云南C波段新一代天氣雷達(dá)電磁輻射影響研究

連曉雯，袁 信，楊衛(wèi)潔

（1云南省生態(tài)環(huán)境工程評(píng)估中心 云南 昆明 650228）

（2云南省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心 云南 昆明 650034）

1 引言

云南省新一代天氣雷達(dá)是氣象安全和氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控的保障工程。天氣雷達(dá)通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)向空中發(fā)射一定頻率的電磁波，然后由雷達(dá)的接收天線(xiàn)接收被氣象目標(biāo)反射回來(lái)的回波脈沖后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天氣現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。本文根據(jù)國(guó)家推薦的輻射場(chǎng)功率密度計(jì)算模型和環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中應(yīng)用的功率密度預(yù)測(cè)模型，以云南某C波段新一代天氣雷達(dá)為例，考慮雷達(dá)天線(xiàn)的方向性函數(shù)及電磁波傳輸過(guò)程中的損耗，對(duì)天氣雷達(dá)站周?chē)姶怒h(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出天氣雷達(dá)站周?chē)ㄖ锏南薷撸_保公眾輻射環(huán)境安全。

2 天氣雷達(dá)的系統(tǒng)組成

雷達(dá)系統(tǒng)包括天饋系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。天饋系統(tǒng)將發(fā)射機(jī)輸出微波能量定向輻射出去，并可以接收目標(biāo)的反射信號(hào)（回波信號(hào)）；發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生大功率射頻脈沖信號(hào)；接收系統(tǒng)將天線(xiàn)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行放大、變頻和檢波等處理；信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)輸出信號(hào)進(jìn)行處理和運(yùn)算；監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)其他各分系統(tǒng)進(jìn)行控制和狀態(tài)檢測(cè)；伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)進(jìn)行各種方式的掃描；終端系統(tǒng)是對(duì)信號(hào)處理器送出的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理并在顯示器上進(jìn)行顯示。

圖1 氣象雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 天氣雷達(dá)運(yùn)行模式

雷達(dá)電磁輻射的影響區(qū)域主要是雷達(dá)天線(xiàn)的掃描區(qū)間。根據(jù)中國(guó)氣象局《新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)功能規(guī)格需求書(shū)》[1]規(guī)定，新一代天氣雷達(dá)天線(xiàn)掃描的運(yùn)行方式有3種：水平掃描（PPI）、垂直剖面掃描（RHI）、體積掃描（VOL）。參數(shù)見(jiàn)表1、表2。PPI掃描模式下，天線(xiàn)仰角固定，水平方向方位角做0°～360°的環(huán)掃。RHI掃描模式下，天線(xiàn)方位角固定，垂直方向-2°～30°往返掃描。VOL掃描模式下，由一組不同仰角的PPI掃描組成，掃描的仰角層設(shè)定最大為30個(gè)，雷達(dá)一個(gè)周期的掃描時(shí)間約為6 min。PPI和VOL掃描方式的影響區(qū)域是以雷達(dá)為中心一定距離的圓周區(qū)域，RHI掃描方式影響區(qū)域是雷達(dá)在垂直方向上固定仰角掃描范圍的區(qū)域內(nèi)[2]。云南某新一代氣象雷達(dá)主要采用VOL掃描，觀(guān)測(cè)模式為VCP21，掃描的仰角范圍為0.5°～19.5°，0.5°仰角時(shí)該新一代氣象雷達(dá)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生的電磁輻射環(huán)境影響最大。

表1 新一代天氣雷達(dá)C波段發(fā)射參數(shù)

表2 新一代天氣雷達(dá)C波段天線(xiàn)參數(shù)

4 電磁輻射影響

4.1 電磁環(huán)境評(píng)價(jià)范圍

功率＞200 kW的發(fā)射設(shè)備，其評(píng)價(jià)范圍是以發(fā)射天線(xiàn)為中心、半徑為1 km范圍，如輻射場(chǎng)強(qiáng)最大處的地點(diǎn)超過(guò)1 km，則應(yīng)在選定方向評(píng)價(jià)到最大場(chǎng)強(qiáng)處和低于標(biāo)準(zhǔn)限值處[3]。新一代天氣雷達(dá)工作頻率為5 300～5 700 MHz，發(fā)射機(jī)峰值功率250 kW。擬建站址位于海拔1 395 m的山頂，站址1 km范圍內(nèi)無(wú)高于該海拔的區(qū)域，輻射場(chǎng)強(qiáng)最大處的地點(diǎn)為1 km范圍內(nèi)最高點(diǎn)，未超過(guò)1 km，因此其評(píng)價(jià)范圍為以發(fā)射天線(xiàn)為中心、半徑為1 km的范圍。

4.2 電磁環(huán)境評(píng)價(jià)因子及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行國(guó)家規(guī)定，《電磁環(huán)境控制限值（GB8702-2014）》[4]規(guī)定了100 kHz以下頻率，需同時(shí)限制電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度；100 kHz以上頻率，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，可以只限制電場(chǎng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度，或等效平面波功率密度；在近場(chǎng)區(qū)，需同時(shí)限制電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。新一代天氣雷達(dá)工作頻率為5 300 MHz～5 700 MHz，因此在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，評(píng)價(jià)因子可只考慮等效平面波功率密度；在近場(chǎng)區(qū)，需同時(shí)考慮電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。

