X波段测波雷达电磁辐射测量方法与实例分析

王心鹏，吴文程，李冀刚，姜　民，张东亮

（1.国家海洋技术中心，天津　300112；2.汕尾海洋环境监测中心站，广东　汕尾　516600）

X波段测波雷达电磁辐射测量方法与实例分析

王心鹏1，吴文程2，李冀刚2，姜民1，张东亮1

（1.国家海洋技术中心，天津300112；2.汕尾海洋环境监测中心站，广东汕尾516600）

X波段测波雷达在海洋观测领域具有重要的应用价值，但其电磁辐射带来的影响也愈发值得关注。通过对X波段雷达工作特点进行分析，提出了使用频谱分析仪和对数周期天线组成测量系统的电磁辐射测试方案。参照国家标准对国家海洋局南澳、遮浪海洋环境监测站的X波段测波雷达电磁辐射功率密度进行了测量和分析，结果表明：X波段测波雷达对环境危害小，对公众安全性好。同时解释了短时曝露限值的含义，提出了要加强员工安全教育的建议。

X波段测波雷达；电磁辐射测量；功率密度；频谱分析仪

X波段测波雷达是一种基于船用X波段导航雷达，利用海面回波图像分析波浪参数的遥感观测设备［1］。X波段测波雷达支持多个厂家不同型号的X波段雷达，以国家海洋局引进MIROS公司的WAVEX系统为例，其中X波段雷达使用的谷野雷达型号为FR-2127BB，天线型号为XN24AF，其主要参数如表1所示。该雷达发射功率较高，其瞬时功率可达到25 kW，在波浪观测时一般为连续工作，因此其电磁辐射对人存在一定危险性，有必要对其辐射强度开展现场测量和分析。

表1　雷达及天线主要参数

1　电磁辐射测量原理

在电磁辐射测量中，通常用功率密度来衡量电磁辐射的强弱。功率密度是描述单位时间内通过单位面积的电磁波能量的物理量，它是无线电计量中的一个重要参数［2］。要完成对X波段测波雷达电磁辐射的测量，需要根据其工作特点对测量仪器进行对比选型并使用合理的计算方法，从而获得其功率密度。

1.1仪器选型

测量电磁辐射通常采用场强仪，但由于场强仪没有频率信息，在周边有其他设备时不容易判断辐射来源和占用频段。频谱仪可以用来测量所需频段的频谱信息，在进行测量时配以相应频段的天线便可组成测试系统。频谱仪优点在于能够直接对某一频段的信号进行测量，从而避免其它频段干扰信号带来的影响。测量设备选用Agilent公司生产的N9918A［3］型频谱仪；选用德国Annoni公司生产的HyperLog60100型对数周期天线，该天线在出厂时已经过专业校准，其天线频率与天线系数［4］的对应关系如表2所示。天线与频谱仪的连接馈线选用1 m长专用射频电缆，经测试可知其在X波段雷达工作频段的线缆损耗约为0 dB。

表2　天线频率及天线系数

1.2计算方法

1.2.1X波段雷达输出的峰值功率与平均功率由雷达原理可知，雷达发射机的输出功率可分为峰值功率Pt和平均功率Pav，二者关系［5］为：

式中：τ表示脉冲宽度；T表示脉冲重复周期。对于X波段雷达信号，其脉冲宽度为0.07 μs，脉冲重复周期为333 μs，将公式（1）以分贝（dB）形式表示：

由式（2）可知，X波段雷达的峰值功率和平均功率相差36.7 dB。

1.2.2频谱仪测量值与功率密度的关系频谱仪对信号的测量数值以功率（单位：dBm）或电压（单位：dBuV）的形式给出，若想获得对功率密度的测量结果，需要进行一定的公式换算和推导［6-7］，其过程如下（各物理量的单位以下标形式给出）：

