雷达的风电场杂波抑制中风轮机朝向估计方法
【专利摘要】一种雷达的风电场杂波抑制中风轮机朝向估计方法。其包括：首先根据风电场中各风轮机相对于雷达的位置关系确定风轮机所在的雷达分辨单元，并分析这些雷达分辨单元的频谱。根据各风轮机所在雷达分辨单元的频谱宽度，估算对应的线速度，该速度为风轮机叶片尖端相对于雷达的最大径向线速度。建立各风轮机叶片尖端最大径向线速度与风轮机朝向角对应关系的方程。最后利用雷达与风轮机间的位置关系，并利用风电场中所有风轮机朝向一致的特点求解方程而估计出风轮机朝向角。风轮机朝向角是雷达的风电场杂波抑制中所需要的一个重要参数，本发明可以为有效抑制风电场杂波对雷达系统的干扰奠定技术基础。
【专利说明】
雷达的风电场杂波抑制中风轮机朝向估计方法
技术领域
[0001] 本发明属于雷达信号处理技术领域，特别是涉及一种雷达的风电场杂波抑制中风 轮机朝向估计方法。
【背景技术】
[0002] 研究表明风电场作为一种特殊的高大障碍物，可能对包括航管监视雷达、气象雷 达、无线电导航设备在内的无线电设备产生显著影响，因此若能对航管监视雷达、气象雷达 等雷达系统中风电场杂波进行有效抑制，对于保障雷达设备正常工作以及飞行安全无疑具 有重要意义。
[0003] 利用雷达信号处理机采用信号处理方法抑制风电场杂波是减轻或消除风电场杂 波干扰的一种成本相对低廉且有效的方法，采用信号处理方法获取风轮机朝向参数可以为 风电场杂波抑制方法提供重要信息。
[0004] 目前已有的利用信号处理获取风轮机朝向的方法通常是先利用风轮机雷达回波 信号的时频谱特征获取风轮机的转速，再利用由时频谱得到的风轮机叶尖相对雷达的最大 径向线速度，以及由风轮机转速和叶片长度推得的叶尖线速度，推算出风轮机旋转面相对 雷达视线的夹角。
[0005] 但是，上述方法利用时频谱特征获取风轮机转速时，需要利用凝视模式的雷达回 波数据，但实际雷达往往采用旋转扫描方式工作，因此无法获得凝视模式的数据，所以上述 获取风轮机转速的方法在实际中往往不可行。同时，目前的方法对于风电场中各风轮机间 的关系也未充分利用。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种雷达的风电场杂波抑制中风轮 机朝向估计方法。
[0007] 为了达到上述目的，本发明提供的雷达的风电场杂波抑制中风轮机朝向估计方法 包括按顺序进行的下列步骤：
[0008] 步骤一:根据风电场中各风轮机相对于雷达的位置关系确定风轮机所在的雷达分 辨单元，并分析这些雷达分辨单元的频谱，然后根据各风轮机所在雷达分辨单元的频谱宽 度估算出对应的线速度，该线速度为风轮机叶片尖端相对于雷达的最大径向线速度；
[0009] 步骤二:对于每台风轮机，建立各风轮机叶片尖端最大径向线速度与风轮机朝向 角对应关系的方程；
[0010] 步骤三:计算各风轮机间的空间距离，将距离较近的两台或多台风轮机编为一组；
[0011] 步骤四：利用风电场中所有风轮机朝向一致的特点，联立同一组中多台风轮机叶 片尖端最大径向线速度与风轮机朝向角对应关系的方程组，估算出各台风轮机相一致的朝 向角，不同组风轮机将估算出多个朝向角；
[0012] 步骤五:对估算出的多个朝向角进行筛选，将筛选后剩下的朝向角的均值作为最 终的朝向角估算结果。
[0013] 在步骤四中，所述的同一组中多台风轮机叶片尖端最大径向线速度与风轮机朝向 角对应关系的方程组为： \\ -m cos{〇, - a ) '，,=，cos民-汉）
[0014] J 2 ； ： 1 ⑴ ，"二cosfe - %)
[0015] 式中Vl(i = l，2,…，n)为第i台风轮机叶片尖端相对于雷达的最大径向线速度，0: (i = l，2,…，n)为雷达到第i台风轮机旋转面中心视线相对正北方向的方位角，为第j组 所有风轮机相同的叶片尖端最大线速度，A为第j组所有风轮机相同的朝向角。利用已知的 Vi，1求解风轮机朝向角aj。
[0016] 在步骤五中，所述的对估算出的多个朝向角进行筛选，提高风轮机朝向估计准确 度的方法为:对不同组风轮机估算出的多个朝向角进行统计分析，计算其均值与标准差，并 计算由均值加减若干倍的标准差所确定的区间，剔除估计出的多个朝向角中不在该区间内 的估计值。
