天氣雷達(dá)的電磁輻射防認(rèn)識(shí)

天氣雷達(dá)是利用云霧、雨、雪等降水粒子對(duì)電磁波的散射和吸收，為探測(cè)降水的空間分布和鉛直結(jié)構(gòu)，并以此為警戒跟蹤降水系統(tǒng)的雷達(dá)。天氣雷達(dá)屬于氣象雷達(dá)中的一種。常用的波長(zhǎng)大多在1~10cm范圍。因10cm以?xún)?nèi)波長(zhǎng)電磁波的衰減小，用于探測(cè)臺(tái)風(fēng)、暴雨及冰雹較好，因此新一代的天氣雷達(dá)可精確探測(cè)雷達(dá)站周?chē)鷰装俟锓秶鷥?nèi)的天氣變化情況。

新一代的天氣雷達(dá)

天氣雷達(dá)的探測(cè)原理

我國(guó)多普勒天氣雷達(dá)技術(shù)開(kāi)發(fā)起步較晚，上個(gè)世紀(jì)８０年代末開(kāi)始進(jìn)行多普勒天氣雷達(dá)的研制和在氣象業(yè)務(wù)上的試用，９０年代中期正式將Ｓ波段和Ｃ波段的多普勒天氣雷達(dá)作為新一代天氣雷達(dá)列入氣象業(yè)務(wù)探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃，到目前為止，全國(guó)各地已建成或計(jì)劃中的新一代天氣雷達(dá)已達(dá)158部以上，這些功能強(qiáng)大的新一代天氣雷達(dá)構(gòu)成了覆蓋我們國(guó)家全鏡新一代天氣雷達(dá)站網(wǎng)。

全國(guó)新一代多普勒天氣雷達(dá)分布圖

由于利用的是電磁的散射和吸收原理，且探測(cè)的范圍廣，因此天氣雷達(dá)是一種大功率的電磁輻射源,其工作時(shí)對(duì)外產(chǎn)生的電磁輻射功率已超過(guò)可豁免的電磁輻射體等效輻射功率的范圍，因此天氣雷達(dá)建設(shè)方必須在建造之前向所在地區(qū)的門(mén)申報(bào)、登記,并接收監(jiān)督。且新建的天氣雷達(dá)站需事先向門(mén)提交“環(huán)境影響報(bào)告書(shū)(表) ”,并在建成后進(jìn)行實(shí)地電磁輻射場(chǎng)空間分布的測(cè)試,必要時(shí)以實(shí)測(cè)為基礎(chǔ)劃出防護(hù)區(qū),設(shè)立警戒標(biāo)志。

而一直以來(lái)，許多民眾對(duì)天氣雷達(dá)的電磁輻射污染及防護(hù)問(wèn)題并不了解，因此我們根據(jù)多年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，就新一代天氣雷達(dá)的主要性能參數(shù),推導(dǎo)了其電磁輻射場(chǎng)量參數(shù)的分布,并按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB8702 - 88“電磁輻射防護(hù)規(guī)定”及環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/ T 1013 -1996“輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則:電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)”的要求,估算了新一代天氣雷達(dá)電磁輻射對(duì)環(huán)境的影響和防護(hù)要求的范圍。

1.      電磁輻射防護(hù)的限值

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB8702 - 88 “電磁輻射防護(hù)規(guī)定”中對(duì)電磁輻射防護(hù)限值分為兩種:職業(yè)照射和公眾照射。職業(yè)照射的限值為每天8 小時(shí)工作期間內(nèi),任意連續(xù)6 分鐘按全身平均的比吸收率(SAR) 應(yīng)小于01W/kg;公眾照射的限值為每天24 小時(shí)內(nèi),任意連續(xù)6 分鐘按全身平均的比吸收率(SAR) 應(yīng)小于0.02W W/kg。由上述的限值可以導(dǎo)出電磁輻射場(chǎng)的場(chǎng)量參數(shù)(電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、功率密度) ,電磁輻射場(chǎng)量參數(shù)的限值仍用任意連續(xù)6 分鐘內(nèi)的平均值來(lái)界定。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁輻射防護(hù)限值

表1 給出S 波段和C 波段電磁輻射場(chǎng)量參數(shù)的限值。對(duì)于脈沖電磁波,則要求其瞬間值不應(yīng)超過(guò)限值的1000 倍。

表1：S波段C波段電磁波電磁輻射強(qiáng)度的防護(hù)限值

2.      新一代天氣雷達(dá)的電磁輻射參數(shù)

雷達(dá)的電磁輻射強(qiáng)度主要與雷達(dá)的發(fā)射參數(shù)和天線(xiàn)參數(shù)等有關(guān),符合電磁輻射防護(hù)要求還與雷達(dá)天線(xiàn)掃描方式有關(guān)。

