佛山X波段天气雷达辐射对环境影响的定量分析

2016-12-06郑启康何敏玲李与广

广东气象 2016年5期

关键词：功率密度电磁辐射佛山

郑启康，何敏玲，李与广

（佛山市气象局，广东佛山 528300）

佛山X波段天气雷达辐射对环境影响的定量分析

郑启康，何敏玲，李与广

（佛山市气象局，广东佛山 528300）

根据佛山X波段双偏振多普勒天气雷达的性能技术指标，结合雷达工作时的具体扫描方式，定量分析X波段天气雷达的电磁辐射特性，计算其功率密度的空间分布情况，并依照国家标准《电磁环境控制限值》（GB 8702-2014）中电磁辐射功率密度的公众暴露控制限值，计算雷达在不同工作模式时电磁辐射安全的防护距离，估算出其最大防护距离约为348 m。由于雷达在实际工作中，天线都不停地运动扫描，再加上楼房的阻挡，最大防护距离会进一步缩小，佛山南海观测基地雷达站的实地电磁环境检测也表明该地的电磁辐射水平低于公众暴露控制限值。

探空仪器；X波段天气雷达；电磁辐射；防护距离；佛山

佛山地处亚热带季风气候区，由于受西南季风、热带气旋等因素影响，以及特殊的地理位置，使得佛山天气气候复杂多变，台风、暴雨、雷雨大风、龙卷风等灾害性天气多发频发。为了提高对强对流天气的监测能力，佛山将建设由多部X波段双偏振多普勒天气雷达组成的监测网，目前南海区的X波段天气雷达已投入使用。由于雷达工作时发射电磁辐射，会对人体产生一定影响，所以对X波段天气雷达的电磁辐射特性进行分析尤为必要。目前国内各地安装的固定式天气雷达大部分为S波段雷达，学者也主要集中研究S波段雷达的电磁辐射特性［1-8］，而对X波段雷达的分析很少。本研究根据佛山X波段天气雷达的主要性能参数［9］，按照国家标准《电磁环境控制限值》（GB 8702-2014）的要求［10］，定量计算雷达工作时功率密度的空间分布，估算安全防护距离。

1 影响雷达电磁辐射的主要因素

天气雷达的电磁辐射强度分布与多种因素有关，首先是天气雷达本身的技术指标，例如发射机的技术指标、雷达天线的技术指标，其他的因素有雷达探测方法和显示方式、测点到雷达的距离等等。发射机的技术指标主要有工作频率（9 300～9 700 MHz）、峰值功率（75 kW）、脉冲重复频率（644 Hz（1 956 Hz））、脉冲宽度（1 μs（0.5 μs））、平均功率（48 W（1 μs，644 Hz）、73 W（0.5 μs，1 956 Hz））；天线的技术指标主要有天线直径（2.4 m）、天线增益（≥44 dB）、波束宽度（≤1°）；雷达探测方法和显示方式主要有3种：平面位置显示（PPI）、距离高度显示（RHI）和体积扫描（VOL），其中VOL为佛山X波段天气雷达日常运转模式。PPI扫描时雷达以固定仰角，天线以360°全方位扫描，佛山X波段天气雷达作PPI扫描时，扫描速度约为20（°）/s。RHI扫描是指雷达天线通过固定方位作俯仰扫描探测，扫描角度约为30°。VOL是由雷达在一系列仰角上进行360°全方位扫描组成，佛山X波段天气雷达运行一次体积扫描的时间约为3 min。

2 佛山X波段天气雷达辐射的限值

《电磁环境控制限值》（GB 8702-2014）是由《电磁辐射防护规定》（GB 8702-88）和《环境电磁波卫生标准》（GB 9175-88）两部标准的整合修订。在标准中规定，100 kHz以上的频率在远场可以只限制等效平面波功率密度。对于0.1 MHz～300 GHz频率，场量参数是任意连续6 min内的均值。根据标准中的计算方法，可以计算出佛山X波段天气雷达的等效平面波功率密度的公众暴露限制值为1.24 W·m2。另外，《电磁环境控制限值》（GB 8702-2014）对脉冲电磁波功率密度的瞬时峰值也有严格要求，功率密度的瞬时峰值不得超过值的1 000倍，因此可得佛山X波段天气雷达辐射的瞬时峰值限制限值为1 240 W·m2。

3 佛山X波段天气雷达辐射的功率密度分布

佛山X波段天气雷达天线的反射体采用圆抛物面型，根据抛物面反射的特性，天线反射体焦点上馈源辐射的球面波，经过天线发射后成为平面波，聚集成一束狭窄的电磁波向空间发射出去。

3.1 平行波束的功率密度

在靠近天气雷达的区域，可假设雷达辐射的电磁波波束为一道平行波束，波束的截面是个圆形，圆形的直径可近似等于雷达天线的直径，雷达辐射的功率密度（ρ）为这个圆形单位面积上的能量（W/m2），其计算公式为：

3.2 锥形波束的功率密度

在远离天气雷达的区域，经天线反射面辐射出的电磁波在空间相互干涉，形成了锥形波束。锥形波束形成的距离可用D2/λ来估算。D为天线的直径，λ为电磁波的波长（m）。按照佛山X波段天气雷达的参数来估算，可得到其锥形波束形成距离为178.5 m。若雷达天线是各向同性地辐射，那么在距离为r处的辐射功率密度为P／（4πr2），考虑定向天线的增益为G，则距离为r处的辐射功率密度（ρ）为

其中¯P为雷达平均功率（W）。雷达辐射的锥形波束是一个圆锥形，垂直于中心轴线的截面是个圆。从式（2）中可以看到，随着距离的增大，功率密度迅速减小。按照佛山X波段天气雷达的参数计算，可得ρ为0.146×106/r2W·m-2。