[0017] 本发明提供的雷达的风电场杂波抑制中风轮机朝向估计方法适用于航管一次监 视雷达和多普勒天气雷达，可以为上述雷达系统基于信号处理的风电场杂波抑制方法，解 决风轮机朝向角这一重要参数的估计问题。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明提供的雷达的风电场杂波抑制中风轮机朝向估计方法流程图。
[0019] 图2为本发明中风轮机朝向角定义。
[0020] 图3为本发明中各风轮机与雷达的位置关系。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和具体实施例对本发明提供的雷达的风电场杂波抑制中风轮机朝 向估计方法进行详细说明。
[0022] 如图1所示，本发明提供的雷达的风电场杂波抑制中风轮机朝向估计方法包括按 顺序进行的下列步骤：
[0023] 步骤一:根据风电场中各风轮机相对于雷达的位置关系确定风轮机所在的雷达分 辨单元，并分析这些雷达分辨单元的频谱，然后根据各风轮机所在雷达分辨单元的频谱宽 度估算出对应的线速度，该线速度为风轮机叶片尖端相对于雷达的最大径向线速度。
[0024] 首先利用航管一次监视雷达或多普勒天气雷达的包括接收信号采样频率、脉冲重 复频率、雷达旋转速度、雷达仰角在内的参数，计算出每一个雷达的距离、方位和高度分辨 单元的大小，并根据各风轮机到雷达的空间几何位置关系，确定出风轮机所在的雷达分辨 单元。
[0025] 积累一定时间长度的回波信号，并利用傅立叶变换分析风轮机所在雷达分辨单元 的频谱。由于风轮机所在雷达分辨单元中风轮机叶片从轮毂到叶尖的线速度是连续变化的 且具有较宽的频谱，因此提取出风轮机所在雷达分辨单元的频谱宽度，频谱宽度对应于叶 片尖端相对于雷达的最大径向线速度，为叶片上各点的最大径向线速度，由式
(1)
[0027] 可得叶片尖端相对于雷达的最大径向线速度V，式中B为风轮机所在雷达分辨单元 的频谱宽度，X为雷达射频频率。
[0028] 步骤二:对于每台风轮机，建立各风轮机叶片尖端最大径向线速度与风轮机朝向 角对应关系的方程。
[0029] 如图2所示，风轮机朝向角a定义为风轮机旋转面与正北方向的夹角（-3T/2〈a<3T/ 2)，图2中AB为风轮机旋转面在地平面上的投影。图3为各风轮机及其旋转面方向与雷达位 置关系的示意图。图3中，R为雷达天线中心位置，Wi、W 2、W3为各台风轮机叶片中心位置，AB、 CD、EF为各风轮机旋转面在地平面上的投影，RW^RW^RWs为雷达到风轮机旋转面中心视线 在地平面上的投影。由图3可知，设雷达到风轮机旋转面中心视线在地平面上的投影相对正 北方向的方位角为9(〇<9〈231)，则可以得到风轮机叶片尖端最大径向线速度与风轮机朝向 角对应关系的方程为：
[0030] vi=miC〇s(9i-ai) (2)
[0031 ]式中Vi为第i台风轮机叶片尖端相对于雷达的最大径向线速度，mi为第i台风轮机 叶片尖端的最大线速度，I为雷达到第i台风轮机旋转面中心视线相对正北方向的方位角， ai为第i台风轮机的朝向角。式中mi与ai是未知的。
[0032]步骤三:计算各风轮机间的空间距离，将距离较近的两台或多台风轮机编为一组。
[0033]计算各风轮机间的空间距离，各风轮机的位置通常由经炜度和高度给出，可以使 用大地主题解算的方法计算出各风轮机间受水平距离和高度差影响的空间距离，再将距离 较近的两台或多台风轮机编为一组。
[0034]若将距离较近的两台风轮机编为一组，可建立已编组和未编组两个列表，开始时 所有风轮机均在未编组列表中。从未编组列表中取出任意一台风轮机，再在未编组列表中 选取与该风轮机空间距离最近的风轮机，将这两台风轮机编为一组并放入已编组列表中。 类似地对所有风轮机进行编组。若最后在未编组列表中只剩下一台风轮机，则将该风轮机 舍去。