新一代天氣雷達(dá)屬于C波段，環(huán)境中電場(chǎng)、磁場(chǎng)應(yīng)滿(mǎn)足表3的要求。

表3 公眾曝露控制限值

4.3 電磁輻射影響及建筑物限高

氣象雷達(dá)的電磁環(huán)境影響主要考慮雷達(dá)掃描過(guò)程中發(fā)射的電磁波對(duì)周?chē)姷挠绊?。天氣雷達(dá)天線(xiàn)采用圓拋物面型，從雷達(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)相位干涉逐漸變成錐形波束。根據(jù)天線(xiàn)波束形成理論，將雷達(dá)天線(xiàn)電磁場(chǎng)的輻射區(qū)域分為近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。近遠(yuǎn)場(chǎng)分界距離R見(jiàn)公式（1）。

式中，R為近、遠(yuǎn)場(chǎng)分界距離（m），D為天線(xiàn)的直徑（m），為發(fā)射電磁波的波長(zhǎng)（m）。西雙版納新一代氣象雷達(dá)天線(xiàn)直徑4.5 m，發(fā)射波長(zhǎng)0.0526 m，近、遠(yuǎn)場(chǎng)分界距離為770 m。根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，以發(fā)射天線(xiàn)為中心770 m范圍內(nèi)為近場(chǎng)區(qū)。

在天氣雷達(dá)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，近場(chǎng)區(qū)電磁環(huán)境達(dá)標(biāo)區(qū)域主要通過(guò)類(lèi)比方法確定。通過(guò)已建成運(yùn)行的氣象雷達(dá)周?chē)姶怒h(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果，經(jīng)類(lèi)比分析，低于雷達(dá)架設(shè)高度11.3 m的區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度公眾曝露控制限值均低于7.16 V/m。本天氣雷達(dá)架設(shè)高度45 m，即低于33.7 m的近場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度公眾曝露控制限值均低于7.16 V/m。

氣象雷達(dá)站遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)電磁環(huán)境影響預(yù)測(cè)通過(guò)計(jì)算功率密度Pd進(jìn)行評(píng)價(jià)。Pd的計(jì)算見(jiàn)公式（2）。

式中，dP為遠(yuǎn)場(chǎng)軸向功率密度（W/m2），P為雷達(dá)發(fā)射機(jī)平均功率（W），G為天線(xiàn)增益（倍數(shù)），r為測(cè)量位置與天線(xiàn)軸向距離（m）。

本文對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)電磁環(huán)境達(dá)標(biāo)區(qū)域的劃定通過(guò)結(jié)合雷達(dá)天線(xiàn)的方向性圖，考慮雷達(dá)天線(xiàn)的方向性函數(shù)及電磁波傳輸過(guò)程中的損耗，用平均功率和峰值功率計(jì)算出水平達(dá)標(biāo)距離。本天氣雷達(dá)以VOL掃描為主，峰值功率為250 kW，最大平均功率為500 W，電磁波傳輸過(guò)程中的饋線(xiàn)發(fā)射總損耗為3.3 dB，天線(xiàn)增益為44 dBi。根據(jù)公式（2）、公式（3），遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)氣象雷達(dá)主瓣方向功率密度6 min內(nèi)的方均根值空間分布情況見(jiàn)圖2，功率密度瞬時(shí)峰值空間分布情況見(jiàn)圖3。

圖2 VOL掃描模式下功率密度6min內(nèi)的方均根值

圖3 VOL掃描模式下功率密度瞬時(shí)峰值

遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)功率密度6 min內(nèi)的方均根值均小于0.141 W/m2，功率密度瞬時(shí)峰值在主射方向1 286 m外均小于141 W/m2。因此，距雷達(dá)天線(xiàn)1 286 m外的所有區(qū)域均可以滿(mǎn)足公眾曝露限值。距雷達(dá)天線(xiàn)1 286 m以?xún)?nèi)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，考慮天線(xiàn)方向性函數(shù)確定的建筑物高度限值見(jiàn)表4。

表4 建筑物限高 單位：m

建筑物高度滿(mǎn)足表4所列限值時(shí)，天氣雷達(dá)運(yùn)行產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)建筑物內(nèi)公眾影響均滿(mǎn)足公眾曝露控制限值要求，通過(guò)限高可以劃定科學(xué)合理的防護(hù)區(qū)域。

5 結(jié)論

雷達(dá)天線(xiàn)在VOL掃描模式下，近場(chǎng)區(qū)通過(guò)類(lèi)比分析，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)通過(guò)理論計(jì)算得出低于雷達(dá)架設(shè)高度一定距離的區(qū)域其電磁輻射影響較小。在本案例天氣雷達(dá)周邊新建建筑物時(shí)，滿(mǎn)足表4的限高要求下，公眾受到的電磁輻射滿(mǎn)足《電磁環(huán)境控制限值（GB8702-2014）》對(duì)公眾曝露控制限值的要求，影響較小。