回波信号的误检测和误跟踪具有重大意义。为了解决上述问题，cornwall提出选用具有吸收波束功能的材料制作涡轮机叶片，从而减少雷达散射截面(radarcrosssquare,rcs)以抑制涡轮机杂波，但是由于材料制作成本高昂，难以推广；gallardob等人提出由雷达回波功率谱估计涡轮机叶片的转速，然后判断该转速是否在先验的风轮机叶片转速范围，以此来检测涡轮机杂波，该方法过于依赖先验数；国内何炜琨等人提出了基于混合模型的涡轮机机电磁散射特性仿真，该模型考虑了电磁波的反射系数等因素对回波的影响，但利用feko仿真软件所需建模时间较长，无法快速得到估算结果。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种风力涡轮机杂波检测方法，利用风力涡轮机杂波功率强、频谱宽这一特性，能够有效检测出气象雷达风力涡轮机杂波所在的距离单元，且运算量小，适合工程应用。本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种风力涡轮机杂波检测方法，基于气象雷达对风力涡轮机检测、所接收到的回波信号序列{x(n)}，实现风力涡轮机杂波的检测，n∈{1,…,k}，k表示气象雷达对风力涡轮机检测、所接收到回波信号的总数，x(n)表示气象雷达所接收到的第n个回波信号，检测方法包括如下步骤：步骤b.顺序针对气象雷达与风力涡轮机之间回波信号移动路径上的所有距离单元，按预设段数m进行平均划分，获得各段距离单元组，并获得各段距离单元组分别所对应的功率阈值；然后基于各功率阈值，剔除仅存在地杂波信号的各个距离单元，获得剩余各个距离单元，作为各个待处理距离单元，并进入步骤c；步骤c.基于回波信号序列{x(n)}，获得各个待处理距离单元分别所对应的谱宽估计值σl，然后进入步骤d；其中，l∈{1,...,n}，n表示待处理距离单元的数量，σl表示第l个待处理距离单元所对应的谱宽估计值；步骤d.按各待处理距离单元分别所对应的谱宽估计值σl，针对所有待处理距离单元进行升序排列，针对序列前端、序列尾端，分别剔除预设d个待处理距离单元；然后获得剩余所有待处理距离单元所对应谱宽估计值的平均值，并结合预设谱宽放大系数γ，获得谱宽检测阈值σ0，并进入步骤e；步骤e.分别针对步骤b所获各个待处理距离单元，判断待处理距离单元所对应的谱宽估计值σl是否大于谱宽检测阈值σ0，是则表示该待处理距离单元存在风力涡轮机杂波，否则表示该待处理距离单元不存在风力涡轮机杂波。作为本发明的一种优选技术方案：所述检测方法还包括步骤a如下，首先执行步骤a，然后进入步骤b；步骤a.针对回波信号序列{x(n)}进行对消处理，实现对地杂波信号的抑制。作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤a中，采用由两个二脉冲对消器级联所构成的三脉冲对消器，针对回波信号序列{x(n)}进行对消处理，实现对地杂波信号的抑制。作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤a中，分别针对回波信号序列{x(n)}中的各个回波信号x(n)，获得如下公式结果；x(n)-2x(n+1)+x(n+2)并以该结果针对对应回波信号x(n)进行更新，分别完成各回波信号x(n)的更新，即对回波信号序列{x(n)}进行对消处理，实现对地杂波信号的抑制。作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤b包括如下步骤：步骤b-1.