[0035]若将距离较近的多台风轮机编为一组，同样建立已编组和未编组两个列表，开始 时所有风轮机均在未编组列表中。从未编组列表中取出任意一台风轮机，再在未编组列表 中选取与该风轮机空间距离小于给定阈值的风轮机，将这些风轮机编为一组并放入已编组 列表中。类似地对所有风轮机进行编组，最后舍去仅包含一台风轮机的编组。空间距离阈值 可根据实际情况取不同的值，以使每组中能包含数台风轮机并且尽可能取小为原则，例如 取10倍的风轮机叶轮直径。
[0036] 步骤四：利用风电场中所有风轮机朝向一致的特点，联立同一组中多台风轮机叶 片尖端最大径向线速度与风轮机朝向角对应关系的方程组，估算出各台风轮机相一致的朝 向角，不同组风轮机将估算出多个朝向角。
[0037] 由于同一风电场中所有风轮机的朝向均一致，即式(2)中，所有风轮机的朝向角^ 均相同。但同一时刻同一风电场中不同风轮机的转速可能会有差异，相距较近的位置风速 接近，同时距离相近的风轮机转速也接近，所以可以认为步骤三得到的同一组内的风轮机 转速近似相等。又因为同一风电场中通常均采用同一型号的风轮机，叶片长度相同，因此风 轮机转速相同时叶片尖端的最大线速度也相同。即式(2)中同一组的风轮机叶片尖端的最 大线速度nu也相同。联立同一组中多台如式(2)所示的风轮机叶片尖端最大径向线速度与 风轮机朝向角对应关系的方程，即对于第j组风轮机，有
(3)
[0039] 上述方程组中只需要两个方程即可求出未知的第j组风轮机叶片尖端的最大线速 度叫与风轮机朝向角若多于两个方程则求最小二乘解。不同组求得的风轮机叶片尖端的 最大线速度与风轮机朝向角一般也不同。
[0040] 步骤五:对估算出的多个朝向角进行筛选，将筛选后剩下的朝向角的均值作为最 终的朝向角估算结果。
[0041] 计算由步骤四求得的所有风轮机朝向角A的均值泛与标准差〇，然后计算出由上述 均值加减若干倍的标准差所确定的区间，例如以风轮机朝向角的均值泛加减1倍标准差的 区间为反- A泛+0*1，剔除不在该区间内的风轮机朝向角，以避免误差较大的数据或错误 数据对估计结果造成干扰，最后重新计算剩下的风轮机朝向角^的均值E[a]，该值即为最 终的朝向角估算结果。
【主权项】
1. 一种雷达的风电场杂波抑制中风轮机朝向估计方法，其特征在于:所述的方法包括 按顺序进行的下列步骤： 步骤一:根据风电场中各风轮机相对于雷达的位置关系确定风轮机所在的雷达分辨单 元，并分析这些雷达分辨单元的频谱，然后根据各风轮机所在雷达分辨单元的频谱宽度估 算出对应的线速度，该线速度为风轮机叶片尖端相对于雷达的最大径向线速度； 步骤二:对于每台风轮机，建立各风轮机叶片尖端最大径向线速度与风轮机朝向角对 应关系的方程； 步骤三:计算各风轮机间的空间距离，将距离较近的两台或多台风轮机编为一组； 步骤四：利用风电场中所有风轮机朝向一致的特点，联立同一组中多台风轮机叶片尖 端最大径向线速度与风轮机朝向角对应关系的方程组，估算出各台风轮机相一致的朝向 角，不同组风轮机将估算出多个朝向角； 步骤五:对估算出的多个朝向角进行筛选，将筛选后剩下的朝向角的均值作为最终的 朝向角估算结果。2. 根据权利要求1所述的雷达的风电场杂波抑制中风轮机朝向估计方法，其特征在于： 在步骤四中，所述的同一组中多台风轮机叶片尖端最大径向线速度与风轮机朝向角对应关 系的方程组为：(1 ) 式中vi(i = l，2，···，n)为第i台风轮机叶片尖端相对于雷达的最大径向线速度，0i(i = 1,2，···，n)为雷达到第i台风轮机旋转面中心视线相对正北方向的方位角，n^为第j组所有风 轮机相同的叶片尖端最大线速度，A为第j组所有风轮机相同的朝向角;利用已知的^，9 1求 解风轮机朝向角A。3. 根据权利要求1所述的雷达的风电场杂波抑制中风轮机朝向估计方法，其特征在于： 在步骤五中，所述的对估算出的多个朝向角进行筛选，提高风轮机朝向估计准确度的方法 为:对不同组风轮机估算出的多个朝向角进行统计分析，计算其均值与标准差，并计算由均 值加减若干倍的标准差所确定的区间，剔除估计出的多个朝向角中不在该区间内的估计 值。
【文档编号】G01S7/02GK105891784SQ201610225597
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】王晓亮, 何炜琨, 吴仁彪
【申请人】中国民航大学