3.3 过渡区域的功率密度

雷达辐射在平行波束与锥形波束之间，存在一个过渡区域，雷达辐射从天线辐射出来后，先近似以平行波束传播，在过渡区间逐渐转换为锥形波束，最后以锥形波束继续传播。假设式（1）等于式（2）时是过渡区域的起始位置，按照佛山X波段天气雷达的参数计算可得距离为95.2 m。另外3.2节已计算出佛山X波段天气雷达的锥形波束形成距离为178.5 m，这也就是过渡区域的终点位置。过渡区间的辐射功率密度难于估算，但可认为比平行波束的估算值小，比锥形波束的估算值大。

综上所述，按照佛山X波段天气雷达的参数计算，当距离雷达＜95.2 m时，其辐射功率密度为固定值16.1 W·m2；当距离雷达＞178.5 m时，其辐射功率密度为0.146×106/r2W·m-2；当距离在95.2～178.5 m时，其功率密度介于0.146×106/r2和16.1 W·m-2之间。

4 雷达工作时电磁辐射影响分析

电磁辐射的公众暴露限值以6 min平均功率密度值计算，虽然3.3节已估算出佛山X波段天气雷达的辐射功率密度分布，但由于雷达在实际工作中天线是在不断地运动，并不会持续不断地照射同一点，因此还需要结合雷达实际运转时的扫描运行方式，来估算6 min平均的辐射功率密度。在这里引入占空比的概念，来表示测点受辐射照射的时间与雷达扫描周期的比值，雷达辐射功率密度6 min均值等于雷达功率密度乘以占空比。

4.1 锥形波束时的占空比

雷达进行PPI扫描时，占空比近似可用电磁波波束宽度与天线扫描方位角范围之比来表示。雷达在进行RHI扫描时，占空比仍可参照PPI扫描时的计算方法来计算。雷达进行体积扫描（VOL）时，占空比用天线扫过一个波束宽度的时间与运行VOL扫描的周期时间的比值来表示。

4.2 平行波束时的占空比

平行波束的占空比为平行波束在测点的驻留时间与扫描周期的比值，计算方法用平行波束的宽度除以天线扫描区的周长（表1）。

表1 佛山X波段天气雷达在不同工作模式下的占空比

根据占空比的估算情况，对雷达射线方向的辐射功率密度进行修订计算，可以得到佛山X波段天气雷达工作时的辐射功率密度6 min的均值情况（表2）。

表2 佛山X波段天气雷达辐射功率密度6 min均值估算

5 佛山X波段天气雷达辐射防护的距离

依照佛山X波段天气雷达辐射功率密度6 min均值的估算，当雷达作PPI扫描时，其电磁辐射需进行防护的距离为5 m；当雷达进行RHI扫描时，其电磁辐射需进行防护的距离为60 m；当雷达进行VOL扫描时，由于其占空比的值更小，其要防护的距离比单纯的PPI扫描时的值要小得多。

以上几项计算结果是雷达连续工作时的情况，特殊情况下雷达天线指向固定一个方向不动时，这时占空比为1，可用0.146×106×r-2直接计算，得到雷达电磁辐射需进行防护的距离为343 m。

对于佛山X波段天气雷达瞬时功率密度限值的防护距离，可根据公式ρ=¯PG／4πr2进行计算，式中P为雷达峰值功率，G为天线增益倍数。可得到其电磁辐射需进行防护的距离为348 m。

环境辐射监测部门也对佛山市南海区气象监测基地的气象雷达及其周边环境进行电磁辐射水平检测，距离雷达约100 m的气象观测场中检测到的辐射功率密度为0.24 W·m2，低于标准中的公众暴露控制限值，其余测点（包括机房发射机柜前）的电磁辐射水平也低于公众暴露控制限值。

由于雷达的电磁辐射会对环境产生影响，所以在雷达站的选址时需充分考虑雷达辐射的影响。本研究根据佛山X波段天气雷达的参数，分析了工作时射线方向的电磁辐射分布和影响，并按照电磁辐射防护的要求，估算出最大防护距离为348 m。由于雷达在实际工作中，天线不停地运动扫描，再加上楼房本身的阻挡，公众受电磁辐射构成威胁的距离范围会进一步缩小，南海观测基地雷达站的实地电磁环境检测也表明该地的电磁辐射水平低于公众暴露控制限值。估算出来的X波段天气雷达电磁辐射的防护距离，也为佛山余下几部X波段天线雷达建设提供参考。

［1］葛润生，朱小燕.新一代天气雷达电磁辐射防护［J］.气象科技，2002，30（4）：233-236.

［2］张凯，梁碧玲，李新硕.深圳新一代天气雷达电磁辐射对环境的影响［J］.广东气象，2008，30（5）：58-59.

［3］王峰，程小泉，许农.新一代多普勒天气雷达电磁辐射污染分析［J］.气象，2007，33（9）：107-111.

［4］朱姝，罗延斌.柳州新一代天气雷达电磁辐射影响的分析［J］.环境与可持续发展，2006（4）：5-7.

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［6］孙崇智.南宁新一代天气雷达（CINRAD-SA）电磁辐射计算分析［J］.广西气象，2004，25（1）：57-58.

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［8］周娜，林立峻.云南新一代多普勒天气雷达电磁辐射水平调查及分析［J］.中国辐射卫生，2013，22（3）：342-343.

［9］北京敏视达雷达有限公司.X波段全相参多普勒天气雷达技术说明书［Z］.2013.

［10］环境保护部与国家质量监督检验检疫总局.电磁环境控制限值（GB 8702-2014）［S］.北京：中国环境科学出版社，2014.

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10.3969/j.issn.1007-6190.2016.05.016