天氣雷達的電磁輻射防認識

天氣雷達是利用云霧、雨、雪等降水粒子對電磁波的散射和吸收，為探測降水的空間分布和鉛直結構，并以此為警戒跟蹤降水系統(tǒng)的雷達。天氣雷達屬于氣象雷達中的一種。常用的波長大多在1~10cm范圍。因10cm以內波長電磁波的衰減小，用于探測臺風、暴雨及冰雹較好，因此新一代的天氣雷達可精確探測雷達站周圍幾百公里范圍內的天氣變化情況。

新一代的天氣雷達

天氣雷達的探測原理

我國多普勒天氣雷達技術開發(fā)起步較晚，上個世紀８０年代末開始進行多普勒天氣雷達的研制和在氣象業(yè)務上的試用，９０年代中期正式將Ｓ波段和Ｃ波段的多普勒天氣雷達作為新一代天氣雷達列入氣象業(yè)務探測系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃，到目前為止，全國各地已建成或計劃中的新一代天氣雷達已達158部以上，這些功能強大的新一代天氣雷達構成了覆蓋我們國家全鏡新一代天氣雷達站網(wǎng)。

全國新一代多普勒天氣雷達分布圖

由于利用的是電磁的散射和吸收原理，且探測的范圍廣，因此天氣雷達是一種大功率的電磁輻射源,其工作時對外產生的電磁輻射功率已超過可豁免的電磁輻射體等效輻射功率的范圍，因此天氣雷達建設方必須在建造之前向所在地區(qū)的門申報、登記,并接收監(jiān)督。且新建的天氣雷達站需事先向門提交“環(huán)境影響報告書(表) ”,并在建成后進行實地電磁輻射場空間分布的測試,必要時以實測為基礎劃出防護區(qū),設立警戒標志。

而一直以來，許多民眾對天氣雷達的電磁輻射污染及防護問題并不了解，因此我們根據(jù)多年的從業(yè)經驗，就新一代天氣雷達的主要性能參數(shù),推導了其電磁輻射場量參數(shù)的分布,并按照國家標準GB8702 - 88“電磁輻射防護規(guī)定”及環(huán)境保護行業(yè)標準HJ/ T 1013 -1996“輻射環(huán)境保護管理導則:電磁輻射環(huán)境影響評價方法和標準”的要求,估算了新一代天氣雷達電磁輻射對環(huán)境的影響和防護要求的范圍。

1.      電磁輻射防護的限值

國家標準GB8702 - 88 “電磁輻射防護規(guī)定”中對電磁輻射防護限值分為兩種:職業(yè)照射和公眾照射。職業(yè)照射的限值為每天8 小時工作期間內,任意連續(xù)6 分鐘按全身平均的比吸收率(SAR) 應小于01W/kg;公眾照射的限值為每天24 小時內,任意連續(xù)6 分鐘按全身平均的比吸收率(SAR) 應小于0.02W W/kg。由上述的限值可以導出電磁輻射場的場量參數(shù)(電場強度、磁場強度、功率密度) ,電磁輻射場量參數(shù)的限值仍用任意連續(xù)6 分鐘內的平均值來界定。

國家標準規(guī)定的電磁輻射防護限值

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

表1：S波段C波段電磁波電磁輻射強度的防護限值

2.      新一代天氣雷達的電磁輻射參數(shù)

雷達的電磁輻射強度主要與雷達的發(fā)射參數(shù)和天線參數(shù)等有關,符合電磁輻射防護要求還與雷達天線掃描方式有關。

2.1   新一代天氣雷達的有關參數(shù)

目前我國正在布站建設的新一代天氣雷達有CINRAD/ SA、CINRAD/ SC、CINRAD/ CC 等幾種型號,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 給出天線參數(shù)。

表2：新一代天氣雷達發(fā)射參數(shù)

表3：新一代天氣雷達天線參數(shù)

