GR1010867B - Μεθοδος μειωσης επηρεασμου ρανταρ απο ανεμογεννητριες παραγωγης ηλεκτρικης ενεργειας - Google Patents

Abstract

Μέθοδος μείωσης του επηρεασμού των Ραντάρ από Ανεμογεννήτριες λόγω των παρεμβολών που προκαλούνται, από την περιστροφή των πτερυγίων τους, με συνέπεια τα ανακλώμενα - οπισθοσκεδαζόμενα κύματα (επιστροφές) από τις ανεμογεννήτριες να εμφανίζουν ολίσθηση συχνότητας Doppler σε σχέση με την συχνότητα του εκπεμπόμενου σήματος από τα ραντάρ. Η μέθοδος περιλαμβάνει συνδυαστικά τις ακόλουθες δύο τεχνικές επεξεργασίας σήματος: α) την δημιουργία «σχισμής χρόνου απόρριψης» στον δέκτη του ραντάρ η οποία υλοποιείται με την αφαίρεση των «σχισμών χρόνου» που περιέχουν τις επιστροφές των ανεμογεννητριών (τεχνική στο πεδίο του χρόνου) και β) την δυναμική καταπίεση των επιστροφών από τις ανεμογεννήτριες η οποία υλοποιείται με την στατιστική αφαίρεση του φασματικού περιεχομένου της μέσης τιμής των οπισθοσκεδαζόμενων σημάτων τους από κάθε σήμα στην έξοδο του ραντάρ (τεχνική στο πεδίο της συχνότητας). Η συνδυαστική μέθοδος εξελίσσει τις μεθόδους επεξεργασίας σημάτων με σχεδόν μηδενική ολίσθηση Doppler και υπολογισμού «δυναμικού κατωφλίου» των ραντάρ MTI/MTD (Moving Target Indicator/Detector).

Description

[0001] ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ

[0003] Μέθοδος μείωσης επηρεασμού Ραντάρ από Ανεμογεννήτριες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας

[0005] Η παρούσα εφεύρεση αναφέρεται σε μια συνολική συνδυαστική μέθοδο μείωσης του επηρεασμού και των παρεμβολών που δημιουργούνται από τις Ανεμογεννήτριες και τα Αιολικά Πάρκα στα ραντάρ, προκειμένου να αντιμετωπιστούν και να εξαλειφθούν οι συνέπειες των επιδράσεών τους σε αυτά οι οποίες προκαλούνται από την περιστροφή των πτερυγίων των ανεμογεννητριών. Ειδικότερα, η μέθοδος περιλαμβάνει συνδυαστικά δύο τεχνικές οι οποίες αφορούν επεξεργασία σήματος τόσο στο πεδίο του χρόνου όσο και στο πεδίο της συχνότητας.

[0007] 1. ΟΙ ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ και ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥΣ Όπως είναι γνωστό από την αντίστοιχη θεωρία, η λειτουργία του ραντάρ στηρίζεται στην εκπομπή, μέσω της κεραίας του, δέσμης ακτινοβολίας ήλεκτρο μαγνητικού σήματος, παλμικής κυματομορφής, το οποίο ανακλάται από έναν στόχο και «επιστρέφει» στο ραντάρ όπου λαμβάνεται στον δέκτη του στον οποίο και γίνεται η επεξεργασία του. Τα λαμβανόμενα σήματα στον δέκτη του ραντάρ αναφέρονται επίσης ως ανακλώμενα σήματα ή «επιστροφές» ή ηχώς (οι έννοιες αυτές από τεχνικής άποψης και μαθηματικής ανάλυσης είναι ταυτόσημες). Από τις επιστροφές αυτές είναι δυνατόν να προσδιοριστούν η απόσταση του στόχου (range) και η διόπτευσή του (γωνία αζιμουθίου).

[0009] Στα σύγχρονα ραντάρ, η απεικόνιση των παραπάνω λαμβάνει χώρα μέσω της οθόνης ΡΡΙ (Pulse Position Indicator) στην οποία παρουσιάζονται τα ίχνη των στόχων όπως αυτά καθορίζονται από την επεξεργασία του λαμβανόμενου σήματος επιστροφής, τα αντίστοιχα επίπεδα κατωφλιού θορύβου (threshold) και του λόγου σήματος προς θόρυβο (signal to noise ratio - SNR) στο δέκτη του ραντάρ. Η οθόνη ΡΡΙ «διαχωρίζεται σε κελιά (range cells)» μονάδων απόστασης και αζιμουθίου αντίστοιχα ενώ το ίχνος των στόχων εξαρτάται κυρίως από την ενεργό διατομή τους η οποία αποδίδεται διεθνώς με τον όρο Radar Cross Section (RCS). Στην περίπτωση ακανόνιστης ανάκλασης (σκέδασης) από διάφορα αντικείμενα του περιβάλλοντος χώρου οι επιστροφές αυτές λόγω οπισθοσκέδασης (back-scattered signals - «λαμβανόμενες επιστροφές») αποτελούν παρεμβολές που απεικονίζονται και αυτές στην οθόνη ΡΡΙ και διεθνώς αναφέρονται γενικά ως clutter.

[0011] Στην προκειμένη περίπτωση, το φαινόμενο των παρεμβολών που δημιουργούνται στα ραντάρ από τις ανεμογεννήτριες (Α/Γ) και τα Αιολικά Πάρκα (Α/Π) ονομάζεται στη βιβλιογραφία «clutter ανεμογεννητριών» (WTC-Wind Turbine Clutter). Το πρόβλημα είναι πιο έντονο ειδικά στα ραντάρ έρευνας και στα ραντάρ ελέγχου εναέριας κυκλοφορίας αεροδρομίων. Οι παρεμβολές έχουν ως συνέπεια την απευαισθητοποίηση του ραντάρ και την μείωση της συνολικής απόδοσής του, ελαττώνοντας την δυνατότητα ανίχνευσης πραγματικών στόχων στον χώρο επάνω και γύρω από ένα Αιολικό Πάρκο, καθώς και την αύξηση του clutter δηλαδή των επιστροφών που συμβαίνουν λόγω οπισθοσκέδασης από τα πτερύγια των Ανεμογεννητριών και του φαινομένου Doppler από την περιστροφή τους [1],

[0012] Το θέμα αυτό έχει απασχολήσει την βιβλιογραφία και εταιρίες ανάπτυξης συστημάτων ραντάρ που έχουν προτείνει λύσεις για «ραντάρ συμβατά με αιολικά πάρκα» (“windfarm compliant radars”) [2], Η κύρια συνέπεια της μειωμένης απόδοσης του ραντάρ λόγω των παρεμβολών των Α/Γ είναι ότι αποτυγχάνουν να ανιχνεύσουν στόχους και να τους παρακολουθήσουν. Σε κάθε περίπτωση πρόκειται για ένα ενεργό πεδίο έρευνας με συνεχώς καινούργια αποτελέσματα σε εξέλιξη αναφορικά με την ανάπτυξη και επαλήθευση συνδυασμών εναλλακτικών λύσεων θεραπείας ενός σοβαρού προβλήματος όπως είναι η επίδραση των ανεμογεννητριών στα ραντάρ καθώς και η συνεργατική ανάπτυξη ευρύτερων συστημάτων.

