天气雷达的电磁辐射防认识

天气雷达是利用云雾、雨、雪等降水粒子对电磁波的散射和吸收，为探测降水的空间分布和铅直结构，并以此为警戒跟踪降水系统的雷达。天气雷达属于气象雷达中的一种。常用的波长大多在1~10cm范围。因10cm以内波长电磁波的衰减小，用于探测台风、暴雨及冰雹较好，因此新一代的天气雷达可精确探测雷达站周围几百公里范围内的天气变化情况。

新一代的天气雷达

天气雷达的探测原理

我国多普勒天气雷达技术开发起步较晚，上个世纪８０年代末开始进行多普勒天气雷达的研制和在气象业务上的试用，９０年代中期中国气象局正式将Ｓ波段和Ｃ波段的多普勒天气雷达作为新一代天气雷达列入气象业务探测系统的发展规划，到目前为止，全国各地已建成或计划中的新一代天气雷达已达158部以上，这些功能强大的新一代天气雷达构成了覆盖我们国家全镜新一代天气雷达站网。

全国新一代多普勒天气雷达分布图

由于利用的是电磁的散射和吸收原理，且探测的范围广，因此天气雷达是一种大功率的电磁辐射源,其工作时对外产生的电磁辐射功率已超过可豁免的电磁辐射体等效辐射功率的范围，因此天气雷达建设方必须在建造之前向所在地区的环境保护部门申报、登记,并接收监督。且新建的天气雷达站需事先向环境保护部门提交“环境影响报告书(表) ”,并在建成后进行实地电磁辐射场空间分布的测试,必要时以实测为基础划出防护区,设立警戒标志。

而一直以来，许多民众对天气雷达的电磁辐射污染及防护问题并不了解，因此我们根据多年的从业经验，就新一代天气雷达的主要性能参数,推导了其电磁辐射场量参数的分布,并按照国家标准GB8702 - 88“电磁辐射防护规定”及环境保护行业标准HJ/ T 1013 -1996“辐射环境保护管理导则:电磁辐射环境影响评价方法和标准”的要求,估算了新一代天气雷达电磁辐射对环境的影响和防护要求的范围。

1.      电磁辐射防护的限值

国家标准GB8702 - 88 “电磁辐射防护规定”中对电磁辐射防护限值分为两种:职业照射和公众照射。职业照射的限值为每天8 小时工作期间内,任意连续6 分钟按全身平均的比吸收率(SAR) 应小于01W/kg;公众照射的限值为每天24 小时内,任意连续6 分钟按全身平均的比吸收率(SAR) 应小于0.02W W/kg。由上述的限值可以导出电磁辐射场的场量参数(电场强度、磁场强度、功率密度) ,电磁辐射场量参数的限值仍用任意连续6 分钟内的平均值来界定。

国家标准规定的电磁辐射防护限值

表1 给出S 波段和C 波段电磁辐射场量参数的限值。对于脉冲电磁波,则要求其瞬间值不应超过限值的1000 倍。

表1：S波段C波段电磁波电磁辐射强度的防护限值

2.      新一代天气雷达的电磁辐射参数

雷达的电磁辐射强度主要与雷达的发射参数和天线参数等有关,符合电磁辐射防护限量要求还与雷达天线扫描方式有关。

2.1   新一代天气雷达的有关参数

目前我国正在布站建设的新一代天气雷达有CINRAD/ SA、CINRAD/ SC、CINRAD/ CC 等几种型号,其中SA、SC均为S 波段,性能参数基本相同,CC 为C波段,表2 给出其发射参数,表3 给出天线参数。

表2：新一代天气雷达发射参数

表3：新一代天气雷达天线参数

新一代天气雷达天线扫描的运行方式有三种:平面位置扫描( PPI) 、距离高度扫描(RHI) 、体积扫描(VOL) 。PPI 扫描时天线仰角固定,方位角作0~360 度的环扫,扫描速度通常设定在12度/ 秒左右,即每分钟两周。RHI 扫描时,方位角设定在某一位置上,天线的仰角自下而上扫描,扫描的范围为0～30 度,扫描速度约为2 度/ 秒,即每分钟两次俯仰来回。体积扫描由一组不同仰角的PPI 扫描组成,仰角数可选为9～14 个甚至可以选为20 个,雷达运行一次体积扫描的时间约为6 分钟左右,或更长一些,主要由选定的仰角数来确定。由于电磁辐