顺序针对气象雷达与风力涡轮机之间回波信号移动路径上的所有距离单元，按预设段数m进行平均划分，获得m段距离单元组，各段距离单元组中分别均包括z＝l/m个距离单元，然后进入步骤b-2；其中，l表示气象雷达与风力涡轮机之间回波信号移动路径上距离单元的总数；步骤b-2.分别针对各段距离单元组，按如下公式：获得各段距离单元组分别所对应的功率阈值pdm，然后进入步骤b-3；其中，m∈{1,...,m}，pdm表示第m段距离单元组所对应的功率阈值，g表示预设幅度系数，pmi表示第m段距离单元组中第i个距离单元回波信号的功率；步骤b-3.分别针对各个距离单元，判断距离单元回波信号的功率是否小于其所在距离单元组对应的功率阈值，是则判定该距离单元上仅存在地杂波信号，并剔除该距离单元；否则不对该距离单元进行处理，待所有距离单元均完成上述判断操作后，进入步骤b-4；步骤b-4.将剩余各个距离单元，作为各个待处理距离单元，然后进入步骤c。作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤c包括如下步骤：步骤c-1.获得各个待处理距离单元分别所对应的r0l和r1l，然后进入步骤c-2；其中，l∈{1,...,n}，n表示待处理距离单元的数量，r0l表示第l个待处理距离单元回波信号序列零延迟自相关参数，r1l表示第l个待处理距离单元回波信号序列一阶自相关参数；步骤c-2.分别针对各个待处理距离单元，按如下公式：获得各个待处理距离单元分别所对应的谱宽估计值σl，然后进入步骤d；其中，σl表示第l个待处理距离单元所对应的谱宽估计值，λ表示气象雷达波长，tr表示前后相邻两回波信号之间的时间间隔。作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤c-1包括如下：分别针对各个待处理距离单元，按如下公式：获得待处理距离单元回波信号序列零延迟自相关参数r0l，其中，l∈{1,...,n}，n表示待处理距离单元的数量，r0l表示第l个待处理距离单元回波信号序列零延迟自相关参数；yl(n)表示第l个待处理距离单元的第n个回波信号，表示yl(n)的共轭；同时，根据如下公式：获得该待处理距离单元的回波信号序列一阶自相关参数r1l，其中，r1l表示第l个待处理距离单元的回波信号序列一阶自相关参数；yl(b+1)表示第l个待处理距离单元上的第b+1个回波信号，表示yl(b)的共轭，yl(b)表示第l个待处理距离单元的第b个回波信号；进而获得各待处理距离单元分别所对应的r0l和r1l，然后进入步骤c-2。作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤d中，针对所述剩余所有待处理距离单元所对应谱宽估计值的平均值，通过与所述预设谱宽放大系数γ的乘积，获得谱宽检测阈值σ0。本发明所述一种风力涡轮机杂波检测方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计风力涡轮机杂波检测方法，基于地杂波、气象信号、风力涡轮机杂波在谱宽上差异很大，利用风力涡轮机杂波功率强、频谱宽这一特性，通过谱宽的差异性来检测气象雷达风力涡轮机杂波，能够有效检测出风力涡轮机杂波所在的距离单元，且运算量小，适合工程应用。附图说明图1为风力涡轮机与雷达关系图；图2为本发明信号处理流程图；图3(a)为三脉冲对消前雷达回波信号(地杂波+气象信号)功率谱；图3(b)为三脉冲对消后雷达回波信号(地杂波+气象信号)功率谱；图4(a)为三脉冲对消前雷达回波信号(地杂波+wtc)功率谱；图4(b)为三脉冲对消后雷达回波信号(地杂波+wtc)功率谱；图5(a)为三脉冲对消前雷达回波信号(气象信号+地杂波+wtc)功率谱；图5(b)为三脉冲对消后雷达回波信号(气象信号+地杂波+wtc)功率谱；图6为气象信号谱宽估计；图7为气象信号+wtc谱宽估计。