Investigation of wind turbine effects on radar performance

Abstract

Dünyanın birçok bölgesinde, bir yenilenebilir enerji kaynağı olan rüzgâr çiftliği kurulumları her geçen gün artmaktadır. Yapılan teorik ve deneysel çalışmalar neticesinde, bu çiftliklerin bir çok radar sistemine olumsuz etkilerde bulunduğu tecrübe edilmiştir. Rüzgâr çiftliği kaynaklı olumsuz etkiler, türbinlerin yapısal, yansıtıcı ve hareket özelliklerine bağlı olarak çeşitlilik göstermektedir. Rüzgâr çiftliklerini oluşturan rüzgâr türbinleri, enerji ihtiyaçlarına bağlı olarak elektriksel olarak çok büyük boyutlarda imal edilebilmektedir. Yaklaşık 200 m'ye varan boyutları, rüzgâr türbinlerinin radar sistemlerinin elektromanyetik görüşü açısından ciddi bir engel olmasına ve dolayısıyla radar sisteminin tespit performansının düştüğü gölgelenen alanların/kör bölgelerin oluşmasına sebep olmaktadır. Yapılarında bulunan yansıtıcı özelliğe sahip yapısal malzemeler ile birlikte türbinlerin hareketli kanatları, radar sisteminde türbin kaynaklı hareketli hedef imzası oluşmasına sebep olmaktadır. Bu durum, radar sistemine sahte hedef, kargaşa ve hayalet hedef biçiminde olumsuz olarak yansımaktadır. Elektriksel olarak büyük ve yansıtıcı özellikli yapıları, rüzgâr türbinlerinin büyük RKA değerine sahip olmasına, dolayısıyla türbinlerden radara dönen işaretin genliğinin de oldukça yüksek olmasına sebebiyet vermektedir. Bu sebeple, yüksek genlikli türbin ekolarının, cıvıltı (chirp) işaret formu kullanan radar sistemlerinde uyumlu filtreleme aşamasında yüksek yan lob oluşturması, tespit aşamasında sabit yanlış alarm olasılığı (constant false alarm rate, CFAR) eşiğini yükseltmesi ve analog-sayısal çevirme (analog-to-digital, ADC) işleminin sunduğu dinamik aralığı domine etmesi gibi sebeplerle radar sisteminde gerçek hedeflere yönelik tespit kayıpları ve desensitizasyon gibi olumsuz etkilerde bulunması mümkündür. Rüzgâr çiftliklerinde bulunan türbinlerin sayıları ve bu türbinlerin radar sisteminde neden olduğu tespit anlamındaki olumsuz etkiler, radar sistemlerinin çoklu hedef takibi (multiple target tracking, MTT) performansını da olumsuz etkileyebilmektedir. Hareketli hedef imzası oluşmasına sebep olan çok sayıdaki rüzgâr türbininin radar ekranında sabit veya hareket eden sahte iz başlatması mümkündür. Bununla birlikte, rüzgâr çiftliği yakınında seyreden gerçek hedeflere ait izlerin, tespit kayıpları veya yanlış tespit ile eşleştirme gibi durumlara bağlı olarak koptuğu, yanıldığı veya belirli bir süre boyunca bekleme durumunda kaldığı bilinmektedir. Bu durumdan dolayı, gerçek hedeflerin tespit olasılığı (probability of detection, PD) performansı zafiyete uğramaktadır.Literatürde, rüzgâr türbinlerinin radar sisteminde tespit edilmesine yönelik çok sayıda çalışma yer almaktadır. Bu çalışmalarda, işaretlerin uzamsal ve spektral farklılıklarını kullanma, türbinlerin lokasyonunu bildiren transponder uygulaması, menzil-Doppler işleme, adaptif kargaşa haritalama ve radyal hız farklılıklarından yararlanma gibi yöntemler kullanılmıştır. Bununla birlikte, türbin etkisini gidermeye yönelik olan ve işaret işleme anlamında multi-kuadratik interpolasyon veya band geçiren filtreleme uygulama, radar operasyonu anlamında boşluk doldurma veya doğrudan görüşü giderme veya, türbin görünmezliği anlamında gizleme (stealth) teknolojisi gibi metodlardan yararlanan çalışmalar da mevcuttur. Türbin etkisini hava trafik kontrol (air traffic control, ATC) radarlarında gidermeye yönelik metodlar, ön-tespit aşamasında huzme işleme, tespit aşamasında Doppler tabanlı kargaşa haritalama ve iyileştirilmiş CFAR, tespit sonrası aşamasında ise uyarlamalı iz takip lojiği biçimindedir. Radar bakış açısı, anlık türbin oryantasyonu, yapısal malzeme, yapısal biçim gibi çok sayıda parametreye bağlı ve zamanla değişen yansıtıcılık ve hareket özellikleri sebebiyle, rüzgâr türbinlerinin radar sisteminde tespiti ve giderimi oldukça zor bir problem teşkil etmektedir. Bundan dolayı tespit ve giderim kapsamında yapılan çalışmalar belirli durumlar veya sistemler için özel çözümler sunmakta olup, problemi tam olarak çözmemektedir. Rüzgâr türbini probleminde çözüme yaklaşabilmek için öncelikle problem karakteristiğinin tam olarak ortaya çıkarılması gerekmektedir. Problem karakteristiğini az maliyetli bir biçimde ortaya koyma yollarından bir tanesi sistemler için rüzgâr türbini işaret modelleri geliştirmek ve benzetim