ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
풍력발전단지에 의한 레이다 차폐 현상 및 도플러 측정 데이터 분석 Measurement and Analysis of Radar Shielding and Doppler Effects
by the Wind Farm
김 민․강기봉․박상홍․정주호*
Min Kim․Ki-Bong Kang․Sang-Hong Park․Joo-Ho Jung*
요 약
현재 화석연료의 고갈 및 신재생 에너지의 필요성에 따라서 바람이 풍부한 해안지대에서 풍력발전단지가 건설되고 있다. 하지만 군사작전 지역 인근에 풍력발전단지가 건설되어질 경우, 풍력발전기의 레이다 차폐 현상 및 도플러 변조로 인하여 운용 중인 군사 레이다에 방해 현상을 초래할 수 있다. 이에 따라 실제 풍력발전기를 통한 전자기적 현상의 분석 이 필요하다. 본 논문에서는 기존 문헌의 발전기 형태에 따른 이론적인 차폐거리 및 레이다 신호 모델링을 통하여 얻어 진 도플러 주파수와 실제 운용되는 풍력발전기에서 측정된 전자기적 차폐거리 및 도플러 주파수의 비교를 수행하였다.
Abstract
To cope with the rising cost of the fossil fuel and the need of renewable energy, many wind farms are being constructed along the coasts of Korean peninsula. However, construction of these wind farms may cause negative influences by the shielding effect and the Doppler frequency from the wind turbine on the military radars operated in the nearby region. Therefore, the analysis of electromagnetic phenomenon with the real wind turbine is required. This paper compare the measured electromagnetic shielding effect and Doppler effect with theoretical shielding effect according to obstacle in literature and the extracted Doppler frequency through signal modeling.
Key words: Wind Farm, Wind Turbine, Shielding Effect, Doppler Modulation, Measurement
「이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No.2015R1A1A1A05000909).」
부경대학교 전자공학과(Department of Electronic Engineering, Pukyong National University)
*포항공과대학교 전파공학과(Department of Electrical Engineering, Pohang University of Science and Technology)
․Manuscript received October 20, 2015 ; Revised January 19, 2016 ; Accepted July 26, 2016. (ID No. 20151020-081)
․Corresponding Author: Joo-Ho Jung (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
현재 화석연료의 고갈 및 환경오염으로 인하여 신재생 에너지의 필요성에 따라서 풍력발전단지 건설이 증가하 고 있다. 풍력발전기는 화석연료와 대등한 가격 경쟁력과 청정에너지로 널리 보급되고 있으며, 이에 따라서 풍력발 전단지는 바람이 풍부한 산악지대 및 해안지대에 활발히
건설되어지고 있다.
하지만 군사작전 지역 인근에 풍력발전단지가 건설되 어질 경우, 운용 중인 군사 레이다에 다양한 영향을 초래 할 수 있다. 특히 두 가지 요인이 문제가 되며, 각각 풍력 발전기에 의한 레이다 시선 가림 현상 및 풍력발전기가 회전 시에 발생되는 레이다 신호의 도플러 변조(Doppler modulation)이다. 풍력발전기에 의한 차폐효과와 도플러
변조가 군사 레이다에 주는 영향을 분석하기 위해 실제 풍력발전기를 이용한 전자기적 현상의 분석이 필요하다.
본 논문에서는 기존 문헌의 발전기의 형태에 따른 이 론적인 차폐거리[1]및 레이다 신호 모델링을 통하여 얻어 진 도플러 주파수[2]와 실제 운용되는 풍력발전기에서 측 정된 전자기적 차폐거리 및 도플러 주파수의 비교를 수 행하였다.
측정 실험 결과, 이론적으로 계산되어진 차폐거리에 비해 creeping wave와 multi-path의 영향으로 인해 풍력발 전기 앞에서 수신한 신호의 수신세기와 거의 유사한 수 신세기를 보다 더 근거리에서 얻을 수 있었으며, 등방성 점산란원 모델링과 실제 풍력발전기 블레이드의 산란원 차이로 인하여 형태는 다르지만 유사한 최대치를 갖는 시변 도플러 영상을 측정할 수 있었다.
Ⅱ. 본 론
2-1 풍력발전기 차폐 현상 및 관련 이론
자유공간조건을 만족하는 전파경로에서 구조물의 영 향이 미치지 않는 지점을 결정하기 위해 프레넬 존 클리 어런스(Fresnel zone clearance) 방정식을 사용할 수 있다.