具体实施方式下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。本发明设计了一种风力涡轮机杂波检测方法，基于气象雷达对风力涡轮机检测、所接收到的回波信号序列{x(n)}，实现风力涡轮机杂波的检测，n∈{1,…,k}，k表示气象雷达对风力涡轮机检测、所接收到回波信号的总数，x(n)表示气象雷达所接收到的第n个回波信号。对于回波信号序列{x(n)}中的各个回波信号x(n)来说，其表达式为x(n)＝w(n)+c(n)+s(n)+u(n)或x(n)＝c(n)+s(n)+u(n)，其中，w(n)表示风力涡轮机杂波信号，c(n)表示地杂波信号，s(n)表示气象信号，u(n)表示噪声。实际应用中，即表示对于回波信号x(n)来说，其中可能包含风力涡轮机杂波信号w(n)，也可能不包含风力涡轮机杂波信号w(n)。地杂波信号c(n)：采用距离单元划分法，每个距离单元的宽度为fs为采样频率，c为光速。将一个距离单元划分成180个杂波散射单元，每个距离单元的杂波数据即为这180个杂波散射单元的叠加，第a个距离单元的地杂波回波信号为：式中ωt＝2πfd/fr为时域角频率，ra为第a个距离单元的距离，f为天线增益，fd为多普勒频率，fr为脉冲重复频率，n∈{1、…、k}，k表示气象雷达对风力涡轮机检测、所接收到回波信号的总数，l表示气象雷达与风力涡轮机之间回波信号移动路径上距离单元的总数。气象信号s(n)：气象目标是分布式目标，其回波信号可由多个散射单元的回波叠加形成。对第a个距离单元内所有散射单元的回波进行相干叠加，即为气象信号回波。第a个距离单元，气象信号在第n个回波信号采样可以表示为:其中，i为第a个距离单元内散射单元的总数，au为气象目标粒子u的幅度，由雷达方程决定。ωt为时域角频率，由下式可得：vu为气象目标粒子u的径向速度，λ为雷达波长风力涡轮机信号：风力涡轮机由叶片、桅杆和轮机舱组成，风力涡轮机杂波主要由叶片和桅杆杂波组成。叶片是转动的，桅杆是静止的，采用散射点叠加模型，风力涡轮机与雷达关系如图1所示。叶片信号：风力涡轮机有三个叶片，它们的间隔是120度，所以两两之间在角度上有一个120度的滞后，首先考虑一个叶片，那么其它两个叶片只是相差120度。将每个叶片看成由多个散射点组成，一个叶片的杂波就是这些散射点的叠加，三个叶片散射点的叠加就是风力涡轮机叶片杂波。风力涡轮机叶片一个散射点p的回波信号：式中，fc为雷达频率，为时延，rp为散射点p到雷达的距离：rg为风力涡轮机到雷达的距离，ri是叶片散射点到叶片轴心的距离，是参考叶片与雷达视线的夹角：α,β分别为方位角和俯仰角，θ是参考叶片与y轴正方向的夹角。去掉载波，可得基带信号为：于是所有叶片总的回波信号为(风力涡轮机叶片数一般为3个)：式中p为叶片散射粒子的总数。桅杆信号：桅杆是静止的，桅杆杂波也看成是多个散射点的叠加。则桅杆散射点q杂波为：rq是散射点q到雷达的距离：hi是散射点q到叶片轴心的距离。去掉载波，可得基带信号：则整个桅杆的回波信号为所有散射点的叠加：综上所述，风力涡轮机杂波信号：本发明所设计一种风力涡轮机杂波检测方法，实际应用当中，如图2所示，具体包括如下步骤。步骤a.针对回波信号序列{x(n)}进行对消处理，实现对地杂波信号的抑制，然后进入步骤b。上述步骤a在实际应用中，采用由两个二脉冲对消器级联所构成的三脉冲对消器，分别针对回波信号序列{x(n)}中的各个回波信号x(n)，获得如下公式结果；x(n)-2x(n+1)+x(n+2)并以该结果针对对应回波信号x(n)进行更新，分别完成各回波信号x(n)的更新，即对回波信号序列{x(n)}进行对消处理，实现对地杂波信号的抑制。