对于50 Ω的射频系统而言，其系统接收功率Pr和接收电压U之间的变换关系为：

由天线系数的定义可知，天线周围的场强E与接收电压U之间的关系［8］：

式中：A表示天线系数。

场强E与功率通量密度S之间关系：

式中：Z0表示空间波阻抗，其数值为120 π，约为377 Ω。

将公式（6）以分贝的形式表示：

由公式（7）可得，以mW/m2为单位的功率密度表示为：

由频谱仪获得的系统接收功率（直接测量量）经上述公式变换，最终可以获得所需的峰值功率密度和平均功率密度。

2　环境辐射分析

2.1环境控制限值

2014年9月国家环境保护部和国家质量监督检验检疫总局发布了GB8702-2014“电磁环境控制限值”，代替GB8702-88“电磁辐射防护规定”和GB9175-88“环境电磁波卫生标准”。虽然旧标准中“适用于一切人群经常居住和活动场所的环境电磁辐射”［9-10］改为“公众曝露”［11］，但是一般认为该限值规定的是居民区、学校、企事业单位等区域的电磁辐射限值。X波段导航雷达工作频率9 410 MHz，新标准中该频段的控制限值计算方法如表3所示，经计算得出其限值为1.25 W/m2，由新标准中的定义可知，该限值是任意6 min内的方均根值。此外，对于脉冲电磁波，其功率密度的瞬时峰值不应超过表3中所列限制的1 000倍。对于X波段雷达，其峰值功率密度限制为1 250 W/m2。

表3　电磁环境控制限值计算方法

2.2现场测量

2.2.1南澳海洋站测量结果南澳海洋站X波段雷达架设在海洋站的楼顶，气象观测场紧邻雷达，雷达天线高度与人体高度相仿，雷达安装位置和其中一个测量点位置如图1（a）。由于测试设备与雷达距离较近，为防止突发强信号对设备造成损坏，关闭了前置放大器功能，此时频谱仪的噪底为-70 dBm，将频谱仪的检波方式设置为RMS（方均根值）。经测试，确定将中心频率设置为9 410 MHz，经过20 min的测量后频谱仪的频谱及读数已基本没有变化，由图1（b）可知其平均功率为-37.4 dBm，结合表2和公式可知，其平均功率密度和峰值功率密度分别为6.166×10-4W/m2和2.88 W/m2。

图1　南澳海洋站测试现场及结果

2.2.2遮浪海洋站测量结果该站测波雷达安装位置距地面不小于10 m，现场的一个测量点在距离雷达位置约36 m，测量天线高度与正常人身高一致，约1.7～1.8 m。由于测试设备与雷达距离比较远，为保证测量信号不会淹没在噪声中，打开了前置放大器功能，此时频谱仪的噪底为-95 dBm，频谱仪的检波方式仍设置为RMS方式。经测试，确定将中心频率设置为9 380 MHz，经过20 min的测量后频谱仪的频谱及读数已基本没有变化，由图2（b）可知其平均功率为-46.37 dBm，结合表3和公式可知其平均功率密度和峰值功率密度分别为7.762 5×10-5W/m2和0.363 W/m2。

图2　遮浪海洋站测试现场及结果

2.3长期照射安全性分析

从以上两个海洋站实际测量的结果看，在测量点处X波段测波雷达信号的平均功率密度和峰值功率密度均远低于国家标准。这可能与大部分人的认识有所不同，造成这一现象有以下两个原因：

（1）X波段测波雷达可以设置扫描范围。南澳站测波雷达设置了朝向海面的一侧发射信号，在雷达朝向观测场一侧时雷达发射机是不工作的；在海面一侧由于无遮挡，因此也没有近距离强反射信号，所以造成测试点雷达信号很弱，几乎测不到，测得的通道功率值大部分来自于带内噪声功率。

（2）X波段测波雷达具有很好的方向性。X波段雷达天线的垂直波束宽度只有20°。遮浪海洋站的X波段雷达安装在支架上，距离地面不低于10 m，测试时所用的对数周期天线虽然架设高度与人体高度一致，但仍不在雷达主波束辐射范围以内，虽然频谱仪可监测到雷达信号，但其辐射功率很低。人员在雷达所在地点周边活动不会受到雷达辐射危害。

3　短时强辐射分析

3.1短时照射辐射限值

从强电磁辐射设备旁经过或者短时间滞留，会受到短时间强辐射，超过一定限值时会直接造成伤害。对于短时间辐射情况，国际上最具权威性的标准应该是非电离辐射防护委员会（ICNIRP）颁布的“时变电场和磁场暴露限值的有关导则”［12］。该导则通过科学实验给出了职业照射最高限值为50 W/m2，公众照射最高限值为10 W/m2。特别需要注意，导则中指出在功率密度达到50 W/m2时，对人的眼睛和生殖系统造成直接伤害，到100 W/m2时会损伤人体皮肤。

3.2导航雷达限值距离

一般导航雷达厂家会在说明书中提示X波段雷达三个关键功率密度限值所对应的距离，如表4所示，但多数都没有给出功率密度的意义。“时变电场和磁场暴露限值的有关导则”对这三个距离作出了解释。

