一种风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱求解方法技术

一种风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱求解方法，根据推导的叶片动态雷达散射截面波动频率与叶片雷达回波信号多普勒频率的等值关系，首先运用“Nyquist采样定理”确定叶片静态RCS计算的旋转角度间隔；然后，利用物理光学法与等效电磁流法构成的混合算法，分别计算风电机叶片在各个采样角度下的RCS，从而基于“准静态法”得到叶片的动态RCS；最后，对得到的叶片动态RCS进行离散短时傅里叶变换，求得叶片动态RCS的多普勒频谱，也即叶片雷达回波信号的多普勒频谱。本发明专利技术可以为雷达台站对风电机目标进行有效识别提供新的方法及途径，并且能够为风电场的电磁散射缩减，以及雷达台站的风电场杂波特征提取及其抑制等方面提供理论基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱求解方法，属于风电场与雷达系统的电磁兼容领域。
技术介绍
随着风电场的日益增多，风电机对周边雷达台站不可避免地产生越来越突出的电磁干扰问题。目前，雷达台站抑制风电机雷达回波干扰的方法较为多样，但其基本原理类似，即从载有风电机实际电磁散射特性的雷达回波信号中进行风电机叶片多普勒效应的标志性目标识别，从而采用雷达改造、升级或信号处理的方法滤除回波中的风电机杂波分量以减小干扰。对于处于静止状态下的风电机塔架及机舱的回波，现有雷达技术较易处理，难点在于叶片在实际动态旋转条件下，旋转的叶片会对雷达信号产生明显的调制，从而向外部空间散射出具有多普勒效应的雷达回波，造成雷达侧风电机杂波难以抑制。因此，获取风电机叶片雷达回波的多普勒频谱，以此来对风电机叶片雷达回波的多普勒特性进行辨识及分析是风电机对雷达信号干扰防护的基础。现有获取风电机叶片雷达回波多普勒频谱的方法分为两种：风电机缩比模型实验、风电机回波仿真计算。这两种方法都是通过先获取风电机雷达回波的数据，然后基于某种数学变换求得叶片雷达回波的多普勒频谱。但是，需要指出的是，风电机缩比模型的制作无法完全解决频率缩放时，电导率、介电常数等电参数变化引起的影响，从而造成测量误差；同时，缩比模型实验手段测量成本较高，研制周期较长，参数不方便修改，实验的重复性较差。而风电机回波的仿真计算则基于风电机叶片的点散射模型，即将叶片视为一系列散射点的叠加，建立叶片的雷达回波仿真模型，而后分析叶片的多普勒特性，但这种模型显然过于粗略，目前也仅用于风电机叶片雷达回波多普勒特性的定性分析。并且，目前尚无有关风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱求解方法的相关专利。所以，需要针对性的提出一种新的方法，解决风电机叶片雷达回波多普勒频谱的求解问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是针对上述现有方法的不足，基于推导出的叶片动态雷达散射截面(RCS)波动频率与叶片雷达回波信号多普勒频率的等值关系，提供一种风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱求解方法，可以为雷达台站对风电机目标进行有效识别提供新的方法及途径，并且能够为风电场的电磁散射缩减，以及雷达台站的风电场杂波特征提取及其抑制等方面提供理论基础。本专利技术所采用的技术方案是：一种风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱求解方法，包括以下步骤：步骤一：运用“Nyquist采样定理”，确定叶片静态雷达散射截面(RCS)计算的旋转角度间隔。该定理要求叶片RCS的采样频率fc需满足：fc>2fdmax式中，fdmax为叶片旋转运动引起的最大多普勒频率，fdmax＝2fωR/c；ω为叶片旋转角速度；R为叶片长度，也即其旋转半径。当确定了采样频率fc时，则相应采样的叶片旋转角度间隔为：δ＝ω/fc。步骤二：利用PO法与ECM法构成的混合算法，分别计算叶片在各个采样角度下的RCS，从而基于“准静态法”得到叶片的动态RCS。该混合算法首先采用面劈模型来逼近叶片的几何外形，然后在叶片某一固定姿态下对面元和劈边进行遮挡判断和消隐处理，接着利用PO法将雷达入射电磁波在叶片表面产生的感应电流作为二次散射源代替叶片本身，通过对表面感应场的近似和积分来计算叶片的远区散射场；由于PO无法考虑叶片边缘绕射场的影响，为此引入严格的ECM法，将边缘绕射视为等效电磁流辐射引起的，通过对等效电磁流积分即可得各方向的远区散射场。最后，将表面和劈边所产生的散射场进行矢量叠加即可得到总的散射场，从而求解出叶片的静态RCS。求解得叶片静态RCS之后，利用“准静态法”得到叶片的动态RCS。“准静态法”将运动目标在某一瞬间的散射场(即动态散射场)，用目标静止于此时它所在运动轨迹处的散射场来近似，但是要求运动物体的旋转频率远小于入射电磁波的频率，物体上的最大线速度远小于光速，而实际旋转的风电机叶片恰好满足这个条件。步骤三：对求得的叶片动态RCS进行离散短时傅里叶变换(STFT)，求得叶片动态RCS的多普勒频谱，也即叶片雷达回波信号的多普勒频谱。