이 방정식은 송, 수신 안테나가 타원의 초점으로 위치하 는 타원체로 전파의 경로를 표현한다. 첫 번째 프레넬 존 반경의 0.6배 외부의 지점에 구조물이 존재할 때 자유공 간 조건이 만족되며, 이 거리는 다음 식과 같이 계산된 다[1].
(1)
위 식에서는 구조물의 높이이고, 는 송신 안테나로부터 구조물까지의 거리, 는 구조물로부터 수 신안테나까지의 거리, 는 전체 전파경로의 거리이다. 그 리고 는 사용된 주파수며, 이는 그림 1과 같다.
계산된 프레넬 존 반경 내부에 구조물이 존재하면 추 가적인 감쇠가 있을 수 있다. 파장에 비하여 구조물의 높 이가 높아 knife edge 조건을 만족할 경우 추가적인 감쇠 가 발생하는데, 그림 2와 같이 원기둥 형태의 구조물에 가까울수록 감쇠는 더 커지며, 송신기와 수신기 사이의 거리가 더 멀어져야 한다.
(2)
(3)
Knife edge 조건에 의한 추가적인 감쇠는 식 (2), (3)의 회절매개변수 와 원기둥의 반경 R의 곡률지수를 나타 내는 무차원량(dimensionless quantity) 을 이용하여 계산 할 수 있다[1].
2-2 레이다 신호 모델링을 바탕으로 한 시변 도플 러 주파수 분석 이론
고해상도의 정보를 얻기 위하여 사용되는 대표적인 선 형 주파수 변조(Linear Frequency Modulation: LFM) 신호 로 처프 신호가 있으며, 폭이 넓은 신호를 압축하여 긴 최 대탐지거리와 높은 해상도를 동시에 얻을 수 있다. 처프 신호의 수학적인 표현은 다음과 같다[3].
×
(4)
위 식에서 는 송신 처프 신호의 크기, 는 중심주 파수, 는 대역폭, 는 펄스폭, 는 폭이 이고 값이 1인 사각 함수이다.
블레이드는 레이다의 펄스반복주기 에 따라 측정되
그림 1. Knife edge 회절에 대한 전파경로 Fig. 1. Ray path for knife edge diffraction.
그림 2. 원기둥 구조물의 회절 Fig. 2. Diffraction due to cylinder.
어지고, 이에 따라서 전체관측 시간에 따른 레이다 신호 의 변화를 표현하기 위해 새로운 표준시간(slow-time) 변 수를 정의할 수 있다. 기하학적 회절이론에 따라서 개의 산란점으로 구성된 블레이드에서 반사된 처프 신호 의 합으로 수신신호를 나타낼 수 있다[4].
×
(5)
위 식에서 는 번째 산란원의 크기이며, 는 시간에서 각 레이다에서 번째 산란원까지의 거리로 인한 고속시간(fast time) 지연이며, 이는 ×거리/빛의 속도이다.
수신된 처프 신호를 압축하기 위하여 정합필터가 사용 된다. 정합필터의 임펄스 응답은 송신신호의 복소공액을 취한 형태가 되며, 정합필터링을 수행한 결과는 다음과 같은 sinc 함수의 합인 거리측면도(range profile)로 나타낼 수 있다[5].
sin
(6)
다시 거리 측면에서 위식을 나타내면 다음과 같다.
sin
(7) 여기서 이고, 는 빛의 속도이다. 식 (7)는 각각
에서의 거리측면도의 집합이다. 그러므로 마이크로도 플러 는 에 의해 발생되며, 도플러 공식[6]을 이용 하여 구할 수 있고, 다음과 같다.
(8)
식 (8)에서는 블레이드의 속도를 나타내고, 첨자
는 레이다 시선방향에 투영되었음을 나타낸다.
식 (8)에 의해을 푸리에 변환(Fourier-transform) 함으 로써 각각의 에 해당하는 마이크로도플러를 추출할 수 있다. 하지만 마이크로도플러는 아주 짧은 시간인 동
안 표적의 변화를 표현하는 주파수 성분이기 때문에 STFT(Short-Time Fourier-Transform) 기법을 적용할 수 있 으며 표 1과 같이 표현할 수 있다.