表4　X波段雷达在不同距离上的功率密度

3.3短时照射的安全防护

南澳和遮浪两个海洋站的测波雷达由于辐射方向和安装高度设置等原因，对于普通民众不会发生近距离受到雷达照射的情况。但是海洋站员工因工作关系，如设备检修调试等，受到雷达近距离辐射的可能性较大，应注意短时雷达照射的防护：首先在雷达工作时应避免近距离直视雷达，以防止眼睛受到伤害，同时应避免进入1 m以内区域。此外，海洋站员工应加强电磁辐射有关安全知识的培训，提高安全意识。

4　总结

通过对X波段雷达电磁辐射测量原理的分析，提出了使用频谱仪和对数周期天线组成测量系统的测试方案。参照国家标准对国家海洋局南澳、遮浪海洋环境监测站的X波段测波雷达电磁辐射功率密度进行了测量和分析，结果表明两处站点的X波段测波雷达对环境危害很小，对公众安全性很好。同时引用“时变电场和磁场暴露限值的有关导则”对测波雷达防护距离进行了说明，提出对海洋站员工应加强电磁辐射有关安全知识的培训，提高安全意识的建议。

［1］齐占辉，宋占杰，张锁平，等.X波段雷达在海面动力环境监测中的应用研究［J］.海洋技术，2009，28（1）:24-28.

［2］谢鸣，孟东林，黄攀，等.1～18 GHz功率通量密度标准的研究［J］.计量学报，2009，30（4）:354-357.

［3］FieldFoxN9918AUser’s Guide，Keysight Technologies［R］.2005:1-200.

［4］苏东林，戴飞，谢树果，等.天线系数的测试误差与NSA测试的改进［J］.北京航空航天大学学报，2007，33（11）:1291-1294.

［5］丁鹭飞，耿富录，陈建春.雷达原理［M］.北京:电子工业出版社，2009：30-37.

［6］环境保护部.HJ/T10.2-1996.辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法［S］.北京：中国环境科学出版社，1996.

［7］韩立松.采用频谱仪进行电磁辐射测量［J］.中国无线电，2007（7）:51-52.

［8］白同云，吴畏，陈志雨.天线系数的校准和使用［J］.电波科学学报，2000，15（4）:526-529.

［9］环境保护部.GB9175-88.环境电磁波卫生标准［S］.北京：中国环境科学出版社，1988.

［10］环境保护部.GB8702-88.电磁辐射防护规定［S］.北京：中国环境科学出版社，1988.

［11］环境保护部.GB8702-2014.电磁环境控制限值［S］.北京：中国环境科学出版社，2014.

［12］ICNIRP.Guidelines for Limiting Exposure to Time-varying Electric，Magnetic and Electromagnetic Fields（up to 300GHz）［J］.Health Physics，1998，74（4）:494-522.

Study on the Measuring Method and Case Analysis for Electromagnetic Radiation of the X-Band Wave Observation Radar

WANG Xin-peng1，WU Wen-cheng2，LI Ji-gang2，JIANG Min1，ZHANG Dong-liang1
1.National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China；
2.Shanwei Marine Environmental Monitoring Center Station，Shanwei 516600，Guangdong Province，China

The X-band wave observation radar has an important value of application in the field of ocean observation，but the impact caused by its electromagnetic radiation also deserves great attention.By analyzing the working characteristics of the X-band radar，this paper puts forward an electromagnetic radiation testing scheme using a measurement system formed by a spectrum analyzer and a log-periodic antenna.Referring to the national standards，measurement and analysis have been carried out for the electromagnetic radiation power densities of the X-band wave observation radars respectively belonging to the Nan'ao and Zhelang marine environmental monitoring stations affiliated to the State Oceanic Administration.The results show that the X-band wave observation radar has relatively small adverse effects on the environment and is safe to the public.The meaning of short-term exposure limit is also explained，and it is recommended that safety education be strengthened for the staff.

X-band wave observation radar；electromagnetic radiation measurement；power density；spectrum analyzer

P71；O441.5

A

1003-2029（2016）02-0034-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.006

2015-09-21

海洋灾害监测预报与预警-保障（K5150FZ06）；国家自然科学基金资助项目（41206031）

王心鹏（1983-），男，工学硕士，助理工程师，主要从事无线通信测量，嵌入式系统与电路设计方向的研究。E-mail:wxp8351@163.com