令x(k)为通过采样得到的叶片离散动态RCS信号，则x(t)信号STFT的离散形式，即叶片雷达回波信号的多普勒频谱为：SF(t,f)|t=mΔt,f=nNΔt=SF(m,n)=Σk=0N-1x(kΔt)w*(kΔt-mΔt)e-j2nkπ/N]]>式中，N为采样点总数；k、m、n＝0，1，2，3…N-1；Δt为时间变量的采样间隔；w(t)为时间宽度很短的窗函数，上标“*”表示复共轭。由式上式可见，变换结果为一个二维复矩阵，该矩阵元素对应叶片的RCS频谱幅值，行对应叶片的RCS采样时间点，列对应叶片的RCS频率值，即为所求叶片的雷达回波多普勒频率值。上述步骤求解风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱的理论基础是叶片动态雷达散射截面(RCS)波动频率与叶片雷达回波信号多普勒频率的等值关系。通过该理论基础求解风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱，可以避免目前风电机叶片回波准确及快速获取的技术难题，首先根据已经非常成熟准确的叶片动态RCS求解技术求得叶片的动态RCS，然后通过叶片动态RCS波动频率的求解，间接快速准确地得到叶片雷达回波信号的多普勒频谱。步骤一确定叶片静态RCS计算的角度间隔根据的是“Nyquist采样定理”。本专利是通过“准静态法”得到叶片的动态RCS，但该动态RCS是离散非连续的，无法直接获得叶片雷达回波的多普勒变化频率，所以必须采用数学离散变换方法获得，而数学离散变换首先要求对动态RCS的时间序列进行采样，才能准确地得到风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱。为此，本专利技术专利选用高效且被广泛运用的“Nyquist采样定理”来确定叶片静态RCS计算的角度间隔。步骤二计算叶片在各个采样角度下的静态RCS的方法是PO-ECM混合算法。该混合算法首先采用面劈模型来逼近叶片的几何外形，然后在叶片某一固定姿态下对面元和劈边进行遮挡判断和消隐处理，接着利用PO法将雷达入射电磁波在叶片表面产生的感应电流作为二次散射源代替叶片本身，通过对表面感应场的近似和积分来计算叶片的远区散射场；由于PO法无法考虑叶片边缘绕射场的影响，为此引入严格的ECM法将边缘绕射视为等效电磁流辐射引起的，通过对等效电磁流积分即可得各方向的远区散射场。最后，将表面和劈边所产生的散射场进行矢量叠加即可得到总的散射场，从而求解出叶片准确的静态RCS。步骤二获取叶片动态RCS的方法是“准静态法”。获取叶片动态RCS的方法可以分为时域有限差分法、相对论法和准静态法，其中，“准静态法”最为简单实用。该“准静态法”将运动目标在某一瞬间的散射场(即动态散射场)，用目标静止于此时它所在运动轨迹处的散射场来近似，其要求运动物体的旋转频率远小于入射电磁波的频率，物体上的最大线速度远小于光速，而实际旋转的风电机叶片恰好满足这个条件。步骤三获取叶片雷达回波信号的多普勒频谱的方法是对步骤二求得的叶片动态RCS进行离散STFT。该离散STFT是目前一种高效的数学离散变换方法，被广泛运用于数据分析的多普勒频谱求解当中。本专利技术一种风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱求解方法，有益效果如下：1)、可以为雷达台站对风电机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱求解方法，其特征在于，基于叶片动态雷达散射截面(RCS)波动频率与叶片雷达回波信号多普勒频率的等值关系，来实现叶片雷达回波信号多普勒频谱的求解。

【技术特征摘要】
1.一种风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱求解方法，其特征在于，基于叶片动态雷达散射截面(RCS)波动频率与叶片雷达回波信号多普勒频率的等值关系，来实现叶片雷达回波信号多普勒频谱的求解。2.一种风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱求解方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一：运用“Nyquist采样定理”，确定叶片静态RCS计算的旋转角度间隔；步骤二：利用物理光学法(PO)与等效电磁流法(ECM)构成的混合算法，分别计算叶片在各个采样角度下的静态RCS，从而基于“准静态法”得到叶片的动态RCS；步骤三：对求得的叶片动态RCS进行离散短时傅里叶变换(STFT)，求得叶片动态RCS的多普勒频谱，也即叶片雷达回波信号的多普勒频谱。3.根据权利要求2所述的一种风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱求解方法，其特征在于，上述步骤求解风电机叶片雷达回波信号多普勒频谱的理论基础，是叶片动态雷达散射截面(RC...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐波，刘任，黄力，王爽，孙睿，江浩田，吴卓，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42