新一代天氣雷達天線掃描的運行方式有三種:平面位置掃描( PPI) 、距離高度掃描(RHI) 、體積掃描(VOL) 。PPI 掃描時天線仰角固定,方位角作0~360 度的環(huán)掃,掃描速度通常設定在12度/ 秒左右,即每分鐘兩周。RHI 掃描時,方位角設定在某一位置上,天線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 個甚至可以選為20 個,雷達運行一次體積掃描的時間約為6 分鐘左右,或更長一些,主要由選定的仰角數(shù)來確定。由于電磁輻

射防護限值的要求,按測點連續(xù)6 分鐘的場參數(shù)平均值來確定,可以看出當雷達在某一方位上進行RHI 掃描時測點的電磁輻射場參數(shù)值,而作體積掃描時最小。

天氣雷達天線掃描的運行方式

2.2   天氣雷達射線方向功率密度的估算

對于微波波段,電磁輻射強度的常用功率密度來描述, 功率密度可以由雷達的發(fā)射參數(shù),天線參數(shù)來估算雷達射線方向功率密度隨距離的分布。

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

平面波束狀況時,輻射的功率密度(ρ)可簡單的用平行波束的橫截面積(相當于天線反射面的截面積) 除以雷達的平均發(fā)射功率來計算:

ρ=4 P/πD²

功率密度ρ不隨測點距雷達距離的變化而改變。按新一代天線的參數(shù)來估算,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,其射線方向的輻射功率密度ρ可按下式計算:

ρ=4PG/4πr²

上面公式中r 為測點距雷達的距離,ρ隨距離的增大而迅速的減小。新一代天氣雷達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)。

假設平行波束估算的ρ與錐形波束估算ρ相等的距離r₀,當天線輻射的波束作為平行波考慮時的距離, 即距雷達天線的距離r＜ r₀時, 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的r₀分別為268m、161m。按D²/λ來計算錐形波束的形成距離,可計算出S波段新一代天氣雷達的r₁分別為681m、324m。當測點的距離大于r₁時,其輻射功率密度按錐形波束來估算。r處于r₀和r₁之間時, 則認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在射線方向上輻射功率密度隨天線距離的分布(表4) 。

表4:新一代天氣雷達射線方向輻射功率密度分布

2.3     雷達掃描時功率密度6 分鐘平均值的估算

電磁環(huán)境防護限值以6分鐘平均的功率密度值計算,測點6分鐘平均的輻射功率密度ρ₆與雷達天線掃描運行方式有很大的關系。為方便計算輻射功率密度的6 分鐘平均值,在測點距離大于錐形波束形成距離時,引進類似于計算脈沖功率和平均功率之間轉換關系中的占空比概念。錐形波束時,雷達在某一仰角進行連續(xù)PPI 掃描,掃描周期小于6 分鐘時,掃描面中任一點接收到輻射功率密度的占空比可近似的用天線波束寬度與天線掃描方位角范圍的比值δ來表示,輻射功率密度的6分鐘平均值ρ₆等于雷達射線方向上功率密度乘以占空比。

ρ₆= ρ×δ

雷達在某一方位角上進行連續(xù)的RHI 掃描時,RHI 掃描面中任一點的6分鐘平均輻射功率密度值可參照PPI 掃描時的計算方法來計算,但占空比與PPI掃描時占空比不相同,要大得多。雷達運行體積掃描(VOL) 模式,仍可引用占空比的概念,但計算方法可略作修改,用天線掃過一個波束寬度的時間與運行VOL掃描的周期時間的比值來表示占空比,若掃描周期超過6分鐘,計算中仍用6分鐘來計算。根據(jù)新一代天氣雷達運行時的掃描參數(shù)可以計算出各種方式下的占空比(表5) ,進一步用來估算其ρ₆。

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

平行波束時,估算6分鐘平均的輻射功率密度仍可用占空比的概念,但計算占空比的方法需修改,用平行波束在測點的駐留時間與掃描周期的比值為占空比,波束駐留時間是與測點距天線的距離r/m有關的,與波束的寬度(近似等于天線的直徑) 有關。對新一代天氣雷達來講,平行波束區(qū)的占空比可參見表6