[0013] Παρ' όλο που δεν έχει βρεθεί μέχρι τώρα καμιά οριστική λύση ολικής εξάλειψης των παρεμβολών αυτών, υπάρχουν αξιόλογες τεχνικές και στρατηγικές που μεμονωμένα ή σε συνδυασμό μπορούν να επιτύχουν μετρίαση των συνεπειών αυτών σε μεγάλο βαθμό και οι οποίες διαφοροποιούνται ανάλογα με τον τύπο και την χρήση των ραντάρ. Συνοπτικά οι στρατηγικές που έχουν προταθεί περιλαμβάνουν τις παρακάτω μεθόδους:

[0014] Σύνοψη υφιστάμενων μεθόδων

[0015] Α) Τροποποιήσεις στα ραντάρ:

[0016] οι οποίες περιλαμβάνουν παρεμβάσεις στα ίδια τα ραντάρ στις κυματομορφές των εκπεμπόμενων σημάτων και στο υλικό (hardware) του ραντάρ ή / και στην μονάδα Επεξεργασίας Σήματος (Signal Processing Unit - SPU) του δέκτη τους ώστε να αντιμετωπίσουν τις συνέπειες των παρεμβολών από τις Α/Γ :

[0017] 1) Ειδικά στην περίπτωση που οι Α/Γ βρίσκονται στην κεντρική γραμμή εντός του κοινού ορίζοντα όρασης (Line of Sight - LOS) του ραντάρ, είναι πιθανόν συμφερότερη η αντικατάσταση παλαιών ραντάρ με νέου τύπου, με βελτιωμένη μονάδα επεξεργασίας με επαυξημένες κυματομορφές, που επιτρέπουν την διαφοροποίηση πραγματικών στόχων από τις επιστροφές σκέδασης στις Α/Γ [1],

[0018] 2) Αλλαγή της κλίσης της κεραίας του ραντάρ, αλλαγές μεταξύ των δυο δεσμών σήματος σε ραντάρ δύο διαστάσεων ελέγχου εναέριας κυκλοφορίας (2D-ATC: Air Traffic Control). Χρήση κεραιών με ηλεκτρονικό φασικό έλεγχο των δεσμών ακτινοβολίας των κεραιών τους (phased arrays) που επιτρέπει τον έλεγχο των πλευρικών τους λοβών [1],

[0019] 3) Χρήση επιπρόσθετων μεθόδων επεξεργασίας σήματος από την μονάδα Επεξεργασίας Σήματος (SPU). Μετά την φάση ανίχνευσης των παρεμβολών λόγω των ανεμογεννητριών (clutter Α/Γ) μπορούν να εφαρμοστούν μέθοδοι αποκλεισμού ή καταπίεσης σημάτων (range-azimuth gating) που προέρχονται από συγκεκριμένη περιοχή του ορίζοντα (αζιμούθιο και απόσταση) ή σβήσιμο κελιών (blanking cells) επεξεργασίας που σχετίζονται με σημαντικό clutter λόγω των Α/Γ. Το σημαντικό μειονέκτημα αυτών των προσεγγίσεων είναι ότι δημιουργούν στο δέκτη ΡΡΙ μια περιοχή «τυφλή» (blind area) γύρω από τις Α/Γ, όπου το ραντάρ δεν μπορεί να ανιχνεύσει πραγματικούς στόχους [1], Αυτές περιλαμβάνουν ενδεικτικά τις ακόλουθες τεχνικές:

[0020] a. Στο εκπεμπόμενο σήμα μπορούν να γίνουν εκ των προτέρων οι εξής τροποποιήσεις: σχεδίαση κυματομορφής έτσι ώστε οι παλμοί να είναι σύντομοι (χρονικά στενοί, χωρίς δηλαδή να υπάρχει «χρονικό ξεχείλισμα»), περιορίζοντας με αυτόν τον τρόπο την επίδραση των Α/Γ σε λίγα σημεία, και μειώνοντας την απευαισθητοποίηση του ραντάρ σε μεγάλες αποστάσεις. Το πρόβλημα αυτών των μεθόδων με σύντομους παλμούς είναι η περιορισμένη ισχύς σε ATC ραντάρ, για την ανίχνευση μικρών στόχων σε μεγάλη απόσταση [1], b. Επεξεργασία στον δέκτη του μέσου θορύβου περιβάλλοντος (edited background averaging), ώστε να αποκλειστούν ιδιαίτερα μεγάλες τιμές επιστροφών λόγω των Α/Γ, που επηρεάζουν τα επίπεδα κατωφλίων (thresholding) του ραντάρ κι έχουν αρνητική επίδραση στην απόδοσή του. Αυτή η μέθοδος βελτιώνει την απευαισθητοποίηση του ραντάρ σε μεγάλες αποστάσεις, με στενούς παλμούς, αλλά δεν μειώνει το clutter των Α/Γ ουσιαστικά [1], c. Χρήση χαρτών clutter υψηλής ευκρίνειας (clutter maps), ώστε με κελιά (cells) μικρού μεγέθους να περιορίζεται η περιοχή απευαισθητοποίησης του ραντάρ. Αυτή η μέθοδος μπορεί να είναι πολύ αποτελεσματική στην αντιμετώπιση του clutter των Α/Γ με την χρήση πολλαπλών δεσμών (beams) σε ραντάρ αεράμυνας [1],[3], Πολλές τεχνικές έχουν προταθεί για τον εντοπισμό των κελιών που επηρεάζονται από το clutter των Α/Γ όπως στη [4], όπου στέλνονται αρχικά αναγνωριστικοί παλμοί σε κάθε εύρος δέσμης της κεραίας του ραντάρ, κατά την περιστροφή της κεραίας, ώστε διαρκώς να ανανεώνεται ο χάρτης clutter.

[0021] d. Χρήση προσαρμοσμένων φίλτρων για την εξάλειψη των παρεμβολών clutter των Α/Γ. Με τις τεχνικές αυτές εντοπίζεται το σήμα παρεμβολής των Α/Γ και στην συνέχεια αφαιρείται από το εισερχόμενο, λαμβανόμενο σήμα στο ραντάρ και αποκαθίσταται το επιθυμητό σήμα στον δέκτη. Υπάρχουν πολλές προτάσεις στη βιβλιογραφία σε αυτή την κατεύθυνση και θα εμβαθύνουμε σε αυτές περισσότερο σε επόμενες παραγράφους. Τα κύρια προβλήματα αυτών των μεθόδων είναι ότι είναι πολύπλοκες στην εφαρμογή τους και θα απαιτήσουν τελικά επανα-πιστοποίηση του ραντάρ με υψηλό κόστος [1],

[0022] 4) Plot/track Filtering: Τα σύγχρονα ραντάρ (π.χ. ραντάρ έρευνας) επιτελούν την διαδικασία tracking που αντιστοιχεί στην παρακολούθηση του ίχνους του στόχου κατά την κίνησή του. Οι μέθοδοι plot/track filtering αφορούν εναλλακτικές τεχνικές στη διαδικασία tracking για την αποφυγή παρακολούθησης ίχνους στην περιοχή των Α/Γ: αυτό επιτυγχάνεται με χρήση non-automatic initiation zones (ΝΑΙΖ) και προσαρμοσμένων φίλτρων για plot/track filtering που μπορούν να εξαλείψουν τα ίχνη των τροχιών που προέρχονται από τις Α/Γ [1],

[0024] Β) Εγκατάσταση συμπληρωματικών ραντάρ ή/και αισθητήρων (gap-filler radars).

[0025] Λόγω του clutter των Α/Γ, δημιουργείται συχνά στο πεδίο κάλυψης ενός ραντάρ μια περιοχή («χάσμα») στην οποία το συγκεκριμένο ραντάρ δεν μπορεί να ανιχνεύει στόχους. Διάφορες λύσεις με περισσότερα ραντάρ που δύνανται να καλύπτουν το «χάσμα» αυτό που οφείλεται στις Α/Γ έχουν αναπτυχθεί από εταιρίες και έχουν τύχει εγκατάστασης και εφαρμογής π.χ. σε αεροδρόμια.

[0026] Τα συμπληρωματικά αυτά ραντάρ ονομάζονται gap-fillers (ή και ραντάρ πλήρωσης ή αναπλήρωσης) και συνεργάζονται με τα κύρια ραντάρ ώστε να βελτιώνεται η ικανότητα ανίχνευσης στόχων των τελευταίων κοντά στις Α/Γ. Χρησιμοποιούνται τεχνικές σύντηξης δεδομένων (data fusion) για την επεξεργασία των δεδομένων [1], Για κάποιες τέτοιες τεχνικές χρησιμοποιείται ο όρος “ Mosaicing" Στην ίδια κατεύθυνση είναι και η εγκατάσταση συμπληρωματικών συστημάτων ηλεκτρομαγνητικών και άλλων αισθητήρων. Το μειονέκτημα αυτών των λύσεων είναι το υψηλό κόστος τους ειδικά εγκατάστασης και λειτουργίας τους [5],

[0028] Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται η γραφική αναπαράσταση ενός gap-filler ραντάρ για την αντιμετώπιση του clutter Α/Γ με sensor fusion. Το ραντάρ που βρίσκεται στα δεξιά δεν έχει παρεμβολές από τις Α/Γ [6],

[0030] Γ) Τροποποιήσεις στις Ανεμογεννήτριες:

[0032] οι οποίες περιλαμβάνουν νέα υλικά και σχήματα κατασκευής με στόχο τις Α/Γ τεχνολογίας stealth (stealthy wind turbines), ώστε να μειωθεί το ίχνος RCS και επομένως οι παρεμβολές τους. Τέτοιες τροποποιήσεις κυρίως αφορούν στο σχήμα του πύργου (πυλώνας της Α/Γ), το υλικό κατασκευής των πτερύγων (χρησιμοποιώντας μεταλλαγμένες πολυμερείς ίνες υάλου) και την επικάλυψή τους με ένα «ενεργό» στρώμα που μετατοπίζει τις συχνότητες Doppler που αναπτύσσονται εκτός των ορίων συχνότητας λειτουργίας του ραντάρ.