由于仅存在地杂波的距离单元在经过三脉冲对消之后，对应的功率值在很大程度上得到抑制，根据功率阈值剔除仅存在地杂波的距离单元，将风力涡轮机杂波和气象信号可能存在的距离单元提取出来，进而缩小了后续数据处理的范围，即继续执行如下步骤。步骤b.研究发现距离雷达的远近程度不同，不同距离单元的雷达回波数据的功率值也不同，距离越远，功率值越小，反之则越大，为提高计算准确性，提出分段平均法。顺序针对气象雷达与风力涡轮机之间回波信号移动路径上的所有距离单元，按预设段数m进行平均划分，获得各段距离单元组，并获得各段距离单元组分别所对应的功率阈值；然后基于各功率阈值，剔除仅存在地杂波信号的各个距离单元，获得剩余各个距离单元，作为各个待处理距离单元，并进入步骤c。上述步骤b实际应用当中，具体执行如下步骤：步骤b-1.顺序针对气象雷达与风力涡轮机之间回波信号移动路径上的所有距离单元，按预设段数m进行平均划分，获得m段距离单元组，各段距离单元组中分别均包括z＝l/m个距离单元，然后进入步骤b-2；其中，l表示气象雷达与风力涡轮机之间回波信号移动路径上距离单元的总数。步骤b-2.分别针对各段距离单元组，按如下公式：获得各段距离单元组分别所对应的功率阈值pdm，然后进入步骤b-3；其中，m∈{1,...,m}，pdm表示第m段距离单元组所对应的功率阈值，g表示预设幅度系数，实际应用当中，g＝1.2，pmi表示第m段距离单元组中第i个距离单元回波信号的功率。步骤b-3.分别针对各个距离单元，判断距离单元回波信号的功率是否小于其所在距离单元组对应的功率阈值，是则判定该距离单元上仅存在地杂波信号，并剔除该距离单元；否则不对该距离单元进行处理，待所有距离单元均完成上述判断操作后，进入步骤b-4。步骤b-4.将剩余各个距离单元，作为各个待处理距离单元，然后进入步骤c。步骤c.基于回波信号序列{x(n)}，获得各个待处理距离单元分别所对应的谱宽估计值σl，然后进入步骤d；其中，l∈{1,...,n}，n表示待处理距离单元的数量，σl表示第l个待处理距离单元所对应的谱宽估计值。上述步骤c实际应用当中，具体执行如下步骤：步骤c-1.获得各个待处理距离单元分别所对应的r0l和r1l，然后进入步骤c-2；其中，l∈{1,...,n}，n表示待处理距离单元的数量，r0l表示第l个待处理距离单元回波信号序列零延迟自相关参数，r1l表示第l个待处理距离单元回波信号序列一阶自相关参数。实际应用当中，各个待处理距离单元分别所对应的r0l和r1l，按如下具体执行获得。分别针对各个待处理距离单元，按如下公式：获得待处理距离单元回波信号序列零延迟自相关参数r0l，其中，l∈{1,...,n}，n表示待处理距离单元的数量，r0l表示第l个待处理距离单元回波信号序列零延迟自相关参数；yl(n)表示第l个待处理距离单元的第n个回波信号，表示yl(n)的共轭。同时，根据如下公式：获得该待处理距离单元的回波信号序列一阶自相关参数r1l，其中，r1l表示第l个待处理距离单元的回波信号序列一阶自相关参数；yl(b+1)表示第l个待处理距离单元上的第b+1个回波信号，表示yl(b)的共轭，yl(b)表示第l个待处理距离单元的第b个回波信号。进而获得各待处理距离单元分别所对应的r0l和r1l。步骤c-2.分别针对各个待处理距离单元，按如下公式：获得各个待处理距离单元分别所对应的谱宽估计值σl，然后进入步骤d；其中，σl表示第l个待处理距离单元所对应的谱宽估计值，λ表示气象雷达波长，tr表示前后相邻两回波信号之间的时间间隔。步骤d.