ortamında problemi incelemektir. Bu doğrultuda yapılan çalışmalar incelendiğinde, kanatların silindirik yapılar biçiminde modellendiği ve türbin gövdesinin dikkate alınmadığı işaret modeli ile, türbin hareketinin modellenip saçıcılık özelliklerinin dâhil edilmediği işaret modeli karşımıza çıkmaktadır. Türbinlerin saçıcılık özelliklerinin ve saçıcılığa en fazla katkıyı yapan türbin parçası olan kulenin işaret modeline dâhil edilmesi rüzgâr türbini probleminin analizinde önemli yer tutmaktadır.Radar sistemleri açısından rüzgâr türbinlerinin neden olduğu en ciddi etkilerden bir tanesi sistemin MTT performansında meydana gelen zafiyettir. Sahte hedef izi oluşması, gerçek hedef izinin yanılsaması veya gerçek hedef izlerinin kopması biçimindeki MTT performans zafiyeti özellikle ATC radarlarında büyük önem arz etmektedir. Radar sistemleri için rüzgâr çiftliklerinin MTT performansına yaptığı etkilerin gerçek saha testleri ile ortaya konulduğu çalışmalar literatürde yer almaktadır. Diğer taraftan, problemin net olarak belirlenebilmesi açısından uçuş testlerinin farklı hava şartları için farklı zamanlarda ve çok sayıda yapılması gerekliliği göz önünde bulundurulduğunda bu şekildeki problem incelemesinin oldukça pahalı olacağı açıktır. Bu sebeple, geliştirilen bir iz takip benzetim modeli ile MTT performans değerlendirmesi yapmak hem zaman tasarrufu sağlayacak hem da daha az maliyetli olacaktır.Rüzgâr türbinlerinin radar sistemlerinde oluşturabildiği bir başka problem yapay açıklıklı radar (SAR) görüntülerindeki bozulmalardır. Bilindiği üzere, SAR sistemleri durağan hedeflerin çapraz-menzil bilgilerini bu hedeflerin bulundukları çapraz-menzille ilişkili olarak oluşturdukları Doppler etkisi sayesinde belirlemektedir. Bu durumda, sabit gövdelerinin yanı sıra, türbinlerin hareketli kanatlarının SAR sisteminde kanat hareketi ile orantılı olarak çok sayıda Doppler bilgisi üretmesi söz konusudur. Bu da, türbinlerin çapraz-menzil doğrultusunda çok sayıda sahte hedef oluşmasına sebebiyet verebilmektedir. Bu çalışmada, temel olarak, rüzgâr türbinlerinin radar sistemlerinin tespit, hedef izleme ve görüntüleme performansına yapması muhtemel olumsuz etkiler, önerilen bir rüzgâr türbini işaret modeli ve gerçeklenen işaret işleme prosedürleri yardımıyla incelenmiştir. Bu doğrultuda, öncelikle, uzak alan kriterlerinin sağlatılmasına yönelik olarak yeterince düşük boyutlu kanonik segmentlerin süperpozisyonu biçiminde bir türbin modeli ile türbinlerin anlık saçıcılık ve hareket kabiliyetlerini dikkate alan bir işaret modeli tatılmaktadır. Önerilen modeller yardımıyla, türbinlerin farklı bakış açıları için saçılma karakteristikleri simülasyon ve ayrıca deneysel çalışmalar ile ortaya konulmuştur.Türbinlerin radar sistemlerinin tespit ve hedef izleme işlemlerine etkisi farklı amaçlara yönelik yaygın olarak kullanılan darbe-Doppler radar (pulse-Doppler radar, PDR) sistemleri için incelenmiştir. Tespit açısından yapılan incelemeler ile türbinlerin tespit karakteristiklerinin çıkarılmasının yanı sıra, yeni bir rüzgâr türbini kargaşa (wind turbine clutter, WTC) modeli oluşturulmuştur. Bununla birlikte, türbin yakınında seyreden gerçek bir hedefin tespit performansının değerlendirilmesi de ayrıca incelenmiştir. Tespit analizi sonuçlarından yararlanarak, rüzgâr türbini etkisinin tespit aşamasında giderilmesine yönelik CLEAN algoritması temelli bir giderim metodu önerilmiştir. Hedef izlemeye olan türbin etkilerinin araştırıldığı analizlerde, çok sayıda senaryo durumu için gerçek bir hedefin radar tarafından izlenme performansı ve meydana gelen zafiyetler belirlenmiştir. Yapılan araştırmalar ve analiz sonuçları baz alınarak, gerçek hedeflere yönelik hedef izlemede zafiyet oluşma olasılığının yüksek olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle, türbin kaynaklı etkiyi minimize edecek yeni bir rüzgâr çiftliği yerleşim tasarımı önerilmiştir. Yeni tasarıma ilişkin benzetim sonuçlarında hedef izleme performansının arttığı gözlemlenmiştir.SAR sistemlerinde türbin kaynaklı görüntü bozulmaları yine önerilen türbin ve işaret modelleri kullanılarak incelenmiştir. Bozulma etkisinin teorik çıkarımlarına ek olarak simülasyon sonuçları da göstermiştir ki türbinler, çapraz-menzil boyutunda çoklu hedef izi oluşturma veya yüksek yansıtıcı gövdeleri sebebiyle zayıf saçıcı özellikli başka hedeflerin tespit edilememesi gibi problemlere sebep olabilmektedir.