射防护限值的要求,按测点连续6 分钟的场参数平均值来确定,可以看出当雷达在某一方位上进行RHI 扫描时测点的电磁辐射场参数值最大,而作体积扫描时最小。

天气雷达天线扫描的运行方式

2.2   天气雷达射线方向功率密度的估算

对于微波波段,电磁辐射强度的常用功率密度来描述, 功率密度可以由雷达的发射参数,天线参数来估算雷达射线方向功率密度随距离的分布。

新一代天气雷达天线采用圆抛物面型,用雷达反射面辐射出的电磁波初为平行波束,传播一段距离后经相位干涉逐渐形成锥形波束。根据天线波束形成理论,天线波束形成的距离可用公式：D²/λ~2D²/λ来估算,公式中， D表示天线的直径,λ表示电磁波的波长。射线方向的功率密度随距离分布可由三个距离区间来描述:平面波束、波束形成后锥形波束、平面波束转换为锥形波束区间。平行波束和锥形波束形成后,可以理论上进行估算功率密度,平面波束转换为锥形波束区间内的辐射功率密度难于估算,但可认为其功率密度约大于按锥形波束估算的功率密度值,而不会大于平行波束状况时估算的功率密度。

平面波束状况时,辐射的功率密度(ρ)可简单的用平行波束的横截面积(相当于天线反射面的截面积) 除以雷达的平均发射功率来计算:

ρ=4 P/πD²

功率密度ρ不随测点距雷达距离的变化而改变。按新一代天线的参数来估算,S波段的辐射功率密度ρ为19.8W/m² ,C波段的ρ为17.2W/m²。

在锥形波束形成后,其射线方向最大的辐射功率密度ρ可按下式计算:

ρ=4PG/4πr²

上面公式中r 为测点距雷达的距离,ρ随距离的增大而迅速的减小。新一代天气雷达S 波段和C波段的ρ分别为1.42×10⁶/r^-2(W.m²)、4.45×10⁵/r^-2(W.m²)。

假设平行波束估算的ρ与锥形波束估算ρ相等的距离r₀,当天线辐射的波束作为平行波考虑时的最大距离, 即距雷达天线的距离r＜ r₀时, 辐射波束的功率密度可视为固定值ρ₀ ,S 波段和C 波段新一代天气雷达的r₀分别为268m、161m。按D²/λ来计算锥形波束的形成距离,可计算出S波段新一代天气雷达的r₁分别为681m、324m。当测点的距离大于r₁时,其辐射功率密度按锥形波束来估算。r处于r₀和r₁之间时, 则认为功率密度值在两种估算值之间。

综合上面的估算和分析,可得出新一代天气雷达在射线方向上辐射功率密度随天线距离的分布(表4) 。

表4:新一代天气雷达射线方向辐射功率密度分布

2.3     雷达扫描时功率密度6 分钟平均值的估算

电磁环境防护限值以6分钟平均的功率密度值计算,测点6分钟平均的辐射功率密度ρ₆与雷达天线扫描运行方式有很大的关系。为方便计算辐射功率密度的6 分钟平均值,在测点距离大于锥形波束形成距离时,引进类似于计算脉冲功率和平均功率之间转换关系中的占空比概念。锥形波束时,雷达在某一仰角进行连续PPI 扫描,扫描周期小于6 分钟时,扫描面中任一点接收到辐射功率密度的占空比可近似的用天线波束宽度与天线扫描方位角范围的比值δ来表示,辐射功率密度的6分钟平均值ρ₆等于雷达射线方向上功率密度乘以占空比。

ρ₆= ρ×δ

雷达在某一方位角上进行连续的RHI 扫描时,RHI 扫描面中任一点的6分钟平均辐射功率密度值可参照PPI 扫描时的计算方法来计算,但占空比与PPI扫描时占空比不相同,要大得多。雷达运行体积扫描(VOL) 模式,仍可引用占空比的概念,但计算方法可略作修改,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占空比,若扫描周期超过6分钟,计算中仍用6分钟来计算。根据新一代天气雷达运行时的扫描参数可以计算出各种方式下的占空比(表5) ,进一步用来估算其ρ₆。