[0034] Επιπρόσθετα συνιστώνται αλλαγές σχεδιασμού της διάταξης και τοποθέτησης των Αιολικών Πάρκων έτσι ώστε [1] :

[0036] - Να μην υπάρχουν Α/Γ στον ορίζοντα όρασης LOS του ραντάρ

[0037] - Να αυξηθούν οι αποστάσεις μεταξύ των Α/Γ σε ένα αιολικό πάρκο έτσι ώστε η κάθε μια να είναι διακριτή ξεχωριστά, βελτιώνοντας τις δυνατότητες ανίχνευσης στόχων στην περιοχή του αιολικού πάρκου.

[0038] - Οι Α/Γ στις άκρες του αιολικού πάρκου, να τοποθετούνται σε κυκλικό σχήμα θέτοντας το ραντάρ στο κέντρο του κυκλικού τόξου [7],

[0040] Δ) Αλλαγή κανονισμών και νέες οδηγίες εγκατάστασης Α/Γ

[0041] Αλλαγές έχουν προταθεί για την εναέρια κυκλοφορία, όπως να υπάρχει ελεγχόμενος χώρος στην περιοχή αιολικών πάρκων και ίσως υποχρέωση εγκατάστασης transponders (αναμεταδότη) σε όλα τα αεροσκάφη που πετούν σε τέτοιες περιοχές. Κάποιοι οργανισμοί έχουν δημοσιεύσει νέους κανόνες για τον υπολογισμό μιας ασφαλούς ζώνης γύρω από Α/Γ, όπως οι EUMETNET και World Meteorological Organization [1],

[0043] Ε) Επιλογή τοποθεσίας βάσει γεωμορφολογίας (terrain screening) Ο καλός προγραμματισμός της τοποθεσίας εγκατάστασης των Αιολικών Πάρκων μπορεί να συμβάλει ώστε η γεωμορφολογία να προσφέρει φυσικό εμπόδιο στην διάδοση των σημάτων ραντάρ. Στην καλύτερη περίπτωση οι Α/Γ θα πρέπει να εγκατασταθούν στην πίσω πλευρά κάποιου υψώματος απέναντι από το ραντάρ, ώστε να κρύβονται από την ακτινοβολία του ραντάρ. Δυστυχώς με τη τοποθέτηση των Α/Γ σε κορυφογραμμές ή στην ακτογραμμή, συνήθως, δεν προσφέρεται αρκετή κάλυψη στην ακτινοβολία του ραντάρ η οποία εμποδίζεται από τις Α/Γ [1],

[0045] ΣΤ) Σύγχρονες ερευνητικές κατευθύνσεις

[0046] Η σύγχρονη ερευνητική δραστηριότητα πάνω στην αντιμετώπιση του clutter Α/Γ συνοπτικά επικεντρώνεται στους εξής άξονες:

[0047] a) Διαχωρισμός σημάτων με βάση διαφορές μεταξύ των σημάτων ραντάρ και του clutter Α/Γ. Έχουν προταθεί πολλές μέθοδοι επεξεργασίας των σημάτων με στόχο την αντιμετώπιση των παρεμβολών από το clutter Α/Γ με τεχνικές φιλτραρίσματος ή ανάπτυξη πολύπλοκων αλγορίθμων για την μείωση αυτών των παρεμβολών. Σήμερα δεν υπάρχει ακόμη μια τελική λύση γι' αυτό το πρόβλημα, διότι τα σήματα παρεμβολών από τις Α/Γ έχουν πολύ μεγάλη διαφοροποίηση στο χρόνο και καλύπτουν ολόκληρο το φάσμα συχνοτήτων Doppler, καθώς οι ταχύτητες που αναπτύσσονται στα πτερύγια από το κέντρο της Α/Γ μέχρι την άκρη του πτερυγίου κυμαίνονται από 0 έως 220 m/s [1], Μια πιο αναλυτική παρουσίαση για τις τεχνικές αυτές γενικότερης αντιμετώπισης του clutter δίνεται στην επόμενη παράγραφο, (αναφορικά με τις τεχνολογίες MTI/MTD).

[0048] b) Άλλη έρευνα στην [8] προτείνει τη χρήση dechirping για να ελαττώσει τις παρεμβολές σε ραντάρ συνεχούς κύματος με διαμόρφωση συχνότητας FMCW. Μετά το dechirping τα σήματα από πραγματικούς στόχους παράγουν άθροισμα complex exponentials ενώ οι παρεμβολές παράγουν παλμούς τύπου chirp. Για την μείωση της παρεμβολής προτείνεται μέθοδος βελτιστοποίησης με διαδοχικές επαναλήψεις, βασισμένη στα διαφορετικά χαρακτηριστικά των σημάτων στα πεδία του χρόνου και της συχνότητας. Μικρότερα χρονικά διαστήματα υπολογισμού του λόγου σήματος προς θόρυβο - SNR επιτυγχάνουν καλύτερη ακρίβεια ανίχνευσης [1],[8] . c) Σημαντική είναι η ερευνητική δραστηριότητα στην κατεύθυνση της Μηχανικής Μάθησης (ML - machine learning) και της Τεχνητής Νοημοσύνης (ΑΙ - artificial intelligence) [1], Προτείνεται η χρήση Νευρωνικών Δικτύων [9], [10] ή αλγορίθμων ΑΙ [11], [12] για την αναγνώριση πραγματικών στόχων μέσα στο clutter Α/Γ, με εκπαίδευση των αλγορίθμων σε πραγματικά δεδομένα. Η μέθοδος που αναπτύσσεται στο [12] στηρίζεται στα χαρακτηριστικά micro-Doppler σύντομων τμημάτων του φάσματος για την δημιουργία ανυσμάτων με βασικά χαρακτηριστικά για σύγκριση και κατηγοριοποίηση των σημάτων και προτάθηκε με επιτυχία για ραντάρ τύπου MFAR (multifunction array radar). Για την χρήση αυτών των μεθόδων στο πεδίο και σε πραγματικό χρόνο, χρειάζονται τα δεδομένα εκπαίδευσης να έχουν συλλεγεί σε τυχαίες στιγμές, ώστε να περιλαμβάνουν διαφορετικές κατευθύνσεις και γωνίες λειτουργίας των Α/Γ, ανάλογα με τις συνθήκες. Επίσης το χρονικό διάστημα συλλογής δεδομένων να αντιστοιχεί τουλάχιστον σε μια πλήρη περιστροφή της τουρμπίνας της Α/Γ. Από την άλλη πλευρά, η εκπαίδευση του συστήματος μπορεί να στηριχθεί σε στοχαστικά αποτελέσματα υπολογισμών με εκτεταμένη προσομοίωση, βασισμένα σε αρχές φυσικής [12],

[0049] 2. Η ΑΠΟΚΑΛΥΨΗ ΤΗΣ ΕΦΕΥΡΕΣΗΣ: ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ ΓΙΑ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΕΜΒΟΛΩΝ ΣΕ ΡΑΝΤΑΡ ΑΠΟ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ

[0051] Η μέθοδος που αποτελεί αντικείμενο της παρούσας εφεύρεσης, για την αντιμετώπιση του προβλήματος των παρεμβολών των Α/Γ στα ραντάρ, αφορά σε επεξεργασία σήματος και γι' αυτό το λόγο είναι πιο πρακτική και εύκολα εφαρμόσιμη καθώς δεν απαιτεί επιπλέον μονάδες υλικού (hardware) στα ήδη εγκατεστημένα συστήματα ραντάρ.