2.1   新一代天氣雷達(dá)的有關(guān)參數(shù)

目前我國(guó)正在布站建設(shè)的新一代天氣雷達(dá)有CINRAD/ SA、CINRAD/ SC、CINRAD/ CC 等幾種型號(hào),其中SA、SC均為S 波段,性能參數(shù)基本相同,CC 為C波段,表2 給出其發(fā)射參數(shù),表3 給出天線(xiàn)參數(shù)。

表2：新一代天氣雷達(dá)發(fā)射參數(shù)

表3：新一代天氣雷達(dá)天線(xiàn)參數(shù)

新一代天氣雷達(dá)天線(xiàn)掃描的運(yùn)行方式有三種:平面位置掃描( PPI) 、距離高度掃描(RHI) 、體積掃描(VOL) 。PPI 掃描時(shí)天線(xiàn)仰角固定,方位角作0~360 度的環(huán)掃,掃描速度通常設(shè)定在12度/ 秒左右,即每分鐘兩周。RHI 掃描時(shí),方位角設(shè)定在某一位置上,天線(xiàn)的仰角自下而上掃描,掃描的范圍為0～30 度,掃描速度約為2 度/ 秒,即每分鐘兩次俯仰來(lái)回。體積掃描由一組不同仰角的PPI 掃描組成,仰角數(shù)可選為9～14 個(gè)甚至可以選為20 個(gè),雷達(dá)運(yùn)行一次體積掃描的時(shí)間約為6 分鐘左右,或更長(zhǎng)一些,主要由選定的仰角數(shù)來(lái)確定。由于電磁輻

射防護(hù)限值的要求,按測(cè)點(diǎn)連續(xù)6 分鐘的場(chǎng)參數(shù)平均值來(lái)確定,可以看出當(dāng)雷達(dá)在某一方位上進(jìn)行RHI 掃描時(shí)測(cè)點(diǎn)的電磁輻射場(chǎng)參數(shù)值,而作體積掃描時(shí)最小。

天氣雷達(dá)天線(xiàn)掃描的運(yùn)行方式

2.2   天氣雷達(dá)射線(xiàn)方向功率密度的估算

對(duì)于微波波段,電磁輻射強(qiáng)度的常用功率密度來(lái)描述, 功率密度可以由雷達(dá)的發(fā)射參數(shù),天線(xiàn)參數(shù)來(lái)估算雷達(dá)射線(xiàn)方向功率密度隨距離的分布。

新一代天氣雷達(dá)天線(xiàn)采用圓拋物面型,用雷達(dá)反射面輻射出的電磁波初為平行波束,傳播一段距離后經(jīng)相位干涉逐漸形成錐形波束。根據(jù)天線(xiàn)波束形成理論,天線(xiàn)波束形成的距離可用公式：D²/λ~2D²/λ來(lái)估算,公式中， D表示天線(xiàn)的直徑,λ表示電磁波的波長(zhǎng)。射線(xiàn)方向的功率密度隨距離分布可由三個(gè)距離區(qū)間來(lái)描述:平面波束、波束形成后錐形波束、平面波束轉(zhuǎn)換為錐形波束區(qū)間。平行波束和錐形波束形成后,可以理論上進(jìn)行估算功率密度,平面波束轉(zhuǎn)換為錐形波束區(qū)間內(nèi)的輻射功率密度難于估算,但可認(rèn)為其功率密度約大于按錐形波束估算的功率密度值,而不會(huì)大于平行波束狀況時(shí)估算的功率密度。

平面波束狀況時(shí),輻射的功率密度(ρ)可簡(jiǎn)單的用平行波束的橫截面積(相當(dāng)于天線(xiàn)反射面的截面積) 除以雷達(dá)的平均發(fā)射功率來(lái)計(jì)算:

ρ=4 P/πD²

功率密度ρ不隨測(cè)點(diǎn)距雷達(dá)距離的變化而改變。按新一代天線(xiàn)的參數(shù)來(lái)估算,S波段的輻射功率密度ρ為19.8W/m² ,C波段的ρ為17.2W/m²。

在錐形波束形成后,其射線(xiàn)方向的輻射功率密度ρ可按下式計(jì)算:

ρ=4PG/4πr²

上面公式中r 為測(cè)點(diǎn)距雷達(dá)的距離,ρ隨距離的增大而迅速的減小。新一代天氣雷達(dá)S 波段和C波段的ρ分別為1.42×10⁶/r^-2(W.m²)、4.45×10⁵/r^-2(W.m²)。