′ ′ exp ′ ′
(9)
위 식에서 는 주파수 영역에서 해당하는 주파수 의 사이드 로브(side lobe)를 제거하기 위한 윈도우(win- dow)함수이며, 는 표준시간(slow-time) 주파수이다.
신호모델링을 기반으로 하여 등방성 점산란원으로 모 델링된 풍력발전기 블레이드[7],[8]에 의해 시간에 따라 도 플러 주파수가 변하는 시변 도플러 영상이 형성됨을 알 수 있다. 참고문헌 [2]에 도플러 시뮬레이션 결과가 있으 므로 시뮬레이션 결과는 생략하였다.
Ⅲ. 측정결과 3-1 측정 시스템 및 사용된 풍력발전기
측정은 풍력발전기를 보유하고 있으며, 풍력발전단지 가 내륙환경 및 해안지역으로 구성되어서 차폐분석 및 도플러 분석 등이 용이한 경북 영덕 풍력발전단지에서 실시하였다. 영덕에 설치된 풍력발전기는 1,650 kW급으 로 한쪽 날개의 길이가 41 m, 허브 높이는 약 82 m로 구 성되어진다.
측정에 사용된 시스템은 발전기, 신호발생부, 신호증폭 부, 안테나부를 차량형으로 개조시킨 송신부와 풍력발전 기에 의해 변형된 신호를 수신하는 RF 수신부로 이루어 진다. 측정 시스템이 사용한 주파수 밴드는 군사레이다가 운용하는 주파수 밴드를 검증하기 위해서 L밴드의 1.5 GHz, S-Band의 3.3 GHz, C밴드의 5 GHz를 사용하였다[9]. 측정에 사용된 장비와 풍력발전기는 그림 3에 나타나 있 으며, 세부적인 규격은 표 1과 같다.
3-2 차폐 실험 분석 결과
차폐 실험은 아침, 점심, 저녁으로 나누어 실행하였으 며, 그림 4와 같이 송신기와 풍력발전기간의 거리를 200 m, 100 m, 1 km로 다르게 하여 각각의 경우에 따라서 L-Band, S-Band, C-Band 별로 측정하였다. 각 주파수 밴드
그림 3. 측정에 사용된 장비 및 풍력발전기 Fig. 3. Picture of radar and wind turbine.
표 1. 사용된 장비 및 풍력발전기의 규격 Table 1. Specification of radar and wind turbine.
Frequency band
9 kHz～6 GHz [L,S,C Band]
모델명 NM82C
발전기 유도발전기
Transmitting
power —144～30 dBm 회전자
Amplifier Gain : 30～40 dB 직경 82 m 회전면적 5,281 m2 Transmit
antenna
Factor :
24～40 dB/m 출력
VSWR 1.4
Receive
antenna Factor : 20 dB/m
허브높이 80 m
Radar type Continuous wave radar
회전속도
[avg] 14.4 RPM 에 해당하는 측정 결과는 10회 측정한 결과를 평균으로 산정하였다. 실험은 풍력발전기 바로 앞단에서 수신된 전 력세기와 비슷한 수준의 수신전력 세기가 수신되는 지점 을 차폐거리로 하여 실시했으며, 측정은 1 m 간격으로 진 행하였다. 몬트카를로(Monte-Carlo) 시뮬레이션에 의하여 지점오차를 최대한 줄이기 위해 한 측정 지점 당 측정을 128회 시행하여 평균하였다.
실험은 풍력터빈의 앞단 및 후방 0 m부터 1 m 간격으 로 수신기를 이격시켜 측정하였으며, 그 결과는 그림 5와 같다. 송신기와 풍력발전기 사이의 거리가 200 m 및 L-Band로 측정할 경우, 자유공간 전파 손실 모델에 따른 0.8 dB의 손실과 물리적인 가시거리만 확보되었을 경우 발생하는 최대 6 dB의 회절손실을 고려하여 풍력터빈 후 방 0 m 대비 후방 8 m에서 풍력발전기 앞단에서의 수신 전력 세기 수준으로 탐지가 된다[1]. 이는 그림 5의 (a)에서
(a) 200 m
(b) 100 m
(c) 1 km
그림 4. 송신기와 풍력발전기간 거리 및 송, 수신 위치 Fig. 4. Location of transmitter and receiver and distance bet-
ween transmitter and wind turbine.