[0052] Αυτή η μέθοδος θα περιγράφει στη συνέχεια με όρους και σχέσεις μαθηματικής ανάλυσης μέσω των οποίων πραγματοποιούνται και οι αντίστοιχες υλοποιήσεις αλγορίθμων στις μονάδες επεξεργασίας σημάτων (signal processing unit - SPU) των ραντάρ. Η μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί σε κάθε παλμικό ραντάρ και κυρίως στα ραντάρ τεχνολογίας ΜΤΙ / MTD (Moving Target Indicator / Detector) τα οποία αποτελούν και την πλειονότητα των σύγχρονων ραντάρ έρευνας και αεράμυνας.

[0053] Ωστόσο, σε πρώτο χρόνο, δέον είναι να παρατεθεί μια σύντομη παρουσίαση με μαθηματικές σχέσεις ήλεκτρο μαγνητικής ανάλυσης του τρόπου λειτουργίας των ραντάρ τεχνολογίας MTI/MTD ώστε να καθοριστεί και να περιγράφει στην συνέχεια, με παρόμοιους μαθηματικούς όρους, η μέθοδος που αποτελεί αντικείμενο της παρούσας εφεύρεσης. Επιπλέον, για τους ίδιους λόγους θα παρατεθεί με μαθηματικούς όρους και η φύση της επίδρασης της παρουσίας Ανεμογεννητριών στο Πεδίο Παρατήρησης Ραντάρ.

[0055] Ραντάρ ΜΤΙ - Moving Target Indicator

[0056] Η τεχνολογία ραντάρ για ανίχνευση κινούμενων στόχων είναι γνωστή από την δεκαετία του 1950 και βασίστηκε στη μέθοδο ΜΤΙ, δηλαδή του Ενδείκτη Κινούμενων Στόχων (Moving Target Indicator). Η πρώτη γενιά παλμικών ραντάρ που ως πομπό χρησιμοποιούσαν την τεχνολογία μαγνητρόνης, που από παλμό σε παλμό εκπομπής στερείται φασικής συνάφειας, είχαν δυσκολία να ανιχνεύσουν χαμηλά ιπτάμενα στόχους, αφού τα σήματα επιστροφής από αυτούς βρίσκονταν «μέσα» στα σήματα επιστροφής από το ανάγλυφο της γης ή την θάλασσα, ακόμα και την βροχή ή και αερόφυλα (chaff) τα οποία υπήρξαν και τα πρώτα αντίμετρα κατά των ραντάρ. Το γεγονός ότι στην περίπτωση γρήγορα κινούμενων στόχων, όπως π.χ. αεροσκάφη, κατευθυνόμενα βλήματα και αυτοκίνητα, παρουσιάζεται το φαινόμενο Doppler, δηλαδή της αλλαγής της συχνότητας ταλάντωσης στα σήματα επιστροφής στα ραντάρ, έδωσε τη δυνατότητα της ανάπτυξης μεθόδων ανίχνευσης των στόχων αυτών ακόμα και όταν ίπτανται χαμηλά στην επιφάνεια της γης.

[0057] Η πρώτη τεχνολογία που αναπτύχθηκε υπήρξε η ΜΤΙ η οποία βασίζεται στην αρχή της εκπομπής διαδοχικών παλμών με φασική συνάφεια και της σύγκρισης διαδοχικών επιστροφών με την απόρριψη των σημάτων που προέρχονται από ακίνητους στόχους.

[0058] Αργή λειτουργίας ΜΤΙ

[0059] Στο Σχήμα 2 δεικνύεται το λειτουργικό διάγραμμα (block diagram) ενός ραντάρ ΜTI, όπου απεικονίζονται τα ακόλουθα:

[0060] - η αλυσίδα του πομπού, όπου το σήμα που παράγει ο Κύριος Ταλαντωτής εκπέμπεται με παλμική μορφή, μέσω της κεραίας, από τον Ενισχυτή Ισχύος καθώς αυτός οδηγείται από έναν παλμικό διαμορφωτή (on και off).

[0062] - Η αλυσίδα του δέκτη, όπου το λαμβανόμενο σήμα (επιστροφή) μετά τον Ενισχυτή Χαμηλού Θορύβου υποβιβάζεται σε συχνότητα μέσω του Μίκτη και του Τοπικού Ταλαντωτή.

[0064] - Η ενδιάμεση συχνότητα (IF: Intermediate Frequency) που προκύπτει οδηγείται σε κυκλώματα καθυστερητή και φωρατή φάσης, ώστε να διαχωριστεί η συχνότητα Doppler των κινούμενων στόχων από τα ανεπιθύμητα σήματα των ακίνητων στόχων.

[0066] Πιο συγκεκριμένα:

[0068] Στον πομπό παράγονται σήματα από τον Κύριο Ταλαντωτή με φασική συνάφεια το οποίο σημαίνει ότι ο Κύριος Ταλαντωτής έχει φασική “καθαρότητα” της τάξης Δf / f = 10.

[0070] Δηλαδή αν η συχνότητα εκπομπής του ραντάρ είναι f = 3 GHz, τότε Af = 3<.>

[0071] 10<9 .>10<-9>~ 3 Ηz και ο παλμικός διαμορφωτής παράγει σήματα:

[0073] 5(t) = A(t) cos(ω<o>t φ<o>) (1)

[0074] συναρτήσει του χρόνου t, όπου ωο είναι η φέρουσα κυκλική συχνότητα (ω<0>=2πf) και:

[0076]

[0078] όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 στο οποίο παρουσιάζεται διαγραμματικά η αλληλουχία των παλμών εκπομπής στο εκπεμπόμενο από το ραντάρ σήμα.

[0079] Όπως προκύπτει και από το Σχήμα 3, ισχύουν τα ακόλουθα:

[0081] - Τ είναι η περίοδος εκπομπής παλμών, δηλαδή ο χρόνος μεταξύ δύο διαδοχικών παλμών εκπομπής που ονομάζεται Pulse Repetition Time ή Pulse Repetition Interval (PRT ή PRI)

[0083] 1/Τ είναι το Pulse Repetition Frequency (PRF) δηλαδή η συχνότητα εκπομπής των παλμών του ραντάρ (ρυθμός επανάληψης παλμών) όπου ισχύει PRF = 1/PRT

[0085] - και τ είναι η διάρκεια παλμού.

[0087] Χρησιμοποιούμε αντί της εξ.(1), την μιγαδική μορφή των σημάτων ως ακολούθως:

[0089] S(t) =A(t)e<ĵφo>e<jω>o<t>

[0091] Το σήμα επιστροφής από ένα στόχο σε απόσταση R θα είναι:

[0093]

[0094] όπου 2R/c είναι η καθυστέρηση διπλής διαδρομής (διάδοση του σήματος και επιστροφή του) ενώ Κ είναι ο συντελεστής εξασθένησης και c είναι η ταχύτητα του φωτός.

[0096] Αν μεταξύ δυο διαδοχικών παλμών η απόσταση R μένει η ίδια, τότε η έξοδος από τον επεξεργαστή του δέκτη θα είναι μηδέν. Επομένως θα απορρίπτονται οι ακίνητοι στόχοι. Σε περίπτωση που έχουμε σχετική κίνηση του στόχου θα έχουμε:

[0098] R = R<0>+ vt (3)

[0099] όπου ν είναι η ακτινική ταχύτητα το στόχου προς το ραντάρ.

[0101] Στην περίπτωση αυτή το σήμα επιστροφής θα είναι:

[0103]

[0106] Η παρουσία του όρου exp

όπου δηλαδή ο όρος

[0107] ω<Λ>=<ω>ο ~

είναι η ολίσθηση συχνότητας Doppler.

[0109] Στη περίπτωση αυτή του κινούμενου στόχου ο επεξεργαστής εξόδου του δέκτη του ραντάρ θα δίνει:

[0111]

[0114] Όπου Τ είναι η χρονική απόσταση (περίοδος) μεταξύ των παλμών.

