www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Rüzgâr Türbinleri ve Radar

Resim 1: Bir rüzgâr türbini

Resim 1: Bir rüzgâr türbini

Rüzgâr türbinleri gibi yenilenebilir enerji kaynaklarını çevremizde git gide daha fazla görmekteyiz. Ancak rüzgâr türbinleri radar açısından bir gürültü kaynağı olarak değerlendirilmekte ve radar tesislerinin yakınlarına kurulmasına izin verilmemektedir.

Bu tür yakına kurulu rüzgâr türbinlerinin radarın menzilini kısalttığı öne sürülmektedir. Kavranması biraz güç olan bu konuyu aşağıda anlatmaya çalışacağız:

Gölgeleme

Doğrudan bir hat üzerinden (örneğin gölgelemeyle) gelen bir etki ölçülemez, bu etki çok küçük olurdu. İnsan gözü, dönen bir vantilatörün pervanelerinin kapladığı alanın gerisini göremez, benzeri şekilde radar da rüzgâr türbinlerinin pervanelerin kapladığı çemberin arkasındaki bölgeyi göremez. Dahası 2 ila 5 metre arasındaki genişlikteki bir engelin (örneğin bir direğin) arkasına doğrudan düşen gölgesinin sadece yaklaşık 1000 metreye kadar kısmı bir şekilde algılanabilir. Dalga cephesi (wave front) elektromanyetik dalgaların bu engelde bükülmesinin ardından tekrar kapanır. Doğal olarak gönderilen enerjinin küçük bir bölümü geriye yansıtılır ve bu engelin arkasındaki bulunan uçak gibi bir hedefi algılamak için kullanılamaz. Ancak bu menzil kaybının nedeni açıklanamamaktadır. Rüzgâr türbinleri burada sadece bir ev, bir ağaç ya da bir tepe gibi bir engeldir ve (eğer türbin pervaneleri dönmüyorsa!) sabit hedeflerin (clutter) bileşik sinyalinde (composite signal) hiçte fark edilmez.

Alenia-Marconi Systems firması tarafından gölgeleme için yapılan reel araştırmalardaki kapsamlı bilgisayar benzetimleri 2003 yılında yayınlandı. Böylece bir rüzgâr türbininin direğinin optik gölgesinin uçan uçakların yankı sinyalleri üzerinde 2 dB den biraz daha az bir zayıflamaya sebep olduğu saptandı. Bu değer yankı sinyalinin normal dalgalanmalarında hedefin etkin yansıtırlık yüzeyi tarafından gelen enerjinin yarılması sonucu ortaya çıkan zayıflamanın tamamına denk bir değerdir.

Ayrıca, bir antenin tipik yatay açıklık açısının 1,6° ve rüzgâr türbini direk çapının yaklaşık 3 m gibi olduğu dikkate alındığında, direğin anten çizgesi içinde (keza yarı güç değeri) tümüyle kapsanması için bu hedefin antenden itibaren 3m/[2·sin(1,6°/2)] = 107 m (!) gibi bir yarıçap içinde bulunması gerektiği ortaya çıkar. Pratikte rüzgâr türbinleri çok daha uzakta kurulmaktadır ve gönderim darbelerinin enerjisinin sadece çok küçük bir bölümünü gölgeleyebilir.

Deney: Söz konusu radar tesisleri elektromanyetik dalgaların sözde-optik özelliklerine sahip olduğu tüm frekans bantlarında çalışırlar. Yansıtıcısının ayarlanması ile huzmesi odaklanabilen bir cep ışıklığı vasıtasıyla canlı bir deney yapabiliriz. El ışıklığını 6 ila 10 m arasında uzaklıktaki bir duvara tutunuz ve duvarda olabilecek en küçük ışık lekesi kalana kadar yansıtıcısını çevirerek ayarlayınız. Ve şimdi ışık huzmesi içinde herhangi bir noktaya bir kurşunkalem koyunuz (huzmenin içinde sadece kurşunkalem bulunmalı, eliniz içine girmemeli!) ve kurşunkalemin duvardaki gölgesini, ayrıca kurşunkalemin duvardaki gölgesinin algılanabilir olmadığı durumdaki kurşunkalemin ışık lekesinin parlaklığına olan etkisini gözlemleyiniz. Şunları yapınız,

  • Kurşunkalemi el ışıklığının önüne ışık lekesinin parlaklığı üzerinde artık bir etki yapmadığı en küçük mesafeye koyunuz;
  • Kurşunkalemi duvardaki gölgesinin tamamen kaybolduğu noktaya koyunuz.

