天气雷达站电磁环境影响监测研究

关键词：天气雷达站；电磁辐射；发射天线；功率密度模型

中图分类号：X837 文献标志码：B

前言

电磁辐射污染是指由电磁波传播产生的电磁辐射，对环境和人体健康造成的负面影响。近代天气雷达正常运转时，不停向周围环境发射电磁波并接收回波，使雷达站附近形成高频的电磁场。高频电磁场可能会产生电池辐射，当环境中电磁场强度超过一定限值时，就会对人体产生潜在的危害，如引起电磁敏感症状、影响生殖健康、增加癌症风险等。此外，电磁辐射也可能对其他设备的正常运行产生干扰，如无线通信、雷达等系统。宋欣蔚等人对北京市中心商区射频电磁环境进行测试与分析，通过空间插值方法对测试数据进行处理，从而得到测试区域的射频电磁环境空间分布地图；Zeng Y等人对天气雷达的研究主要是天气探测及服务方面，基于雷达观测空间中截断误差样本的方法，近似由未解析尺度和过程引起的表示误差；然而，上述方法对天气雷达造成的电磁辐射影响分析相对较少。为此，研究创新性引入发射天线的方向函数，设计一种新的雷达功率密度模型。通过考虑电磁波的传播损耗与影响因素，可以更真实地反映雷达辐射对周围环境的影响。有助于确保天气雷达站的正常运行，并减少对周围环境的不必要的电磁辐射，防止电磁辐射污染对其产生不利影响。

1天气雷达站电磁环境影响监测方法

1.1电磁辐射的危害性影响与评价标准

在设计电磁辐射监测模型前，首先对电磁辐射对环境的危害进行了解，再对环境电磁辐射的评价标准进行分析。电磁波的传播形式，见图1。

如图1所示，电磁辐射是由同向振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递动量和能量，传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波沿着某一个平面像水波纹一样向四周传播。电磁辐射主要对环境产生三种影响。第一类，对人体的健康造成严重的危害，可能会产生热效应危害与非热效应危害，长期受到外界电磁波的干扰，可能会破坏正常的循环机能。第二类，电磁辐射是指电磁波形成的电磁干扰，这种干扰会对周围的电场造成影响，从而干扰各类电子仪器。这种电磁辐射对电子仪器的影响可能会导致电子仪器性能异常，甚至出现瘫痪等情况。这种电磁辐射对周围环境中电子设备的正常运行产生严重影响，对人们的生产、生活造成极大的不便和损失。第三类电磁辐射可能会对武器弹药和易燃易爆物品产生影响，导致引燃引爆等危险情况。这种辐射可能会对周围环境造成极大的破坏，甚至危及到附近居民的生命安全，引发恐慌情绪。为了减少电磁辐射产生的危害，需要采取严格的法规与措施监测环境中的电磁辐射，依据《电磁辐射防护规定》中的规定，在一天内，选取任意6 min对环境中的电磁辐射参数进行监测，其平均值需要满足导出照射限值。在频率为30～3000阶段，限值要求最为严格，功率密度为0.4W／m²，磁场强度为0.032 A/m，电场强度为12 V/m。

1.2环境中电磁辐射监测模型的构建

基于国家推荐的电磁辐射率密度理论计算模型，考虑雷达站真实工作状态，并开展预处理。引入发射天线中的参数，设计更加准确的功率密度计算模型，监测电磁辐射。近场区的功率密度计算如式（1）所示。

式（9）中，y表示地面距天线下缘的距离；S_l表示公众照射限值；P₁表示天线馈源辐射功率。构建雷达功率密度模型，对电磁波进行分析。S波段、C波段和X波段是无线电频谱中的三个频段，它们分别对应着不同的电磁波。S波段是超高频（UHF）无线电频谱中的一个频段，频率范围约为2～4GHz。C波段是频率范围为4～8GHz的无线电频段，也属于超高频（UHF）范围。C波段的电磁波在大气中的传播相对稳定。X波段是频率范围为8～12GHz的无线电频段，属于高频（HF）范围。X波段的电磁波具有较高的穿透能力。这些波段在不同的应用领域中具有各自的特点和用途。设计天气雷达站电磁环境影响监测方案，需要依据显示场地进行合理布点。

布点的主要依据如下：首先，依据群众反映建议布点在敏感点，比如医院、养老院、学校等大量人员聚集的地方。其次，在天气雷达站周围容易收到信号的地方进行布置，例如卫星地球站、广播电视发射台等。再次，选择在宽阔无遮挡的环境进行布点，避免建筑物、电线、树木等的影响。依据布点提出监测方案，在雷达发射功率的基础上，锁定测量的区域，以雷达站为中心点，在四周设置8个方向的检测线，每个范围相隔45°。依据每一个方位路线的现场情形，在路线上选取不定距离的顶点测量，测量高度规定为1.6m，每一个测量点单次测量状态会保持12 s及以上，测量6次，整体间隔测量时间为th。记录整个测量过程中的最大值。然后测量辐射最大值的功率密度并记录数据信息。最后，为了对架设发射天线进行监测，严格设置监测点在人员可活动的区域中，且探头离地面的距离保持在1.7米左右。同时，对操作室与各个工作间进行监测，并将监测到的实时信息进行记录。