[0116] Η παραπάνω αρχή χρησιμοποιήθηκε την περίοδο 1950-1970 για την ανάπτυξη των Ραντάρ ΜΤΙ.

[0118] Ραντάρ MTD - Moving Target Detector

[0120] Η ανάπτυξη των ψηφιακών τεχνολογιών στις αρχές της δεκαετίας 1970 έδωσε τη δυνατότητα της ανάπτυξης μεθόδων Pulsed Doppler ραντάρ (Παλμικά Doppler) με διάφορες αλγοριθμικές μεθόδους. Η πλέον γενική μέθοδος υπήρξε η χρήση “Τράπεζας Φίλτρων” (filter bank) στη βαθμίδα ενδιάμεσων συχνοτήτων (IF) του δέκτη ραντάρ όπως φαίνεται στο Σχήμα 4 (σε σύγκριση με το προηγούμενο Σχήμα 2 του ΜΤΙ).

[0122] Η τράπεζα φίλτρων ανταποκρίνεται στα σήματα με ολίσθηση Doppler οπότε εκτός της απόρριψης των ακίνητων στόχων (όπως τα ραντάρ ΜΤΙ), τα Ραντάρ MTD έχουν επιπλέον τη δυνατότητα μέτρησης της ακτινικής ταχύτητας ν των κινούμενων στόχων.

[0124] Η συνήθης ΜΤΙ επεξεργασία ελαχιστοποιεί το στατικό clutter αλλά επίσης εξαλείφει και τους στόχους που κινούνται σε κάθετη προς την κατεύθυνση του ραντάρ τροχιά (καθώς τότε η ακτινική ταχύτητα του στόχου είναι μηδενική). Το μεγάλο πλεονέκτημα της τεχνολογίας MTD σε σχέση με το ΜΤΙ είναι ότι μπορεί να ανιχνεύει ένα κινούμενο αντικείμενο ακόμη κι αν αυτό μένει ακίνητο για λίγες στιγμές.

[0126] Με την ανάπτυξη των κυκλωμάτων επεξεργασίας σημάτων και της τεχνικής Ταχέως Μετασχηματισμού Fourier (FFT - Fast Fourier Transform) η Τεχνολογία Τράπεζας Φίλτρων έχει αντικατασταθεί από κυκλώματα FFT που ανιχνεύουν την ύπαρξη σημάτων με ολίσθηση Doppler.

[0128] Για καλύτερη αισθητοποίηση των μονάδων επεξεργασίας σήματος (SPU) στην σύγχρονη τεχνολογία MTD, παρουσιάζεται στο Σχήμα 5 ένα ενδεικτικό λειτουργικό διάγραμμα (block diagram) των μονάδων του ψηφιακού δέκτη του ραντάρ που περιγράφει τις διαδικασίες επεξεργασίας σήματος [13], Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, με την επεξεργασία MTD χρησιμοποιείται clutter map που αποθηκεύει τα μεγέθη του clutter σε ψηφιακή μνήμη και θέτει τα thresholds (κατώφλια θορύβου) για να ανιχνευθούν εκείνοι οι στόχοι με μηδενική ακτινική ταχύτητα. Επιπλέον με το Adaptive thresholding (Δυναμικό Κατώφλι θορύβου) το κατώφλι προσαρμόζεται συνεχώς σε τοπικό επίπεδο ώστε να επιτρέψει την ανίχνευση κινούμενων στόχων σε στατικά και κινούμενα clutter.

[0130] Τεχνολογία ραντάρ Συμπίεσης Παλμών (Pulse Compression Radar)

[0131] Μια άλλη μέθοδος που εφαρμόστηκε στα Ραντάρ με σκοπό την αύξηση της εμβέλειας τους - χωρίς την ανάγκη της αύξησης της ισχύος εκπομπής τους -υπήρξε η μέθοδος συμπίεσης των παλμών. Η τεχνολογία αυτή είναι συμβατή με την Τεχνολογία των Ραντάρ MTD.

[0133] Η τεχνολογία αυτή βασίζεται στην αρχή ότι το σήμα εκπομπής αντί να έχει σταθερή φέρουσα συχνότητα να διαμορφώνεται π. χ. γραμμικά, δηλαδή:

[0135]

[0138] δηλαδή η στιγμιαία συχνότητα θα είναι

[0140]

[0143] Αν στον δέκτη έχουμε ένα φίλτρο που “επιβραδύνει” τις χαμηλές συχνότητες ενώ “επιταχύνει” τις υψηλές συχνότητες, θα έχουμε συμπίεση των παλμών και τότε το σήμα της σχέσης (6) θα συμπιέζεται και θα αυξάνει το πλάτος του. Η ίδια αρχή μπορεί να εφαρμοστεί και με την τεχνική διασκορπισμένου φάσματος.

[0145] Σε κάθε περίπτωση η συμπίεση / αποσυμπίεση των παλμών είναι μια εν σειρά διαδικασία με την επεξεργασία Doppler και επομένως η επίδραση των Ανεμογεννητριών στα ραντάρ τεχνολογίας MTI/MTD καθώς και οι διάφορες μέθοδοι αντιμετώπισης της επίδρασής τους λαμβάνουν χώρα ανεξάρτητα από την χρήση ή μη συμπίεσης παλμών.

[0146] Φύση της Επίδρασης Παρουσίας των Ανεμονεννητριών στο Πεδίο Παρατήρησης Ραντάρ - Προτεινόμενη Μέθοδος Μείωσης των Επιδράσεων

[0147] Στα προηγούμενα παρατέθηκαν συνοπτικά οι μαθηματικές σχέσεις που εκφράζουν την επεξεργασία σήματος στις τεχνολογίες MTI/MTD με βάση τις οποίες πραγματοποιείται η υλοποίηση των αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος (Signal Processing) στα σύγχρονα ραντάρ.

[0149] Στην συνέχεια, παρουσιάζεται η μέθοδος που αποτελεί αντικείμενο της παρούσας εφεύρεσης για την αντιμετώπιση του προβλήματος των παρεμβολών των Α/Γ στα ραντάρ, με παρόμοιους όρους επεξεργασίας σήματος και σχέσεις μαθηματικής ανάλυσης μέσω των οποίων πραγματοποιούνται οι αντίστοιχες υλοποιήσεις αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας σημάτων στις μονάδες λογισμικού και υλικού των ραντάρ. Για το λόγο αυτό, οι επεμβάσεις στο υλικό (hardware) αφορούν μόνο ενδεχόμενες προσαρμογές λόγω της υλοποίησης των σχετικών αλγορίθμων. Κατά συνέπεια και όπως ήδη αναφέρθηκε η προτεινόμενη μέθοδος είναι εύκολα εφαρμόσιμη καθώς δεν απαιτεί επιπλέον μονάδες υλικού στα ήδη εγκατεστημένα συστήματα ραντάρ.

[0151] Οι Γενικές Συνέπειες της Παρουσίας Ανεμογεννητριών στο Πεδίο Παρατήρησης Ραντάρ

[0153] Για να εξετάσουμε τη μέθοδο αντιμετώπισης των παρεμβολών εξαιτίας των Α/Γ που αποτελεί αντικείμενο της παρούσας εφεύρεσης, πρέπει να κατανοήσουμε πρώτα την φύση της επίδρασης της παρουσίας Ανεμογεννητριών στο Πεδίο Παρατήρησης Ραντάρ.

[0155] Στο Σχήμα 6 δεικνύονται τα σήματα λήψης (επιστροφές) σε διαδοχικές περιόδους διάρκειας μεταξύ διαδοχικών παλμών.

[0157] Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6, στην περίπτωση παρουσίας ανεμογεννήτριας έχουμε επιστροφές με μια απλωμένη ολίσθηση Doppler που αλλάζει από παλμό - σε παλμό τόσο στην διασπορά Doppler όσο και στην ένταση του σήματος. Το χαρακτηριστικό είναι ότι η καθυστέρηση στον χρόνο παραμένει σταθερή παρ' όλο που από παλμό σε παλμό αλλάζει η διασπορά Doppler f<n1>-f<n2>(n=1,2,..... ) αλλά και η ένταση του σήματος από την ανεμογεννήτρια. Στην περίπτωση ενός κινούμενου στόχου, π.χ. αεροσκάφους, έχουμε συγκεντρωμένο Doppler όπως βέβαια και καθυστέρηση του χρόνου.