假設(shè)平行波束估算的ρ與錐形波束估算ρ相等的距離r₀,當(dāng)天線(xiàn)輻射的波束作為平行波考慮時(shí)的距離, 即距雷達(dá)天線(xiàn)的距離r＜ r₀時(shí), 輻射波束的功率密度可視為固定值ρ₀ ,S 波段和C 波段新一代天氣雷達(dá)的r₀分別為268m、161m。按D²/λ來(lái)計(jì)算錐形波束的形成距離,可計(jì)算出S波段新一代天氣雷達(dá)的r₁分別為681m、324m。當(dāng)測(cè)點(diǎn)的距離大于r₁時(shí),其輻射功率密度按錐形波束來(lái)估算。r處于r₀和r₁之間時(shí), 則認(rèn)為功率密度值在兩種估算值之間。

綜合上面的估算和分析,可得出新一代天氣雷達(dá)在射線(xiàn)方向上輻射功率密度隨天線(xiàn)距離的分布(表4) 。

表4:新一代天氣雷達(dá)射線(xiàn)方向輻射功率密度分布

2.3     雷達(dá)掃描時(shí)功率密度6 分鐘平均值的估算

電磁環(huán)境防護(hù)限值以6分鐘平均的功率密度值計(jì)算,測(cè)點(diǎn)6分鐘平均的輻射功率密度ρ₆與雷達(dá)天線(xiàn)掃描運(yùn)行方式有很大的關(guān)系。為方便計(jì)算輻射功率密度的6 分鐘平均值,在測(cè)點(diǎn)距離大于錐形波束形成距離時(shí),引進(jìn)類(lèi)似于計(jì)算脈沖功率和平均功率之間轉(zhuǎn)換關(guān)系中的占空比概念。錐形波束時(shí),雷達(dá)在某一仰角進(jìn)行連續(xù)PPI 掃描,掃描周期小于6 分鐘時(shí),掃描面中任一點(diǎn)接收到輻射功率密度的占空比可近似的用天線(xiàn)波束寬度與天線(xiàn)掃描方位角范圍的比值δ來(lái)表示,輻射功率密度的6分鐘平均值ρ₆等于雷達(dá)射線(xiàn)方向上功率密度乘以占空比。

ρ₆= ρ×δ

雷達(dá)在某一方位角上進(jìn)行連續(xù)的RHI 掃描時(shí),RHI 掃描面中任一點(diǎn)的6分鐘平均輻射功率密度值可參照PPI 掃描時(shí)的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算,但占空比與PPI掃描時(shí)占空比不相同,要大得多。雷達(dá)運(yùn)行體積掃描(VOL) 模式,仍可引用占空比的概念,但計(jì)算方法可略作修改,用天線(xiàn)掃過(guò)一個(gè)波束寬度的時(shí)間與運(yùn)行VOL掃描的周期時(shí)間的比值來(lái)表示占空比,若掃描周期超過(guò)6分鐘,計(jì)算中仍用6分鐘來(lái)計(jì)算。根據(jù)新一代天氣雷達(dá)運(yùn)行時(shí)的掃描參數(shù)可以計(jì)算出各種方式下的占空比(表5) ,進(jìn)一步用來(lái)估算其ρ₆。

表5:錐形波束區(qū)PPI、RHI、VOL 三種掃描方式時(shí)ρ₆計(jì)算中的占空比δ

平行波束時(shí),估算6分鐘平均的輻射功率密度仍可用占空比的概念,但計(jì)算占空比的方法需修改,用平行波束在測(cè)點(diǎn)的駐留時(shí)間與掃描周期的比值為占空比,波束駐留時(shí)間是與測(cè)點(diǎn)距天線(xiàn)的距離r/m有關(guān)的,與波束的寬度(近似等于天線(xiàn)的直徑) 有關(guān)。對(duì)新一代天氣雷達(dá)來(lái)講,平行波束區(qū)的占空比可參見(jiàn)表6

表6:平行波束區(qū)PPI、RHI、VOL 三種掃描方式時(shí)ρ₆計(jì)算中的占空比δ

綜合上述分析和估算,對(duì)表4所列的射線(xiàn)方向輻射功率密度ρ進(jìn)行修正后,可以得出新一代天氣雷達(dá)在三種運(yùn)行方式下, 輻射功率密度6分鐘平均值ρ₆隨距離分布(表7) 。

　表7:新一代天氣雷達(dá)輻射功率密度6分鐘平均值ρ₆分布    (單位：W/m²)

3.      新一代天氣雷達(dá)輻射防護(hù)要求的距離范圍

根據(jù)對(duì)新一代天氣雷達(dá)輻射的功率密度分布和功率密度6分鐘平均值分布的估算,按照GB 8702-88“電磁輻射防護(hù)規(guī)定”導(dǎo)出的電磁輻射防護(hù)限值的要求,計(jì)算出要求防護(hù)的范圍。