빨간색 보조선으로 표시되어 있다. 이론적인 차폐거리인 44.4 m에 비하여 근거리에서 신호가 합해지는 것을 알 수 있는데, 이것은 S, C-Band의 경우에도 마찬가지로 이론적 인 차폐거리는 112.8 m, 199.7 m에 비해 각각 후방 0 m 대비 후방 10 m, 13 m에서 풍력발전기 앞단에서의 수신 전력 세기 수준으로 탐지가 된다. 이론값과 측정값의 오 차가 L, S, C-Band 각각 36.4 m, 102.8 m, 186.7 m로 발생 했음을 확인할 수 있다. 이는 creeping wave의 영향과 블 레이드에서 반사되는 전파의 세기를 이론값에서 고려하 지 못함에서 기인한 결과이다.
송신기와 풍력발전기간 거리가 가장 단거리인 100 m 일 때, 이론적인 차폐 거리는 L-Band의 경우 50.0 m로 최
-2 0 2 4 6 8 10 -90
-85 -80 -75 -70 -65 -60
range(m)
amplitude(dBm)
(a) L-Band
-2 0 2 4 6 8 10 12
-85 -80 -75 -70 -65 -60 -55
range(m)
amplitude(dBm)
(b) S-Band
-2 0 2 4 6 8 10 12 14
-90 -85 -80 -75 -70 -65 -60 -55
range(m)
amplitude(dBm)
(c) C-Band
그림 5. 송신기와 풍력발전기간의 거리가 200 m일 때 거 리별 수신전력
Fig. 5. Result of shielding effect when the distance bet- ween the transmitter and wind turbine is 200 m.
대가 되고, 가장 장거리인 1 km에서는 이론적인 차폐 거 리가 40.8 m로 최소가 된다. 측정결과도 이론적인 차폐거 리보다는 짧은 거리에서 수신이 발생하지만 송신기와 풍 력발전기간 거리가 단거리의 경우인 100 m에서 29 m로 최대의 차폐거리가, 장거리의 경우인 1 km에서 7 m로 최 소의 차폐거리가 측정되었다.
송신기와 풍력발전기간 거리가 200 m(그림 5)에 비해 송신기와 풍력발전기간 거리가 100 m(그림 6의 (a)～(c)) 일 때 차폐거리가 더 길기 때문에 자유공간 전파 손실모 델에 따른 손실을 2.2 dB로 계산하였고, 회절손실은 앞의 경우와 동일하게 계산하였다. 송신기와 풍력발전기간 거 리가 1 km(그림 6의 (d)～(f))인 경우, 풍력발전기 후방으 로 이격된 거리에 따라서 수신전력 세기의 변동이 큰 것 을 확인할 수 있다. 이것은 전, 후방에 존재하는 풍력발전 기와 지상의 산악지형(그림 7)으로 인한 보강간섭이 발생 하는 것을 측정을 통해 확인할 수 있다.
3-3 도플러 실험 분석 결과
도플러 변조에 대한 측정은 바람의 세기가 가장 강한 일출, 일몰시간대에 실시하였으며, 원활한 도플러 주파수 측정을 위하여 송, 수신기 위치를 같은 위치(mono-static) 로 설정하여 L-Band, S-Band, C-Band 별로 실험하였다(그 림 8). 각각의 주파수 밴드에 해당하는 결과는 차폐 실험 과 마찬가지로 10회 측정한 결과를 평균하여 산정하였으 며, 신호의 첨두치가 시간에 따라서 변화하는 것을 중심 으로 도플러 변화에 대한 분석을 시행하였다. 시간에 따 라서 변화하는 신호를 관찰하기 위하여 1회 측정 시 60초 동안 지속적으로 측정을 실시하였다. 송, 수신기와 풍력 발전기간 거리가 200 m(그림 8)에서 도플러 실험 분석 결 과는 그림 9와 같다. 등방성 점산란원 모델링 및 실제 풍 력발전기에 대한 블레이드 산란원의 차이로 인해 레이다 신호 모델링을 기반으로 한 시뮬레이션으로 얻어진 시변 도플러 영상[2]과 비교했을 때 측정을 통해 얻어진 시변도 플러 영상은 다른 형태로 측정되었다. 또한, 최대 도플러 주파수는
cos 공식을 이용할 때 L-Band일 경 우 블레이드 첨단 속도 62.8 m/s와 레이다, 풍력터빈의 블 레이드 사이의 각도 °을 적용하여 최대 도플러
-5 0 5 10 15 20 25 30 -110
-105 -100 -95 -90 -85 -80
range(m)
amplitude(dBm)
-5 0 5 10 15 20 25 30
-110 -100 -90 -80 -70
range(m)
amplitude(dBm)
-5 0 5 10 15 20 25
-110 -105 -100 -95 -90 -85
range(m)
amplitude(dBm)
(a) L-Band (b) S-Band (c) C-Band
-5 0 5 10 15
-90 -85 -80 -75
range(m)
amplitude(dBm)
-5 0 5 10 15 20
-88 -86 -84 -82 -80 -78 -76 -74
range(m)
amplitude(dBm)
-5 0 5 10 15 20
-98 -96 -94 -92 -90 -88 -86
range(m)
amplitude(dBm)
(d) L-Band (e) S-Band (f) C-Band
그림 6. 송신기와 풍력발전기간의 거리가 100 m (a)～(c) 1 km (d)～(f)일 때 거리별 수신전력
Fig. 6. Result of shielding effect when the distance between the transmitter and wind turbine is (a)～(c) 100 m, (d)～(f) 1 km.