[0159] Είναι προφανές ότι εάν ένας πραγματικός κινούμενος στόχος βρεθεί σε κοινή/κοντινή απόσταση με την ανεμογεννήτρια θα μπορεί να επηρεάζεται σημαντικά η ανίχνευση του αφού πολλές φορές η διασπορά Doppler θα συμπίπτει με την τιμή Doppler του αεροσκάφους. Αν η απόσταση στόχου ανεμογεννήτριας απέχει τουλάχιστον της απόστασης 2-3 παλμών δεν θα έχουμε σοβαρή επίδραση.

[0161] Αν υποθέσουμε ότι ένα σύνηθες ραντάρ το οποίο έχει χαρακτηριστικές τιμές:

[0162]

[0165] Ο αριθμός Ν των παλμών που θα φωτίζουν την ανεμογεννήτρια θα είναι:

[0168]

[0170] Η περίοδος περιστροφής των ανεμογεννητριών είναι συγκρίσιμη με την αντίστοιχη του ραντάρ και συνήθως είναι πιο αργή.

[0171] Με βάση την ανάλυση της οπισθοσκέδασης από Α/Γ που έχει πραγματοποιηθεί από τους εφευρέτες της παρούσας εφεύρεσης όπως και η παραπάνω ανάλυση της φύσης των επιδράσεων της παρουσίας Ανεμογεννητριών στο Πεδίο Παρατήρησης Ραντάρ, προτείνεται στην συνέχεια η μέθοδος που αποτελεί αντικείμενο της παρούσας εφεύρεσης που αντιμετωπίζει το πρόβλημα της μείωσης της επίδρασής των Ανεμογεννητριών σε ραντάρ Moving Target Indicator / Detector (MTI/MTD).

[0172] Κύριο Αντικείμενο της Εφεύρεσης

[0173] Η μέθοδος που αποτελεί αντικείμενο της παρούσας εφεύρεσης συνίσταται στο συνδυασμό δύο τεχνικών επεξεργασίας σήματος:

[0174] α) στην Δημιουργία «Σχισμής Χρόνου Απόρριψης» και

[0175] β) στην Δυναμική καταπίεση των επιστροφών από τις Ανεμογεννήτριες, οι οποίες αφορούν στο πεδίο του χρόνου και στο πεδίο της συχνότητας (φασματικό περιεχόμενο) αντίστοιχα. Κάθε μία από τις δύο αυτές τεχνικές πραγματοποιείται τεχνικά κατά κύριο λόγο με την υλοποίηση αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος που βασίζονται στις σχέσεις μαθηματικής ανάλυσης που αφορούν την κάθε τεχνική.

[0176] Ο συνδυασμός των δύο τεχνικών συνιστά την προτιμώμενη μορφή της συνολικής μεθόδου και παρουσιάζει συγκεκριμένα πλεονεκτήματα. Ειδικότερα, θεωρείται από τους εφευρέτες ότι η συνολική συνδυαστική μέθοδος της παρούσας εφεύρεσης συνιστά ακριβέστερη και πιο αποτελεσματική εναλλακτική της χρήσης προσαρμοσμένων φίλτρων και τεχνικών φιλτραρίσματος για την εξάλειψη του clutter Α/Γ (όπως ενδεικτικά των εδαφίων A.3.d και ΣΤ. a της Περιγραφής Στάθμισης και αξιολόγησης προηγούμενων τεχνικών), καθώς η χρήση των δύο τεχνικών συνδυαστικά: α) αφενός αφορά στην υλοποίηση αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας σήματος για την αφαίρεση και καταπίεση των επιστροφών στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας, όντας πιο πρακτική και εύκολα εφαρμόσιμη χωρίς την χρήση επιπλέον μονάδων υλικού (hardware, π.χ. προσαρμοσμένων φίλτρων) στα ήδη εγκατεστημένα συστήματα ραντάρ, μειώνοντας έτσι την πολυπλοκότητα και επανα-πιστοποίηση της εφαρμογής και

[0177] β) αφετέρου διευκολύνει την εφαρμογή της μεθόδου σε διάφορους τύπους σύγχρονων ραντάρ τεχνολογίας MTI/MTD και χρήσης FFT καθώς, ανάλογα με τις διαφορετικές λειτουργίες που επιτελούνται, ο συνδυασμένος τρόπος υλοποίησης και εφαρμογής των δύο τεχνικών αντισταθμίζει το μειονέκτημα της δημιουργίας σχετικά μεγάλης «τυφλής» περιοχής (blind area) γύρω από τις Α/Γ του δέκτη ΡΡΙ που προκύπτει από άλλες αντίστοιχες προσεγγίσεις ή μειώνει αισθητά και ακριβέστερα την επίδραση του μειονεκτήματος αυτού ώστε να μην επηρεάζονται οι λειτουργίες του ραντάρ.

[0178] Ανάλυση της Εφεύρεσης μέσω των δύο συνδυαστικών τεχνικών

[0179] Με βάση την παραπάνω εικόνα, οι 2 τεχνικές που συνδυαστικά συνιστούν την μέθοδο της παρούσας εφεύρεσης παρουσιάζονται στην συνέχεια με τεχνικούς όρους και σχέσεις μαθηματικής ανάλυσης:

[0180] α) Δημιουργία «Σχισμής Χρόνου Απόρριψης» στον δέκτη του ραντάρ (πεδίο του χρόνου)

[0181] Η τεχνική μείωσης της επίδρασης των Ανεμογεννητριών στα Ραντάρ στο πεδίο του χρόνου μπορεί να επιτευχθεί τεχνικά με αφαίρεση των σημάτων προερχόμενων από τις ανεμογεννήτριες δηλαδή με την αφαίρεση στον άξονα του χρόνου των «σχισμών χρόνου» που περιέχουν σήματα οπισθοσκεδάσεων (back-scattered signals - «λαμβανόμενες επιστροφές» σημάτων) προερχόμενων από ανεμογεννήτριες.

[0182] Η δημιουργία στον δέκτη σχισμής χρόνου απόρριψης τεχνικά υλοποιείται ως ακολούθως:

[0183] Αφού οι θέσεις των ανεμογεννητριών σε σχέση με το ραντάρ είναι σταθερές (και άρα, όπως αναφέρθηκε, η καθυστέρηση στον χρόνο παραμένει σταθερή) τότε:

[0184] - για συγκεκριμένες γωνίες φ<i>(που αντιστοιχούν στις θέσεις των ανεμογεννητριών κατά το αζιμούθιο, i=1,2,... )

[0185] - και χρονικές καθυστερήσεις τj (j=1,2,... ),

[0186] - για κάθε ανεμογεννήτρια το σήμα λήψης S<r>(t) μπορεί να πολλαπλασιάζεται με συναρτήσεις “φίμωσης”

[0187] δ(φ<i>, τ<i>)

[0188] κατά την λειτουργία του ραντάρ με αποτέλεσμα να εξαφανίζεται η επίδραση των ανεμογεννητριών.

[0190] Μέσω των παραπάνω σχέσεων και συναρτήσεων μπορεί να γίνει ψηφιακά η υλοποίηση των αντίστοιχων αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος στον δέκτη του ραντάρ τεχνολογίας MTD π.χ. στις μονάδες Weighting, Magnitude και Clutter Map (με βάση ενδεικτικά το Σχήμα 5).

[0192] Η απεικόνιση της «σχισμής χρόνου απόρριψης» στην οθόνη του ραντάρ (ΡΡΙ), αισθητοποιείται με την δημιουργία «οπών» μέσω των ως άνω συναρτήσεων «φίμωσης» ή ισοδύναμα με την δημιουργία «τυφλών παραθύρων» (τυφλών range cells) στον δισδιάστατο χώρο που συγκροτείται από την γωνία περιστροφής της κεραίας του ραντάρ (αζιμουθιακή γωνία) και την μετρούμενη απόσταση από το ραντάρ (που αντιστοιχεί στον άξονα του χρόνου), όπως αυτά απεικονίζονται σε πολικές συντεταγμένες στην οθόνη του ραντάρ με αποτέλεσμα να εξαφανίζεται η επίδραση των ανεμογεννητριών.

