天氣雷達(dá)的電磁輻射防認(rèn)識

天氣雷達(dá)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(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。常用的波長大多在1~10cm范圍。因10cm以內(nèi)波長電磁波的衰減小，用于探測臺風(fēng)、暴雨及冰雹較好，因此新一代的天氣雷達(dá)可精確探測雷達(dá)站周圍幾百公里范圍內(nèi)的天氣變化情況。

新一代的天氣雷達(dá)

天氣雷達(dá)的探測原理

我國多普勒天氣雷達(dá)技術(shù)開發(fā)起步較晚，上個世紀(jì)８０年代末開始進(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年代中期中國氣象局正式將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(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)成了覆蓋我們國家全鏡新一代天氣雷達(dá)站網(wǎng)。

全國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,其工作時對外產(chǎn)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(dá)建設(shè)方必須在建造之前向所在地區(qū)的環(huán)境保護(hù)部門申報、登記,并接收監(jiān)督。且新建的天氣雷達(dá)站需事先向環(huán)境保護(hù)部門提交“環(huán)境影響報告書(表) ”,并在建成后進(jìn)行實地電磁輻射場空間分布的測試,必要時以實測為基礎(chǔ)劃出防護(hù)區(qū),設(shè)立警戒標(biāo)志。

而一直以來，許多民眾對天氣雷達(dá)的電磁輻射污染及防護(hù)問題并不了解，因此我們根據(jù)多年的從業(yè)經(jīng)驗，就新一代天氣雷達(dá)的主要性能參數(shù),推導(dǎo)了其電磁輻射場量參數(shù)的分布,并按照國家標(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)境影響評價方法和標(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

國家標(biāo)準(zhǔn)GB8702 - 88 “電磁輻射防護(hù)規(guī)定”中對電磁輻射防護(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)出電磁輻射場的場量參數(shù)(電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)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(nèi)的平均值來界定。

國家標(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 波段電磁輻射場量參數(shù)的限值。對于脈沖電磁波,則要求其瞬間值不應(yīng)超過限值的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)和天線參數(shù)等有關(guān),符合電磁輻射防護(hù)限量要求還與雷達(dá)天線掃描方式有關(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,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(dá)發(fā)射參數(shù)

表3：新一代天氣雷達(dá)天線參數(shù)

新一代天氣雷達(dá)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(shè)定在12度/ 秒左右,即每分鐘兩周。RHI 掃描時,方位角設(shè)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(dá)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(hù)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(dāng)雷達(dá)在某一方位上進(jìn)行RHI 掃描時測點的電磁輻射場參數(shù)值最大,而作體積掃描時最小。

天氣雷達(dá)天線掃描的運行方式

2.2   天氣雷達(dá)射線方向功率密度的估算

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

新一代天氣雷達(dá)天線采用圓拋物面型,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(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(dāng)于天線反射面的截面積) 除以雷達(dá)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(dá)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,其射線方向最大的輻射功率密度ρ可按下式計算:

ρ=4PG/4πr²

上面公式中r 為測點距雷達(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)天線輻射的波束作為平行波考慮時的最大距離, 即距雷達(dá)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(dá)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(dá)的r₁分別為681m、324m。當(dāng)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(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(dá)射線方向輻射功率密度分布

2.3     雷達(dá)掃描時功率密度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算,測點6分鐘平均的輻射功率密度ρ₆與雷達(dá)天線掃描運行方式有很大的關(guān)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(jìn)類似于計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,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,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(dá)射線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,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(dá)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(dá)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(jìn)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(guān)的,與波束的寬度(近似等于天線的直徑) 有關(guān)。對新一代天氣雷達(dá)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(jìn)行修正后,可以得出新一代天氣雷達(dá)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(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,計算出要求防護(hù)的范圍。

雷達(dá)作PPI掃描方式運行時,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 掃描式運行時,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 掃描方式運行時其ρ₆比運行PPI、RHI 要小得多,要防護(hù)的距離比運行PPI、RHI 時所要求防護(hù)距離小得多。

按上面估算,可以得出新一代天氣雷達(dá)處于運行狀態(tài)時,對于職業(yè)照射需保護(hù)的最大距離:S波段為161m ,C波段為39.2m。對于公眾照射需保護(hù)的最大距離:S波段為490m ,C 波段為196m。當(dāng)雷達(dá)天線波束指向固定在一個方向時,在射線方向會造成較強(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)的最大距離

4.      雷達(dá)電磁輻射的防護(hù)措施

總體來說，新一代天氣雷達(dá)是較大功率的電磁輻射源,在距雷達(dá)天線較近范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁輻射功率密度超過電磁輻射防護(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)天線的架設(shè)高度應(yīng)盡量避免波束直接照射被防護(hù)對象,同時加強(qiáng)對雷達(dá)系統(tǒng)運行操作的管理,杜絕由于工作處置不當(dāng)而造成電磁輻射對環(huán)境的影響。

新一代天氣雷達(dá)天線的架設(shè)高度應(yīng)超過職業(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)天線仰角最低可達(dá)- 2°,天線的高度最好超過范圍內(nèi)最高建筑物5m以上。雷達(dá)天線的架設(shè)高度也應(yīng)超過職業(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雷達(dá)天線高度。對公眾照射防護(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、試驗中需固定天線指向時,應(yīng)注意天線波束不應(yīng)指向高層目標(biāo),同時，在天氣雷達(dá)正常工作的周期中，也需要有關(guān)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(jìn)行定期檢測。

雷達(dá)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(jié)束語

電磁輻射的防護(hù)是環(huán)境保護(hù)中的一項工作,新一代天氣雷達(dá)的建站過程必須充分注意到雷達(dá)的電磁輻射對環(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,供建站時考慮。建站時需根據(jù)周圍建筑物的分布,雷達(dá)天線架設(shè)的高度等,對環(huán)境電磁輻射影響作出評估。

編輯：廣州極端科技有限公司

廣州極端科技有限公司-專業(yè)的環(huán)境質(zhì)量檢測專家，為您提供多種PM2.5(大氣細(xì)顆粒物)檢測儀、空氣負(fù)離子檢測儀、礦石負(fù)離子檢測儀、有毒/可燃?xì)怏w檢測儀、甲醛檢測儀、空氣質(zhì)量檢測儀、核輻射檢測儀、放射線污染檢測儀、個人劑量報警儀、電磁輻射檢測儀、遠(yuǎn)紅外放射率檢測儀、水污染檢測儀、土壤污染檢測儀以及相關(guān)檢測服務(wù)等。

德國安諾尼（Aaronia AG）－極具優(yōu)勢的EMF/EMC電磁兼容測試、信號測試系統(tǒng)、電磁輻射檢測專家，專業(yè)生產(chǎn)各類領(lǐng)先的專業(yè)型電磁輻射分析/檢測儀、頻譜分析儀、無線信號測試天線及配套系統(tǒng)。

德國安諾尼（Aaronia AG）中國總代理：廣州極端科技有限公司

地址：廣州市天河區(qū)中山大道中235號逸安閣1座3F

電話、傳真：020-34898196、34709296

更多問題，歡迎您的咨詢！