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

綜合上述分析和估算,對表4所列的射線方向輻射功率密度ρ進行修正后,可以得出新一代天氣雷達在三種運行方式下, 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.      新一代天氣雷達輻射防護要求的距離范圍

根據(jù)對新一代天氣雷達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“電磁輻射防護規(guī)定”導出的電磁輻射防護限值的要求,計算出要求防護的范圍。

雷達作PPI掃描方式運行時,S波段電磁輻射需進行防護的距離為:13.5m (職業(yè)照射) 、67.5m(公眾照射) ;C波段電磁輻射需進行防護的距離:3.72m( 職業(yè)照射)、16.4m (公眾照射)。雷達作RHI 掃描式運行時,S 波段電磁輻射需進行防護的距離為:161m(職業(yè)照射) 、490m(公眾照射) ;C 波段電磁輻射需進行防護的距離39.2m (職業(yè)照射) 、196m(公眾照射) 。雷達作VOL 掃描方式運行時其ρ₆比運行PPI、RHI 要小得多,要防護的距離比運行PPI、RHI 時所要求防護距離小得多。

按上面估算,可以得出新一代天氣雷達處于運行狀態(tài)時,對于職業(yè)照射需保護的距離:S波段為161m ,C波段為39.2m。對于公眾照射需保護的距離:S波段為490m ,C 波段為196m。當雷達天線波束指向固定在一個方向時,在射線方向會造成較強的輻射功率密度6分鐘平均值,需要防護的距離則要大得多,S波段新一代天氣雷達的防護距離達842m(職業(yè)照射) 、1880m(公眾照射) , C波段新一代天氣雷達的防護距離達351m (職業(yè)照射) 、786m(公眾照射) (表8) 。

表8:新一代天氣雷達電磁輻射需防護的距離

4.      雷達電磁輻射的防護措施

總體來說，新一代天氣雷達是較大功率的電磁輻射源,在距雷達天線較近范圍內產生的電磁輻射功率密度超過電磁輻射防護限值,需進行防護。從前面的估算可看出需進行防護的距離范圍大致可以劃分成三個區(qū)域,職業(yè)照射防護區(qū)、公眾照射防護區(qū)、避免直接照射區(qū)。新一代天氣雷達天線的架設高度應盡量避免波束直接照射被防護對象,同時加強對雷達系統(tǒng)運行操作的管理,杜絕由于工作處置不當而造成電磁輻射對環(huán)境的影響。

新一代天氣雷達天線的架設高度應超過職業(yè)照射防護區(qū)(S波段為160m ,C波段為39.2m) 內所有建筑物的高度,考慮到雷達天線仰角可達- 2°,天線的高度超過范圍內建筑物5m以上。雷達天線的架設高度也應超過職業(yè)照射防護區(qū)外公眾照射防護區(qū)( S波段為490m、C波段為196m) 內所有居民住宅樓的高度,可以有少量辦公用房超過雷達天線高度。對公眾照射防護區(qū)以遠的高層建筑可不作特別的防護要求,但雷達在調試、試驗中需固定天線指向時,應注意天線波束不應指向高層目標,同時，在天氣雷達正常工作的周期中，也需要有關部門利用專業(yè)的電磁輻射分析儀對其周圍電磁輻射情況進行定期檢測。

雷達專用電磁輻射監(jiān)測儀（德國安諾尼HF-60105選頻式電磁輻射分析儀）

5.      結束語

電磁輻射的防護是環(huán)境保護中的一項工作,新一代天氣雷達的建站過程必須充分注意到雷達的電磁輻射對環(huán)境的影響。本文根據(jù)新一代天氣雷達的參數(shù)和環(huán)境電磁輻射防護要求,估算出雷達電磁輻射的防護距離,供建站時考慮。建站時需根據(jù)周圍建筑物的分布,雷達天線架設的高度等,對環(huán)境電磁輻射影響作出評估。

編輯：廣州科技有限公司

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