그림 7. 송, 수신기간 거리가 1 km일 경우의 산악지형 Fig. 7. Mountainous terrain when the distance between the
transmitter and receiver is 1 km.
그림 8. 송신기와 풍력발전기간 거리 및 송, 수신 위치 Fig. 8. Location of transmitter and receiver and distance bet-
ween transmitter and wind turbine.
예상치는 L-Band에서 314 Hz이고, 최대 도플러 천이의 측 정치는 평균 320 Hz로 6 Hz의 오차가 발생하였지만, 수신 기의 RBW(Resolution Bandwidth)가 10 Hz임을 감안하면 충분히 유사한 도플러 편이가 측정됨을 확인할 수 있다.
같은 조건에서 S-Band, C-Band의 경우도 마찬가지로 최 대 도플러 예상치가 각각 평균 690.1 Hz, 1,046.7 Hz이
(a) L-Band
(b) S-Band
(c) C-Band 그림 9. 시변 도플러 영상
Fig. 9. Time varying Doppler image.
며, 최대 도플러 측정치는 680 Hz, 1,050 Hz로 최대 도플 러 예상치와 측정치의 오차가 각각 10 Hz, 4 Hz로 10 Hz 를 벗어나지 않으므로 유사한 도플러 편이가 측정되었다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 이론적인 차폐거리 및 등방성 점산란원 으로 구성된 풍력발전기 블레이드에 대해서 레이다 신호 모델링을 통하여 얻어진 풍력발전기 도플러 주파수와 실 제 운용되는 풍력발전기에서 측정된 전자기적 차폐 현상 및 도플러 주파수 비교를 수행하였다. 측정 실험 결과, 차 폐의 경우 이상적인 차폐거리에 비하여 creeping wave의 영향으로 인해 송, 수신기 사이의 거리가 200 m일 경우, L-Band에서 8 m, S-Band에서 10 m 그리고 C-Band에서 13 m로 비교적 짧은 거리로 차폐거리가 측정되었고, 풍력발 전기 블레이드의 등방성 점산란원 모델링 및 실제 풍력 발전기 블레이드의 산란원 차이로 인해 형태가 다른 시 변 도플러 영상을 얻을 수 있었으며, 이론을 통해 계산된 최대 도플러 주파수와 매우 유사한 최대 도플러 주파수 를 측정할 수 있었다.
하지만 저속으로 비행하는 표적의 경우, 풍력발전기에 서 발생한 도플러 성분이 표적의 추적에 부정적인 영향 을 미칠 수 있기 때문에 실제 운용 중인 군사레이다와 비 슷한 사양의 레이다를 이용해 추가 연구를 통하여 확인 할 필요가 있다. 추후 다양한 풍력발전단지에서 이와 관 련한 측정 실험에 수행될 예정이며, 얻어진 데이터는 풍 력발전단지 주변의 레이다 영향 분석에 기초자료로 활용 될 예정이다.
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2016년 1월～현재: 한국과학기술원 국방무인화기술 특화연구 센터 연구 교수
[주 관심분야] 풍력단지 EMI/EMC 분석, 포탄 RCS 분석, 레이 다 표적식별, 방산경제 및 R/D 전략 등