Wind farm (WF) investments have recently attracted great attention throughout the world due to being an economical way of producing renewable energy. As stated in several work of the related literature, the wind farm installations are expected to increase in the following decades due to the increasing demand on wind power for producing electricity. Unfortunately, the increasing deployment rates of WFs bring along with a great need for the detailed investigation of their effects on the performance of radar systems. Due to having electrically large dimensions and rotating blades, wind turbines (WTs) have been known to violate radar operation through causing some deteriorating effects such as false alarm, reduction on radar detection sensitivity, seduction or breakage of genuine targets' tracks, shadowing, SAR image blurring and so on.Since WTs are shown to have deteriorating effects on radar systems' performance, specification and mitigation of WT clutter (WTC) have been of great importance for radar engineers. In recent years, important research projects have been carried out in order to characterize the signals scattered by the wind turbines. However, due to the complicated scattering and motional characteristics, there have been no effective method or simulation tool which fully characterizes and mitigates the deteriorating effects of WTs. Therefore, the most radar systems that are used in the areas of defence, navigation and surveillance have been suffering from the WFs, and great effort has been spend on the researches about mitigating their adverse effects. In order to deal with or solve the problems caused by WTs, actually the reasonable way is to investigate the origin of the problem. Therefore, presenting a comprehensible description of WF effects on detection, tracking and imaging performances of different radar services is assumed as the main goal throughout this dissertation. In this context, initially, simulation frameworks for those radar operations are prepared by also introducing a WT model that is composed of electrically small canonical segments. Then, scattering and motional characteristics of the WTs are examined in terms of theoretical and experimental aspects with the consideration of obtaining priory information about their deteriorations.By using the related simulation frameworks and the proposed signal model, adverse WT effects on radar systems' detection and tracking performances are investigated for pulse-Doppler radar (PDR) systems which are commonly employed for various civilian and military missions. Examinations about detection characteristics of WTs pave the way of constructing an analytical wind turbine clutter (WTC) model as well as determination of detection properties of genuine targets in the vicinity of WTs. From the detection examinations, it can be concluded that the WTs might cause unpredictable and variable detection signatures in radar systems due to their time-varying scattering properties. As an additional effort, a novel WT mitigaton approach which is based on CLEAN algorithm is also proposed after completing detection analyses. Degradations on multiple target tracking (MTT) operation of PDRs in terms of false track generation, seduction and/or breakage of genuine targets' tracks are analyzed in the vicinity of WTs through various simulation scenarios. Performances of two different association methods namemly global nearest neighbor (GNN) and probabilistic data association (PDA) are also tested for each simulation cases. Following the examination about WT deteriorations on MTT operation, a novel WF design approach which recommends settling the WTs according to a predefined rule is proposed. Promising results obtained for the proposed WF settlements present the effectiveness of the approach in terms of mitigation of WT effects from radar tracking operation.Lastly, studies on determining the WT effects on radar imaging applications are performed for synthetic aperture radar (SAR) systems. First of all, mathematical derivations background the problem is presented. Then, it is demonstrated through simulation results that WTs have the possibility to spread over multiple cross-range positions or desensitize the targets nearby. It can be also inferred that the effects mentioned are strongly dependent on instantaneous scattering and motional properties of the WTs.Consequently, deteriorating effects of WTs on detection, tracking and imaging operations of radar systems are examined throughout this dissertation. Moreover, in order to employ at the detection and tracking stages of PDR systems, two novel WTC mitigation approaches are proposed. The examinations, obtained results and also introduced mitigation procedures could be utilized in forming baselines and constituting frameworks when dealing with the WT deteriorations.