RAST – Radarsimulation von Windkraftanlagen

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: SI/502227

Description succincte (Allemand)

Windturbinen haben einen störenden Einfluss auf Radargeräte, welche zur Luftraumüberwachung (Radargeräte der Skyguide und der Luftwaffe) sowie zur Niederschlagsmessung (Radargeräte der MeteoSchweiz) eingesetzt werden. Besteht der geringste Verdacht, dass sich eine geplante Windturbine negativ auf Radarmessungen der genannten Institutionen auswirken könnte, kann keine Bewilligung erteilt werden, wodurch Windenergie von ca. 14 GWh pro Jahr verhindert wird. Im Rahmen dieses Projektes wird ein Radar Zielgenerator gebaut, mit welchem einfallende Radarsignale dergestalt moduliert und zurück zum Radar geschickt werden können, dass auf dem entsprechenden Radargerät die Signaturen von einer oder mehreren geplanten Windturbinen erscheinen.

Description succincte (Anglais)

Wind turbines have a perturbative influence on air traffic control radars (radars operated by Skyguideand by the air force) as well as on meteorological radars that are used for precipitation measurements(radars operated by the Federal Office for Meteorology MeteoSwiss). Wind power projects are declinedif it is suspected that a planned turbine might reduce the data quality of the aforementioned institutions.Such conflicts inhibit a production of 14 GWh of wind energy per year. In the context of this project, aradar target simulator is being developed that receives radar signals and re-transmits them with aspecific modulation and time delay, such that the signature of one or several wind turbines appear onthe screen of the radar under test. The radar compatibility of the wind turbine project can therefore beassessed and project alterations can be tested in advance with the goal to increase the number of windfarms without hampering the data quality of the radar operators.

Description succincte (Français)

Les éoliennes ont une influence perturbatrice sur les radars utilisés pour la surveillance de l'espace aérien (radars de Skyguide et des Forces aériennes) et pour la mesure des précipitations (radars de MétéoSuisse). S'il existe le moindre soupçon qu'une éolienne prévue puisse avoir un impact négatif sur les mesures radar des institutions mentionnées, aucune autorisation ne peut être accordée, ce qui empêche la production d'une énergie éolienne d'environ 14 GWh par an. Dans le cadre de ce projet, un générateur de cibles radar sera construit. Il permettra de moduler les signaux radar incidents et de les renvoyer au radar de telle sorte que les signatures d'une ou de plusieurs éoliennes prévues apparaissent sur l'appareil radar correspondant.

Rapport final (Allemand)

In diesem Projekt wurde ein Radar-Zielsimulator entwickelt, der Radarsignale empfängt und sie mit einer bestimmten Modulation und Zeitverzögerung weitersendet, sodass die Signatur einer oder mehrerer Windturbinen auf dem Bildschirm des getesteten Radars erscheint. Zu diesem Zweck wurde in einem ersten Schritt ein vereinfachtes physikalisches Modell der Rückstreueigenschaften einer Windkraftanlage entwickelt. Damit wurde ein Windpark simuliert, der aus zwei und vier Turbinen besteht. Es zeigt sich, dass die anspruchsvollen RCS-Doppler-Signaturen, die mit einem Zielsimulator echte Windturbinen imitieren können. Doppler- und RCS-Werte können im Zielsimulator so eingestellt werden, dass Ähnlichkeiten mit echten Turbinen optimiert werden können. Darüber hinaus können auch die Drehgeschwindigkeiten der Rotorblätter angepasst werden. Die empfangene Leistung in den Messungen des generierten Windrads ist etwa 15 dB niedriger als die, die mit der echten Windkraftanlage gemessen wurde.  Dieser Leistungspegel hängt jedoch stark von der Entfernung des Radars zur Windkraftanlage ab. Mehrere Windräder innerhalb eines Radarbereichs führen zu einem eher unscharfen Bild mit weniger ausgeprägten Merkmalen. Der Windradsimulator verzögert die Radarimpulse mit einem konstanten Zeitversatz. Realistischere Simulationen könnten erreicht werden, indem das Modell erweitert wird und die Radarimpulse um eine bestimmte Anzahl verschiedener Zeitversätze verzögert werden können.

Rapport final (Anglais)

In this project, a radar target simulator was developed that receives radar signals and retransmits them with a certain modulation and time delay so that the signature of one or more wind turbines appears on the screen of the radar under test. To this end, the first step was to develop a simplified physical model of the backscatter characteristics of a wind turbine. This was used to simulate a wind farm consisting of two and four turbines. Nevertheless it is seen that the sophisticated RCS-Doppler signatures generated with a target simulator can mimic real wind turbines. Doppler and RCS values can be adjusted in the target simulator such that similarities with real turbines can be optimized. In addition, rotational blade speeds can also be adapted. The received power in the measurements of the generated windmill is approximately 15 dB lower than what has been measured with the real wind turbine.  This power level however strongly depends on the distance of the radar to the wind turbine. Several wind turbines within one radar range gate lead to a rather blurred image with less distinct features. The windmill simulator delays radar pulses with a constant time offset. More realistic simulations can be achieved by extending the model and allowing radar pulses to be delayed by a discrete number of different time offsets. It seems feasible to replay pre-recorded micro-Doppler characteristics of a windmill. To do so, filtering and interpolation procedures need to be applied to the recorded radar measurements.

Documents annexés

• Final report_english [PDF] 1'206 kB

Rapport final (Français)

Dans ce projet, un simulateur de cible radar a été développé. Il reçoit des signaux radar et les retransmet avec une certaine modulation et un certain délai de manière à ce que la signature d'une ou plusieurs éoliennes apparaisse sur l'écran du radar testé. À cette fin, la première étape a consisté à développer un modèle physique simplifié des caractéristiques de rétrodiffusion d'une éolienne. Ce modèle a été utilisé pour simuler un parc éolien composé de deux et quatre éoliennes. Néanmoins, on constate que les signatures RCS-Doppler sophistiquées générées à l'aide d'un simulateur de cible peuvent imiter de vraies éoliennes. Les valeurs Doppler et RCS peuvent être ajustées dans le simulateur de cible afin d'optimiser les similitudes avec les éoliennes réelles. En outre, la vitesse de rotation des pales peut également être adaptée. La puissance reçue dans les mesures de l'éolienne générée est inférieure d'environ 15 dB à ce qui a été mesuré avec l'éolienne réelle.  Ce niveau de puissance dépend toutefois fortement de la distance entre le radar et l'éolienne. Plusieurs éoliennes dans un même rayon d'action du radar conduisent à une image plutôt floue avec des caractéristiques moins distinctes. Le simulateur d'éolienne retarde les impulsions radar avec un décalage temporel constant. Des simulations plus réalistes peuvent être réalisées en étendant le modèle et en permettant aux impulsions radar d'être retardées par un nombre discret de décalages temporels différents. Il semble possible de rejouer les caractéristiques micro-Doppler préenregistrées d'un moulin à vent. Pour ce faire, des procédures de filtrage et d'interpolation doivent être appliquées aux mesures radar enregistrées.