雷達(dá)作PPI掃描方式運(yùn)行時(shí),S波段電磁輻射需進(jìn)行防護(hù)的距離為:13.5m (職業(yè)照射) 、67.5m(公眾照射) ;C波段電磁輻射需進(jìn)行防護(hù)的距離:3.72m( 職業(yè)照射)、16.4m (公眾照射)。雷達(dá)作RHI 掃描式運(yùn)行時(shí),S 波段電磁輻射需進(jìn)行防護(hù)的距離為:161m(職業(yè)照射) 、490m(公眾照射) ;C 波段電磁輻射需進(jìn)行防護(hù)的距離39.2m (職業(yè)照射) 、196m(公眾照射) 。雷達(dá)作VOL 掃描方式運(yùn)行時(shí)其ρ₆比運(yùn)行PPI、RHI 要小得多,要防護(hù)的距離比運(yùn)行PPI、RHI 時(shí)所要求防護(hù)距離小得多。

按上面估算,可以得出新一代天氣雷達(dá)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí),對(duì)于職業(yè)照射需保護(hù)的距離:S波段為161m ,C波段為39.2m。對(duì)于公眾照射需保護(hù)的距離:S波段為490m ,C 波段為196m。當(dāng)雷達(dá)天線(xiàn)波束指向固定在一個(gè)方向時(shí),在射線(xiàn)方向會(huì)造成較強(qiáng)的輻射功率密度6分鐘平均值,需要防護(hù)的距離則要大得多,S波段新一代天氣雷達(dá)的防護(hù)距離達(dá)842m(職業(yè)照射) 、1880m(公眾照射) , C波段新一代天氣雷達(dá)的防護(hù)距離達(dá)351m (職業(yè)照射) 、786m(公眾照射) (表8) 。

表8:新一代天氣雷達(dá)電磁輻射需防護(hù)的距離

4.      雷達(dá)電磁輻射的防護(hù)措施

總體來(lái)說(shuō)，新一代天氣雷達(dá)是較大功率的電磁輻射源,在距雷達(dá)天線(xiàn)較近范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁輻射功率密度超過(guò)電磁輻射防護(hù)限值,需進(jìn)行防護(hù)。從前面的估算可看出需進(jìn)行防護(hù)的距離范圍大致可以劃分成三個(gè)區(qū)域,職業(yè)照射防護(hù)區(qū)、公眾照射防護(hù)區(qū)、避免直接照射區(qū)。新一代天氣雷達(dá)天線(xiàn)的架設(shè)高度應(yīng)盡量避免波束直接照射被防護(hù)對(duì)象,同時(shí)加強(qiáng)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行操作的管理,杜絕由于工作處置不當(dāng)而造成電磁輻射對(duì)環(huán)境的影響。

新一代天氣雷達(dá)天線(xiàn)的架設(shè)高度應(yīng)超過(guò)職業(yè)照射防護(hù)區(qū)(S波段為160m ,C波段為39.2m) 內(nèi)所有建筑物的高度,考慮到雷達(dá)天線(xiàn)仰角可達(dá)- 2°,天線(xiàn)的高度超過(guò)范圍內(nèi)建筑物5m以上。雷達(dá)天線(xiàn)的架設(shè)高度也應(yīng)超過(guò)職業(yè)照射防護(hù)區(qū)外公眾照射防護(hù)區(qū)( S波段為490m、C波段為196m) 內(nèi)所有居民住宅樓的高度,可以有少量辦公用房超過(guò)雷達(dá)天線(xiàn)高度。對(duì)公眾照射防護(hù)區(qū)以遠(yuǎn)的高層建筑可不作特別的防護(hù)要求,但雷達(dá)在調(diào)試、試驗(yàn)中需固定天線(xiàn)指向時(shí),應(yīng)注意天線(xiàn)波束不應(yīng)指向高層目標(biāo),同時(shí)，在天氣雷達(dá)正常工作的周期中，也需要有關(guān)部門(mén)利用專(zhuān)業(yè)的電磁輻射分析儀對(duì)其周?chē)姶泡椛淝闆r進(jìn)行定期檢測(cè)。

雷達(dá)專(zhuān)用電磁輻射監(jiān)測(cè)儀（德國(guó)安諾尼HF-60105選頻式電磁輻射分析儀）

5.      結(jié)束語(yǔ)

電磁輻射的防護(hù)是環(huán)境保護(hù)中的一項(xiàng)工作,新一代天氣雷達(dá)的建站過(guò)程必須充分注意到雷達(dá)的電磁輻射對(duì)環(huán)境的影響。本文根據(jù)新一代天氣雷達(dá)的參數(shù)和環(huán)境電磁輻射防護(hù)要求,估算出雷達(dá)電磁輻射的防護(hù)距離,供建站時(shí)考慮。建站時(shí)需根據(jù)周?chē)ㄖ锏姆植?span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 12px; FONT-FAMILY: 黑體">,雷達(dá)天線(xiàn)架設(shè)的高度等,對(duì)環(huán)境電磁輻射影響作出評(píng)估。

編輯：廣州科技有限公司

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