按各待处理距离单元分别所对应的谱宽估计值σl，针对所有待处理距离单元进行升序排列，针对序列前端、序列尾端，分别剔除预设d个待处理距离单元，实际应用当中，可以设计针对序列前端、序列尾端，分别剔除预设2个待处理距离单元；然后获得剩余所有待处理距离单元所对应谱宽估计值的平均值，通过与预设谱宽放大系数γ的乘积，获得谱宽检测阈值σ0，并进入步骤e。步骤e.分别针对步骤b所获各个待处理距离单元，判断待处理距离单元所对应的谱宽估计值σl是否大于谱宽检测阈值σ0，是则表示该待处理距离单元存在风力涡轮机杂波，否则表示该待处理距离单元不存在风力涡轮机杂波。将本发明所设计风力涡轮机杂波检测方法，应用于具体实施例当中，雷达系统仿真参数如下表1所示，风力涡轮机系统仿真参数如下表2所示。载频f05.5ghz脉冲重复频率fr1000hz脉冲个数64雷达高度(m)1000表1叶片长度(m)26桅杆高度(m)70轴心到雷达的距离(km)36转叶转速(r/min)15旋转面夹角73.5°参考叶片初始夹角90°表2在本仿真实验中，首先将雷达回波信号经过三脉冲对消，滤去地杂波和风力涡轮机桅杆杂波。设第1到第50个距离单元存在气象信号，分别估计出各个距离单元谱宽。在第25个距离单元加入风力涡轮机杂波，估计出该距离单元谱宽。对比第25个距离单元和其他距离单元谱宽的大小关系，根据二者关系，计算出谱宽检测阈值。本仿真实验中，地杂波是动杂波，其多普勒频率中心在36hz，谱宽为20hz。由于三脉冲对消器只能够有效抑制在零频附近的杂波，所在在进行三脉冲对消之前首先要进行频谱搬移，将地杂波的多普勒频率中心搬移到零频。三脉冲对消前，雷达回波(地杂波+气象信号)功率谱如图3(a)所示，三脉冲对消后，雷达回波(地杂波+气象信号)功率谱如图3(b)所示。由图可得出，在三脉冲对消前，地杂波功率约为38db，经过三脉冲对消后，地杂波功率下降到-20db，下降了58db，地杂波得到了有效的抑制。三脉冲对消前，气象信号功率约为48db，经过三脉冲对消，气象信号功率上升到了55db，可以看出三脉冲对消器对气象信号无较大影响。三脉冲对消前，雷达回波(地杂波+wtc)功率谱如图4(a)所示，三脉冲对消后，雷达回波(地杂波+wtc)功率谱如图4(b)所示。由图可得，三脉冲对消前，在零频处信号(风力涡轮机桅杆杂波+地杂波)功率约为49db，经过三脉冲对消后，下降至0db，下降了49db。而在其他频率范围的杂波功率在三脉冲对消前后相差不大。图5(a)为三脉冲对消前雷达回波(气象信号+地杂波+wtc)功率谱，图5(b)为三脉冲对消后雷达回波(气象信号+地杂波+wtc)功率谱。经过三脉冲对消器之后，地杂波和风力涡轮机桅杆杂波得到了有效抑制，剩下气象信号和风力涡轮机叶片杂波。气象信号和风力涡轮机叶片杂波在谱宽上有很大差异。首先假设第1到50个距离单元只存在气象信号，对其进行谱宽估计，得出的结果如图6所示，由仿真实验可知，气象信号的谱宽σs在0.36—0.54m/s。在第25个距离单元加入wtc，对该距离单元进行谱宽估计，如图7所示，得该距离单元谱宽为σd＝5.0206m/s。比较σd和(为σs求平均所得)关系，计算可以设置谱宽放大系数γ＝6，即可得谱宽检测阈值σ0＝6×σs。当待检测距离单元谱宽σl＞σ0时，该距离单元存在风力涡轮机杂波。上述技术方案所设计风力涡轮机杂波检测方法，基于地杂波、气象信号、风力涡轮机杂波在谱宽上差异很大，利用风力涡轮机杂波功率强、频谱宽这一特性，通过谱宽的差异性来检测气象雷达风力涡轮机杂波，能够有效检测出风力涡轮机杂波所在的距离单元，且运算量小，适合工程应用。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。当前第1页12