[0194] Η διαδικασία αυτή μπορεί να εφαρμοστεί στα περισσότερα σύγχρονα ραντάρ που διαθέτουν dead angle zone και dead distance zone. To γεγονός ότι για ένα μικρό διάστημα το ραντάρ θα χάνει τον στόχο όταν αυτός θα είναι πλησίον μιας ανεμογεννήτριας δεν δημιουργεί πρόβλημα καθ' όσον οι αλγόριθμοι tracking -παρακολούθησης θα ανακαλύπτουν τον κινούμενο στόχο. Κατά συνέπεια μειώνεται η επίδραση των ανεμογεννητριών χωρίς να επηρεάζονται οι λειτουργίες του ραντάρ.

[0196] β) Δυναμική Καταπίεση των Επιστροφών από τις Ανεμογεννήτριες (πεδίο της συχνότητας)

[0198] Η τεχνική μείωσης της επίδρασης των Ανεμογεννητριών στα Ραντάρ στο πεδίο της συχνότητας μπορεί να επιτευχθεί τεχνικά με την στατιστική αφαίρεση του φασματικού περιεχομένου της μέσης τιμής των οπισθοσκεδαζόμενων σημάτων (επιστροφές ανεμογεννητριών) από κάθε σήμα στην έξοδο του ραντάρ που επιθυμούμε βελτίωση της λειτουργίας τους, ως ακολούθως:

[0200] Η καταγραφή των σημάτων επιστροφών από τις ανεμογεννήτριες σε διαδοχικές περιστροφές της κεραίας του ραντάρ (π.χ. για διάρκεια 10-20 περιστροφών) επιτρέπει την αναπαραγωγή (πρόβλεψη) των σημάτων επιστροφών από μία ανεμογεννήτρια ή ομάδα ανεμογεννητριών.

[0202] Υποθέτουμε ότι η περίοδος περιστροφής της κεραίας Τ<περ.κερ.>ελέγχεται (είτε με μηχανική περιστροφή ή με ηλεκτρονική) με ακρίβεια ώστε να είναι ίση με την διάρκεια του παλμού που εκπέμπει το ραντάρ.

[0204] Καταγράφουμε σε διαδοχικές i=1, 2, 3...Ν (π.χ. Ν=8, 16, 32...) περιστροφές το σύνολο των παλμών που εξέρχονται από το ραντάρ S<i>(t).

[0206] Τονίζεται ότι αν το ραντάρ διαθέτει PRF = Μ (παλμοί/sec) θα έχει PRT = 1/PRF

[0207] Επομένως σε κάθε καταγραφή μιας περιστροφής του ραντάρ θα έχουμε καταγραφή Τ<περ.κερ.>/PRT παλμών.

[0208] Υπολογίζουμε τον μετασχηματισμό Fourier για κάθε σήμα si(t) ως:

[0210]

[0213] όπου f<d>είναι η συχνότητα στην βασική ζώνη που είναι ταυτόσημη με την ολίσθηση κατά Doppler.

[0215] Στη συνέχεια υπολογίζουμε την μέση τιμή:

[0217] S<<>>(f<f>) = Σ Si(f<d>) / Ν

[0219] και για την Ν+1 περιστροφή της κεραίας υπολογίζουμε το σήμα:

[0221]

[0223] που ως τρέχουσα διαδικασία καταπιέζει τον θόρυβο (clutter) που προέρχεται από τις ανεμογεννήτριες. Τα άνω/κάτω όρια του ολοκληρώματος στην εξ.(8) /MAX Doppler ορίζονται από την μέγιστη ταχύτητα περιστροφής των Α/Γ.

[0225] Μέσω των παραπάνω σχέσεων και συναρτήσεων μπορεί να γίνει ψηφιακά η υλοποίηση των αντίστοιχων αλγορίθμων για την φασματική επεξεργασία των σημάτων που λαμβάνονται από το ραντάρ και τον υπολογισμό του «δυναμικού κατωφλιού / Adaptive thresholding» σήματος το οποίο αφαιρείται από το ανιχνευόμενο, λαμβανόμενο σήμα (επιστροφή). Η τεχνική αυτή αποτελεί γενίκευση της μεθόδου σημάτων με σχεδόν μηδενική ολίσθηση Doppler που χρησιμοποιείται στα σύγχρονα ραντάρ MTI/MTD.

[0227] Εν κατακλείδι, η προτεινόμενη μέθοδος συνδυασμού των δύο ως άνω τεχνικών εξελίσσει τις μεθόδους επεξεργασίας σημάτων δυναμικού κατωφλιού που χρησιμοποιούνται στα ραντάρ MTI/MTD καθώς προσθέτει επιπλέον λειτουργικότητες στην επεξεργασία σημάτων των ραντάρ. Με άλλα λόγια, προσαρμόζεται στα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητές τους, θεραπεύοντας, και στο πεδίο του χρόνου και στο πεδίο της συχνότητας, το πρόβλημα των επιδράσεων των ανεμογεννητριών οι οποίες, λόγω του φαινομένου Doppler, προκαλούν στα οπισθοσκεδαζόμενα κύματα ολίσθηση συχνότητας σε σχέση με την συχνότητα του εκπεμπόμενου σήματος από τα ραντάρ.

[0230] ΑΝΑΦΟΡΕΣ

[0232] [1] Omar Abu Ella, Khawla A. Alnajjar, "Mitigation Measures for Windfarm Effects on Radar Systems", International Journal of Aerospace Engineering, vol. 2022, Article ID 1083717, 9 pages, 2022. https://doi.org/10.1155/2022/1083717

[0234] [2] M. Korts, “Role of windfarms for national grids - challenges, risks, and chances for energy security,” in NATO Energy Security Centre of Excellence, Energy Highlights Reports, Vilnius, Lithuania, 2021.

[0236] [3] G. Galati, M. Ferri, and M. Naldi, “Use of clutter maps in the high resolution radar surveillance of airport surface movements,” V. Cappellini, editor, Time-Varying Image Processing and Moving Object Recognition, vol. 4, pp. 184-189, 1997.

[0237] [4] John Taylor Jr., US Patent 4,749,994, 1988

[0239] [5] K. Juryca, J. Pidanic, A. K. Mishra, Z. Moric and P. Sedivy, "Wind Turbine Micro-Doppler Prediction Using Unscented Kalman Filter," in IEEE Access, vol. 10, pp. 109240-109252, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3214232.

[0241] [6] A. Theil, M. W. Schouten, and A. de Jong, “Radar and wind turbines: a guide to acceptance criteria,” in 2010 IEEE Radar Conference, pp. 1355-1361, Arlington, VA, USA, May 2010.

[0243] [7] D. de la Vega, J. Matthews, L. Norin, and I. Angulo, “Mitigation techniques to reduce the impact of wind turbines on radar services,” Energies, vol. 6, no. 6, pp. 2859-2873, 2013.

[0245] [8] J. Wang, M. Ding, and A. Yarovoy, “Interference mitigation for FMCW radar with sparse and low-rank Hankel matrix decomposition,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 70, pp. 822-834, 2022.

[0247] [9] “Wind turbine - radar interference mitigation project id ml 1”.

[0249] [10] L. Cifola and R. I. A. Harmanny, ‘Target/clutter disentanglement using deep adversarial training on micro-Doppler signatures,” in 2019 l6th European Radar Conference, pp. 201-204, Paris, France, Oct 2019.

[0251] [11] R. Kassab, G. G. de Chamace, and C. Adnet, “Classification of the wind turbine generated radar detections by artificial intelligence,” in 2019 International Radar Conference, pp. 1-2, Toulon, France, Sept 2019.

[0253] [12] R. Nepal, J. Cai, and Z. Yan, “Micro-Doppler radar signature identification within wind turbine clutter based on short-CPI airborne radar observations,” IET Radar, Sonar & Navigation, vol. 9, no. 9, pp.

[0254] 1268-1275, 2015.

[0256] [13] Arun Upadhyaya, “MOVING TARGET DETECTOR (MTD) RADAR”, ECE, SMVITM, Bantakal Apr 16, 2020, https://www.voutube.com/watch?vHElMD aMNiBQ

[0258] [14] F. Uysal, U. Pillai, I. Selesnick, and B. Himed, “Signal decomposition for wind turbine clutter mitigation,” in Proc. IEEE Radar Conf., May 2014, pp. 60-63.