表5:锥形波束区PPI、RHI、VOL 三种扫描方式时ρ₆计算中的占空比δ

平行波束时,估算6分钟平均的辐射功率密度仍可用占空比的概念,但计算占空比的方法需修改,用平行波束在测点的驻留时间与扫描周期的比值为占空比,波束驻留时间是与测点距天线的距离r/m有关的,与波束的宽度(近似等于天线的直径) 有关。对新一代天气雷达来讲,平行波束区的占空比可参见表6

表6:平行波束区PPI、RHI、VOL 三种扫描方式时ρ₆计算中的占空比δ

综合上述分析和估算,对表4所列的射线方向辐射功率密度ρ进行修正后,可以得出新一代天气雷达在三种运行方式下, 辐射功率密度6分钟平均值ρ₆随距离分布(表7) 。

　表7:新一代天气雷达辐射功率密度6分钟平均值ρ₆分布    (单位：W/m²)

3.      新一代天气雷达辐射防护要求的距离范围

根据对新一代天气雷达辐射的功率密度分布和功率密度6分钟平均值分布的估算,按照GB 8702-88“电磁辐射防护规定”导出的电磁辐射防护限值的要求,计算出要求防护的范围。

雷达作PPI扫描方式运行时,S波段电磁辐射需进行防护的距离为:13.5m (职业照射) 、67.5m(公众照射) ;C波段电磁辐射需进行防护的距离:3.72m( 职业照射)、16.4m (公众照射)。雷达作RHI 扫描式运行时,S 波段电磁辐射需进行防护的距离为:161m(职业照射) 、490m(公众照射) ;C 波段电磁辐射需进行防护的距离39.2m (职业照射) 、196m(公众照射) 。雷达作VOL 扫描方式运行时其ρ₆比运行PPI、RHI 要小得多,要防护的距离比运行PPI、RHI 时所要求防护距离小得多。

按上面估算,可以得出新一代天气雷达处于运行状态时,对于职业照射需保护的最大距离:S波段为161m ,C波段为39.2m。对于公众照射需保护的最大距离:S波段为490m ,C 波段为196m。当雷达天线波束指向固定在一个方向时,在射线方向会造成较强的辐射功率密度6分钟平均值,需要防护的距离则要大得多,S波段新一代天气雷达的防护距离达842m(职业照射) 、1880m(公众照射) , C波段新一代天气雷达的防护距离达351m (职业照射) 、786m(公众照射) (表8) 。

表8:新一代天气雷达电磁辐射需防护的最大距离

4.      雷达电磁辐射的防护措施

总体来说，新一代天气雷达是较大功率的电磁辐射源,在距雷达天线较近范围内产生的电磁辐射功率密度超过电磁辐射防护限值,需进行防护。从前面的估算可看出需进行防护的距离范围大致可以划分成三个区域,职业照射防护区、公众照射防护区、避免直接照射区。新一代天气雷达天线的架设高度应尽量避免波束直接照射被防护对象,同时加强对雷达系统运行操作的管理,杜绝由于工作处置不当而造成电磁辐射对环境的影响。

新一代天气雷达天线的架设高度应超过职业照射防护区(S波段为160m ,C波段为39.2m) 内所有建筑物的高度,考虑到雷达天线仰角最低可达- 2°,天线的高度最好超过范围内最高建筑物5m以上。雷达天线的架设高度也应超过职业照射防护区外公众照射防护区( S波段为490m、C波段为196m) 内所有居民住宅楼的高度,可以有少量办公用房超过雷达天线高度。对公众照射防护区以远的高层建筑可不作特别的防护要求,但雷达在调试、试验中需固定天线指向时,应注意天线波束不应指向高层目标,同时，在天气雷达正常工作的周期中，也需要有关部门利用专业的电磁辐射分析仪对其周围电磁辐射情况进行定期检测。

雷达专用电磁辐射监测仪（德国安诺尼HF-60105选频式电磁辐射分析仪）

5.      结束语

电磁辐射的防护是环境保护中的一项工作,新一代天气雷达的建站过程必须充分注意到雷达的电磁辐射对环境的影响。本文根据新一代天气雷达的参数和环境电磁辐射防护要求,估算出雷达电磁辐射的防护距离,供建站时考虑。建站时需根据周围建筑物的分布,雷达天线架设的高度等,对环境电磁辐射影响作出评估。

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