2应用测试

2.1测试条件设置

为了验证天气雷达站在电磁环境影响下监测效果，依据HJ/T10.2-1996中的辐射管理导则制定具体布点原则。选用的功率密度监测所用仪器为NBM550电磁强度分析仪，频率响应为0.1～3000 MHz的SRM 3000选频测量仪。依据监测规则，选择在上午8：00-10：30与下午14：00-18：00且无异常天气的情况，进行电磁辐射监测。

2.2环境中电磁辐射监测模型的性能测试

为了验证天气雷达站在电磁环境下的测量精度和系统的稳定性，对其进行不同波段下的实测测试。对S波段、C波段、X波段进行检测，并比较理论计算值与实际测量值。采用平面位置扫描（Plan Posi-tion Indicator，PPI）与距离高度扫描（Range Height Indicator，RHI）模式，天气雷达周围电磁场分布特征的监测数据及计算结果的对比曲线见图2。

如图2所示，无论是计算值还是真实值，显示随着距离的增加功率密度下降的趋势，且研究算法与实测值的拟合程度高于热传感器法与电场强度法。对于S波，真实值与计算值都呈现随距离拉长而降低的趋势，在雷达天线的近场区，PPI扫描模式下计算值是真实值的20倍，而RHI扫描模式下计算值是真实值的32倍。对于C波段，在雷达天线的近场区，在PPI扫描模式下研究结果约是真实值的23倍，在RHI扫描模式下研究结果约是真实值的27倍。对于在X波段，在雷达天线的近场区，PPI扫描模式下的研究结果约为真实值的38倍，而RHI扫描模式下研究结果约为真实值的57倍。对于三类波段，在近场区相对误差均较大，而在远场区，计算值与真实值逐渐趋于接近，计算值和真实值拟合程度高，相对误差较小。实验结果验证研究方法的适用性与优越性，说明研究构建的电磁辐射监测模型能够对环境中的电磁波进行有效检测监控。

2.3环境中电磁辐射监测模型的应用

为了进一步验证研究监测模型的适用性，将其应用在某市10个位点中进行监测，2022年12个月份的电磁辐射结果见表1。

表1中，可以看出此市区内10个点位的平均功率密度都在限值之内，这一年平均值的波动幅度在0.07W/m²到0.32 W／m²之间。一月份到二月份的波动幅度较大，增长了190%。从6月到7月，功率密度大幅度下降，下降了78. 12%。功率密度较大的月份分别是2月、6月、8月、10月，它们的功率密度均超过了30%，靠近限度值，因此对于此地这几个月份产生电磁辐射的原因需要特别关注，并积极地采取措施降低环境中的电磁辐射，将其控制在标准限值之内。继续将此模型用于市区内的电磁影响监测，A、B、C、D这4个市区的电磁辐射监测结果对比情况见图3。

如图3所示，可以看出4个市区的电磁辐射情况均不相同，B市的功率密度最大，且波动幅值较大，10个点位的平均功率密度为3.45 W／m²，已经严重超出标准限定值。因此B市需要重点关注，采取强制措施，尽可能将电磁辐射降低。而A市的功率密度也较大，平均功率密度为0. 37W／m²，接近标准限定值，可以对A市投入持续的关注。而C市与D市的功率密度在一个较低的水平，说明其电磁辐射水平低，没有给周围环境带来不良影响。实验结果验证模型的实用性，对于环境中的电磁辐射的监控有较好的效果。

3结束语

为了更加客观、合理地监测和分析天气雷达站对电磁环境的影响，基于发射天线的方向函数，设计一种新的雷达功率密度模型。结果显示，对于S、C、X三类波段，在近场区相对误差均较大，而在远场区，计算值与真实值逐渐趋于接近，计算值和真实值拟合程度高，相对误差较小。在模型的应用中，某市区内10个点位的平均功率密度都在限值之内，平均值的波动幅度在0.07W／m²到0.32 W／m²之间。在A、B、C、D这4个市区的电磁辐射监测结果对比中，B市的功率密度最大，10个点位的平均功率密度为3.45 W／m²，已经严重超出了标准限定值。而A市的功率密度也较大，平均功率密度为0.37 W／m²，接近标准限定值。需要对A市与B市投入持续的关注，采取措施降低环境中的电磁辐射。