Kurşunkalemin çapının ışık huzmesinin çapına olan oranı, bir uçuş güvenlik radarının ışın demetinin genişliğinin bu radarın 5 ila 10 km ötesinde kurulu bir rüzgâr türbini direğinin çapına olan oranına yaklaşık olarak denk düşer.

Sadece gölgeleme göz önüne alınarak yapılan bir değerlendirme ile bir rüzgâr türbininin radar üzerindeki etkisinin basitleştirilmesi doğru değildir. Bir gölge sadece doğrudan ve rüzgâr türbininin gerisindeki nispeten daha kısa mesafede ölçülebilir. (Bu durum ise bir pilotun anlaşılabilir nedenlerden ötürü zaten kaçınması gerektiği bir menzil ve yüksekliktir.) Keza, hiç kimse rüzgâr türbininin meydana getirdiği gölgelemenin radarı olumsuz etkilerken, örneğin ağaç gruplarının meydana getirdiği aynı büyüklükteki gölgelemenin neden bir şekilde idare edilebildiğini açıklayamadı.

Ağaç grupları ya da rüzgâr türbin parkının arkasındaki zayıflamalar 2 desibel civarındadır. Bununla beraber bir uçağın yankı sinyallerin salınımı (dalgalanma kayıpları) 30 desibelden daha yüksek seviyelerdedir, yani muhtemelen 1000 kat daha büyüktür. Radarın uğraşması gereken esas kayıplar da bunlardır.

Radar menzili üzerindeki etkisi

Radarlar sabit hedeflerden gelen yankı sinyallerini, uçak gibi hareketli hedeflerden gelen yankı sinyallerini bu sinyallerdeki Doppler frekansları sayesinde birbirinden ayırt edebilir. Ev, ağaç, tepe gibi sabit hedeflerin yankı sinyallerinin ekrandaki izleri bir teknik devre vasıtasıyla bastırılabilir. Burada sadece rüzgâr türbinleri bir istisna teşkil etmektedir: Çünkü türbinlerin dönen pervaneleri, yankı sinyallerine, havada asılı duran bir helikopterin dönen pervanelerinin ürettiği Doppler frekansına benzer bir Doppler frekansı da katarlar. Ve bu da kesin olarak rüzgâr türbinlerini artık göz ardı edilemeyecek bir engel olarak değerlendirmemiz gerektiğini ortaya koyar. Radar bu yankı sinyali için bir hata alarmı verecektir. Bu hata alarmı aynı şekilde bir gerçek alarm imiş gibi işlenmelidir. Bunun bir hatalı alarm olarak değerlendirilmesi için süreye ihtiyaç vardır. Bu süre, sayısal radarlarda bilgisayarın hesaplama zamanı, analog radarlarda ise uçuş kontrol elemanlarının ya da radar şeflerinin dikkatini çekme zamanıdır. Bu hedef hakkında bir karara varmadan önce genellikle antenin ilave bir dönüş daha yapması beklenir. Tek bir hatalı alarm aslında bir sorun yaratmamaktadır. Ancak rüzgâr türbinleri genellikle birbirlerine yakın kurulduğundan, bunların her birinin ürettiği hatalı alarmlar hatalı alarm yüzdesini hızla arttıracak ve hata artık göz ardı edilemeyecek bir değere ulaşacaktır. Bu koşullar altında bir rüzgâr çiftliği üzerinde uçan bir küçük uçağın pekâlâ gözden kaçırılabilmesi de mümkündür.