[0260] [15] F. Uysal, I. Selesnick, and B. M. Isom, “Mitigation of wind turbine clutter for weather radar by signal separation,” IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 54, no. 5, pp. 2925-2934, 2016.

[0262] [16] O. Karabayir et al., "CLEAN based wind turbine clutter mitigation approach for pulse-Doppler radars," 2015 IEEE Radar Conference (RadarCon) , Arlington, VA, USA, 2015, pp. 1541-1544, doi: 10.1109/RADAR.2015.7131241.

[0264] [17] Cyrrus Radar Mitigation Technology Overview, Sep. 2022, [online] Available: https://www. cyrrus. co.uk/project/cyrrus-radar-mitigationtechnology-overview/

[0266] [18] Victoria Sgardoni and Nikolaos Uzunoglu, General Electromagnetic Simulation of Radar Signals Backscattered from Metallic Wind Turbines, Progress In Electromagnetics Research B, Vol. 100, 91-107, 2023.

Claims (7)

1. ΑΞΙΩΣΕΙΣ

1. Μέθοδος μείωσης του επηρεασμού των Ραντάρ από τις Ανεμογεννήτριες προκειμένου να αντιμετωπιστούν και να εξαλειφθούν οι συνέπειες των επιδράσεών τους στα Ραντάρ, συνιστάμενη από τις ακόλουθες δύο τεχνικές επεξεργασίας σήματος, οι οποίες εφαρμόζονται συνδυαστικά ως συνολική μέθοδος, στο πεδίο του χρόνου και στο πεδίο της συχνότητας αντίστοιχα: α) την δημιουργία στον δέκτη του ραντάρ «Σχισμής Χρόνου Απόρριψης», που αφορά στο πεδίο του χρόνου

β) την Δυναμική Καταπίεση των Επιστροφών (λαμβανόμενων οπισθοσκεδαζόμενων σημάτων) από τις Ανεμογεννήτριες, που αφορά στο πεδίο της συχνότητας (φασματικό περιεχόμενο)

χαρακτηριζόμενη αφενός από το ότι η συνολική συνδυαστική μέθοδος συνιστά ακριβέστερη, πιο αποτελεσματική και εύκολα εφαρμόσιμη εναλλακτική άλλων προσεγγίσεων, χωρίς την χρήση επιπλέον μονάδων υλικού (hardware) στα ήδη εγκατεστημένα συστήματα ραντάρ, καθώς οι ως άνω δύο τεχνικές πραγματοποιούνται τεχνικά με την υλοποίηση αντίστοιχων αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος για την αφαίρεση και καταπίεση των επιστροφών των Ανεμογεννητριών.

χαρακτηριζόμενη αφετέρου από το ότι η προτεινόμενη μέθοδος, βασισμένη στα διαφορετικά χαρακτηριστικά των σημάτων στα πεδία του χρόνου και της συχνότητας, εξελίσσει τις μεθόδους επεξεργασίας δυναμικού κατωφλιού (Adaptive thresholding) των ραντάρ MTI/MTD (Moving Target Indicator/Detector), θεραπεύοντας, με τη συνδυασμένη χρήση των δύο τεχνικών, το πρόβλημα των επιδράσεων των ανεμογεννητριών λόγω του φαινομένου Doppler από την περιστροφή των πτερυγίων τους το οποίο προκαλεί στα ανακλώμενα, οπισθοσκεδαζόμενα κύματα ολίσθηση συχνότητας σε σχέση με την συχνότητα του εκπεμπόμενου από τα ραντάρ σήματος. χαρακτηριζόμενη επίσης από το ότι η μέθοδος βασίζεται στην ανάλυση των συνεπειών και της φύσης των επιδράσεων της παρουσίας Ανεμογεννητριών στο Πεδίο Παρατήρησης Ραντάρ, από την οποία συνάγεται ότι η καθυστέρηση στον χρόνο παραμένει σταθερή, παρόλη την απλωμένη ολίσθηση Doppler στις επιστροφές σήματος και παρόλο που από παλμό σε παλμό αλλάζει η διασπορά Doppler αλλά και η ένταση του σήματος από την ανεμογεννήτρια.

2. Μέθοδος σύμφωνα με την αξίωση 1 χαρακτηριζόμενη από το ότι η δημιουργία «σχισμής χρόνου απόρριψης» στο υποσύστημα του δέκτη ραντάρ πραγματοποιείται τεχνικά με αφαίρεση των σημάτων προερχόμενων από τις ανεμογεννήτριες δηλαδή με την αφαίρεση στον άξονα του χρόνου των «σχισμών χρόνου» που περιέχουν σήματα οπισθοσκεδάσεων (back-scattered signals - «λαμβανόμενες επιστροφές») από ανεμογεννήτριες.

3. Μέθοδος σύμφωνα με την αξίωση 1 χαρακτηριζόμενη από το ότι η αφαίρεση των «σχισμών χρόνου» πραγματοποιείται μέσω συναρτήσεων «φίμωσης» με μεταβλητές τις θέσεις των ανεμογεννητριών (γωνίες κατά το αζιμούθιο) και τις χρονικές καθυστερήσεις των επιστροφών τους, ενώ η απεικόνιση στην οθόνη του ραντάρ (ΡΡΙ) αισθητοποιείται με την δημιουργία «οπών» ή ισοδύναμα «τυφλών παραθύρων» (τυφλών range cells) στον δισδιάστατο χώρο που συγκροτείται από την γωνία περιστροφής της κεραίας του ραντάρ (αζιμουθιακή γωνία) και την μετρούμενη απόσταση από το ραντάρ (άξονας του χρόνου), όπως αυτά απεικονίζονται σε πολικές συντεταγμένες στην οθόνη του ραντάρ με αποτέλεσμα να εξαφανίζεται η επίδραση των ανεμογεννητριών.

4. Μέθοδος σύμφωνα με την αξίωση 1 χαρακτηριζόμενη από το ότι η τεχνική της «σχισμής χρόνου απόρριψης», μπορεί να εφαρμοστεί στα περισσότερα σύγχρονα ραντάρ που διαθέτουν dead angle zone και dead distance zone.

5. Μέθοδος σύμφωνα με την αξίωση 1 χαρακτηριζόμενη από το ότι η δυναμική καταπίεση των επιστροφών από τις ανεμογεννήτριες πραγματοποιείται με την στατιστική αφαίρεση του φασματικού περιεχομένου της μέσης τιμής των οπισθοσκεδαζόμενων σημάτων (επιστροφές ανεμογεννητριών) από κάθε σήμα στην έξοδο του ραντάρ που επιθυμούμε βελτίωση της λειτουργίας τους.

6. Μέθοδος σύμφωνα με την αξίωση 1 χαρακτηριζόμενη από το ότι η στατιστική αφαίρεση του φασματικού περιεχομένου της μέσης τιμής των οπισθοσκεδαζόμενων σημάτων πραγματοποιείται μέσω μετασχηματισμού Fourier στη συχνότητα ολίσθησης Doppler των παλμών που εξέρχονται από το ραντάρ και υλοποιείται τεχνικά με την καταγραφή των σημάτων επιστροφών από τις ανεμογεννήτριες σε διαδοχικές περιστροφές της κεραίας του ραντάρ (π.χ. για διάρκεια 10-20 περιστροφών), επιτρέποντας την αναπαραγωγή (πρόβλεψη) των σημάτων επιστροφών από μία ανεμογεννήτρια ή από μια ομάδα ανεμογεννητριών για τον υπολογισμό του «δυναμικού κατωφλιού» σήματος το οποίο αφαιρείται από το ανιχνευόμενο σήμα.

7. Μέθοδος σύμφωνα με την αξίωση 1 χαρακτηριζόμενη από το ότι η τεχνική της «δυναμικής καταπίεσης επιστροφών» από ανεμογεννήτριες αποτελεί γενίκευση της μεθόδου σημάτων με σχεδόν μηδενική ολίσθηση Doppler που χρησιμοποιείται στα σύγχρονα ραντάρ MTI/MTD.