Radarlarda hatalı alarm yüzdesinin azaltılması için önlemler alınmalıdır. Geçerli uygulamada bu rüzgâr türbinlerinin bulundukları yerlerin bir parazit-haritasına (clutter-map) – radarın sinyal işlemcisinin belleğindeki bir elektronik harita türü – girilmekte ve uzunca bir sürede ölçülen ortalama yankı sinyal kuvvetleri belleğe kaydedilmektedir. Antenin bir sonraki dönüş turunda ölçülen güncel değer ile bellekte kaydedilmiş değer arasındaki fark değer bir daha işlenir. Eğer bir hareket etmeyen hedeften gelen yankı sinyali sabit ise bu yöntem son derece etkindir. Ne yazık ki rüzgâr türbinlerinde durum nadiren böyle olur, rüzgâr yönü ve bu rüzgâr yönüne bağlı olarak dönen rotorun konumu (dolayısı ile pervanelerin konumu) sürekli değişir. Yani, bu arazi noktaları için bu değerin üzerindeki önemli bir hedefi ayırt edebileceği daha yüksek bir eşik değerinin tanımlanması gerekir. Tüm bu hesaplamaların gerçek zamanlı yürütülmesi gerekir ve bu da radar sinyal işlemcisinin çalışma sınırlarını zorlar. Bu bakımdan hesaplamalar yazılımla değil, genel uygulamada birbirine fiziksel bağlanmış (hardwired) çok hızlı mantık devrelerinden oluşan bir işlemci tarafından yürütülür. Bu mantık devreleri hedef hakkında bir karar veremezse ya da “hedef yok” kararı verirse, bu karar daha fazla sayıda anten dönüşünün birbiri ile karşılaştırılabildiği ve sonuçlarının artık gerçek zamanlı alınmadığı bir sonraki aşamaya aktarılır.

Hatalı alarm yüzdesini düşürmek için alınan tüm bu önlemler eşzamanlı olarak gerçek hedeflerin algılama olasılığını da düşürür. Sinyallerin işlenmesindeki farklı eşik değerleri hatalı alarm yüzdesini ve algılama olasılığını etkiler, bu iki değer birbirleri ile ters orantılıdır. Ve bu bizi doğrulamaktadır: Bir radarın menzili sabit bir algılama olasılığı için belirlenir. Bu değer kötüleştikçe radarın menzili de kötüleşecektir. Bu, aynı zamanda radarın yakın bölgesinde kurulu rüzgâr türbinlerinin etkisinin bir şekilde radar tarafından halâ idare edilebileceğini, fakat kurulan türbin sayısı arttıkça radarın menzilinin büyük ölçüde kötüleşeceğini doğrulamaktadır.

Çözüm yolları

Resim 2: Bir uçağa ve bir rüzgâr türbinine ait Doppler izgeleri

Resim 2: Bir uçağa ve bir rüzgâr türbinine ait Doppler izgeleri

Yapısal kısıtlamalar hariç çok sayıda çözüm yolları bulunmaktadır. Hatalı alarmın algılanma zamanını kısaltan bir iyileştirme önlemini bulmak mümkündür. Cambridge Consultants Mühendislik Bürosu kuşkulanılan yönde saniyede on kez sorgulama yapıldığı (şimdiye kadar 4 saniyede bir kez yapılıyordu) ve böylece gerçek zamanlı olarak sorgulanan hedefin bir rüzgâr türbini olup olmadığının açık bir şekilde algılandığı bir yöntem geliştirdi. Cambridge Consultants bu yöntemi holografik radar™ olarak adlandırmıştır.

Bu çizgesini sayısal biçimlendiren bir faz dizi anteni bulunan bir radar için mümkündür. Bugüne kadar sadece çok modern askeri radarlarda uygulanan bu yöntem artık sivil radarlarda da kullanılmaya başlanmıştır. Mekaniksel dönen modüllerin kullanımının azalmasıyla, bu yöntem bakım gerektirmemekte ve rüzgâr hızları gibi meteorolojik koşullardan hiç etkilenmemektedir. Uçuş güvenlik görevlerinde bu, üçüncü koordinatın (uçuş yüksekliği) ikincil radardan bağımsız olarak belirlenebilmesi açısından da önemli bir üstünlüktür.

Sabit Hatalı Alarm Oranlarındaki (Constant False Alarm Rate, CFAR) eşik değerlerinin modern istatistiki yöntemlerde belirlenmesiyle rüzgâr çiftliklerinin yakın bölgesindeki algılama olasılık değerindeki bugüne kadarki kayıplar büyük ölçüde giderilmiştir.

Resim. 2 de I-bandında çalışan bir radarda, çift pervaneli uçak ile bir rüzgâr türbininin birbirini takip eden darbe periyodlarındaki Doppler frekanslarının farkları gösterilmektedir. Uçağın gövdesi, kanatları ve kuyruk bölümlerindeki Doppler frekansların genlikleri daha büyüktür. Doppler frekans, uçakların radyal hızı nedeniyle meydana gelir. Pervaneler, Jet Motor Modülasyonu (Jet Engine Modulation, JEM) denilen modülasyon etkisiyle ilave Doppler frekans salınımlarına sebep olurlar.

Bir rüzgâr türbininden gelen en büyük yankı sinyali sabit türbin direğinden gelir, buradaki yansıtma alanı bir hayli büyüktür ve sabit olması nedeniyle yankı sinyalinde Doppler frekans bileşeni bulunmaz (fD = 0). Öte yandan bir rüzgâr türbininin pervaneleri, en büyük değeri bir pervaneli uçakla kıyaslanabilecek büyüklükte bir Doppler frekans üretirler. Bir büyük kanatçıkta bulunan daha küçük her bir yüzey bölümleri daha farklı radyal hıza sahip olmaları nedeniyle bir uçak pervanesinde olduğu gibi darbe biçimli genlikler meydana getirmez, genlikler daha ziyade negatiften pozitif maksimuma doğru sürekli bir geçen biçimdedir. Frekans izgesindeki farklar sayesinde bir rüzgâr türbini bir uçaktan kesinlikle ayırt edilebilir.

Görünmezlik Teknolojisi (Stealth Technology) yardımıyla rüzgâr türbinlerinin pervanelerinin etkin yansıtırlık yüzeylerinin küçültülmesi için deneyler [1] yapılmaktadır. Ancak bu teknoloji çok pahalıdır ve maalesef sadece belirlenmiş bir frekans bölgesine uyumlu olduğundan etkisi de sınırlı kalmaktadır. Rüzgâr türbinlerinin tümüyle görünmez yapılamayacağının bir başka nedeni ise uçaktaki yöngüdüm (navigation) radarının varlığına rağmen kötü görüş koşullarında uçağın türbine çarpma tehlikesinin oldukça yüksek oluşudur. Daha garibi ise, bu Görünmez-Rüzgâr Türbinlerinin bir köşe yansıtıcı gibi çalışacağı ve böylece görünmezlik özelliğine rağmen yöngüdüm radarı tarafından yine görüleceğidir. Bu durum, görünmezlik teknolojisi sonucu küçülmüş olan yankı sinyalinin dalgalanmasının (fluctuation) bir hayli kuvvetli olması ve böylece beraberinde bir Doppler frekansını taşımasına olanak tanıması bakımından aslında bir çelişki de değildir. Buna karşılık köşe yansıtıcı, arama radarı yönünde seçime bağlı olarak radar tarafından bastırılabilen ya da ekranda gösterilebilen bir sabit yankı sinyali gönderir.

Bir başka çözüm ise ilerde her bir rüzgâr türbininin, ikincil radar için bu radar aygıtına “Bu yankı sinyali xyz-Rüzgâr Türbinine aittir!” mesajı gönderen bir transponderle donatılması da olabilir. İdeal durumda bu mesajla birlikte pekâlâ rüzgârın yönü ve türbin rotor hızı da birlikte gönderilebilir. Radar sinyal işlemcileri bu yankı sinyalini bir hedef gibi görecek, bunu transponder sinyali ile ilintilendirecek, fakat istenilirse ekranda görüntülemeyecek ya da radar aygıtından daha uzakta bulunan bir kumanda odasındaki ekranlar bu sinyallerle en başında yüklenmeyecektir. Rüzgâr türbini tarafındaki teknik çabalar nispeten az olurdu. Bu çözüm için radar tarafında ise sadece yazılımın uyarlanması ve belki, yeni radar aygıtlarında radar sinyal işlemcilerinin gücünün şimdiden çok daha fazla sayıda böyle hedeflere uygun hale getirilmesi gerekir. Bir ikincil radar yerine her bir rüzgâr türbinini kendi IP –adresi üzerinden bir veri ağına bağlamakta mümkündür. Bu çözüm yönteminin öncelikle ICAO tarafından tanınması zorunluluğu olan bir standardizasyonu gerektirmesinden ötürü masrafları da muhtemelen hayli fazla olacaktır. Bu çözümün alakasızca da olsa şöyle bir başka üstünlüğü de olurdu: Yerleri bilinen rüzgâr türbinleri ve bunların transponder sinyalleri şimdiye kadarki test transponderlerine olan gereksinimi ortadan kaldırır ve bu seçilmiş rüzgâr türbinleri radarın alıcı kanallarının dâhili ayarlamalarında da (calibration) kullanılabilirdi.


[1] Görünmezlik Teknolojisi (Stealth Technology): http://www.hitek-ltd.co.uk/