民航空管雷達(dá)站電磁環(huán)境影響分析

張 磊 陳 茜 李少婷 趙文德

(1.中日友好環(huán)境保護(hù)中心，北京 100029;2.北九州市立大學(xué)，北九州 808－0135;3.湖北省輻射環(huán)境管理站，武漢 430070)

1 引 言

空管雷達(dá)對(duì)保證民航飛機(jī)安全飛行、航班正常、提高空中交通管制效率具有重要的作用，但民航空管雷達(dá)站的建設(shè)會(huì)增加環(huán)境中的電磁輻射水平，文章通過(guò)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)，分析了建設(shè)雷達(dá)站對(duì)周?chē)姶怒h(huán)境的影響。

2 雷達(dá)的概念

雷達(dá)的英文名為Radar(Radio Detection and Ranging)，其含義是指用無(wú)線電波方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和測(cè)距，它是能發(fā)送和接收高頻信號(hào)的電磁系統(tǒng)。

2.1 空管雷達(dá)分類(lèi)

一次監(jiān)視雷達(dá)(primary surveillance radar，PSR)，簡(jiǎn)稱(chēng)一次雷達(dá)。通過(guò)自主發(fā)射電磁波并在接收端檢測(cè)到目標(biāo)對(duì)電磁波的反射回波而獲得目標(biāo)位置的電子系統(tǒng)。一次雷達(dá)不需要被監(jiān)視者協(xié)同工作，是獨(dú)立監(jiān)視的一種。一次雷達(dá)(PSR)對(duì)目標(biāo)的基本測(cè)量參數(shù)是目標(biāo)距雷達(dá)的距離和目標(biāo)方位角，有些雷達(dá)還可以測(cè)定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)速度。主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、信號(hào)處理機(jī)和雷達(dá)顯示終端等部分組成。

二次監(jiān)視雷達(dá)(secondary surveillance radar，SSR)，簡(jiǎn)稱(chēng)二次雷達(dá)。利用約定的詢(xún)問(wèn)應(yīng)答模式獲得合作目標(biāo)的識(shí)別信息、位置和高度的電子系統(tǒng)。二次雷達(dá)需要被監(jiān)視者協(xié)同工作，是協(xié)同監(jiān)視的一種。二次雷達(dá)(SSR)由地面詢(xún)問(wèn)機(jī)和機(jī)載應(yīng)答機(jī)組成。

2.2 工作原理

雷達(dá)發(fā)射機(jī)向空間發(fā)射電磁波，電磁波遇到空中目標(biāo)的反射后，一小部分能量被反射回接收機(jī)，地面雷達(dá)站接收到從目標(biāo)反射回來(lái)的回波信號(hào)，如果它超過(guò)一定的門(mén)限電壓值，那就稱(chēng)為探測(cè)到了或是發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)，根據(jù)往返時(shí)間可以算出目標(biāo)的斜距;同時(shí)天線發(fā)射的扇形窄波束是和天線旋轉(zhuǎn)掃描同步的，因而在平面顯示器上就可以顯示出目標(biāo)的距離和方位。這樣一次發(fā)射即可得出目標(biāo)的距離和方位。雷達(dá)的基本任務(wù)是發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的存在以及測(cè)量目標(biāo)的參數(shù)。

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

(1)一次監(jiān)視雷達(dá)

一次監(jiān)視雷達(dá)(PSR)，作為航管系統(tǒng)的探測(cè)器之一，與二次監(jiān)視雷達(dá)(SSR)相配合，可為航管系統(tǒng)提供飛機(jī)的距離、方位、識(shí)別和高度等重要數(shù)據(jù)。除此之外，PSR 還可為航管系統(tǒng)提供天氣情報(bào)，以及對(duì)應(yīng)答器失效或未裝備應(yīng)答器的小型飛機(jī)和私人飛機(jī)可以提供方位和距離等信息。因此，航管一次雷達(dá)仍然是當(dāng)前的航管系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。

空中交通管制系統(tǒng)中使用的一次雷達(dá)按管制區(qū)的使用來(lái)劃分，一般可分為:航路監(jiān)視雷達(dá)(ARSR);機(jī)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)(ASR);精密進(jìn)近雷達(dá)(PAR)。

一次雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是可在雷達(dá)熒光屏顯示器上用光點(diǎn)提供飛機(jī)的方位和距離，不管飛機(jī)上是否裝有應(yīng)答機(jī)，都能正確地顯示，故仍為空中交通管制不可缺少的設(shè)備。其缺點(diǎn)是不能識(shí)別飛機(jī)的代號(hào)和高度，且反射回波較弱，易受固定目標(biāo)的干擾。

(2)二次監(jiān)視雷達(dá)

航空交通信標(biāo)系統(tǒng)(ATCRBS)或二次監(jiān)視雷達(dá)(SSR)，是現(xiàn)代空管系統(tǒng)中的重要組成部分。

二次雷達(dá)由于使用詢(xún)問(wèn)應(yīng)答式的工作方式，相對(duì)一次雷達(dá)具有如下優(yōu)點(diǎn):機(jī)載應(yīng)答機(jī)的回答頻率和地面詢(xún)問(wèn)機(jī)的詢(xún)問(wèn)頻率不同，且不靠接收反射的回波發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，避免了在一次雷達(dá)中常見(jiàn)的地物雜波和氣象雜波的干擾;由于目標(biāo)的定位是靠?jī)纱斡性摧椛?，在同樣的探測(cè)距離上二次雷達(dá)的發(fā)射功率比一次雷達(dá)低得多，即同樣的發(fā)射功率，二次雷達(dá)輻射信號(hào)作用距離遠(yuǎn);二次雷達(dá)的詢(xún)問(wèn)和應(yīng)答信號(hào)都是經(jīng)過(guò)編碼處理的，由于有了機(jī)載異頻收發(fā)機(jī)，可在雷達(dá)已有的功能中附加上一條數(shù)據(jù)鏈路，通過(guò)發(fā)射間距不同的脈沖對(duì)來(lái)傳遞信息，在測(cè)量飛行器高度和方位的同時(shí)，還可詢(xún)問(wèn)其航班號(hào)或海拔高度，也可利用編碼信號(hào)交換豐富的信息。

目前二次雷達(dá)已成為空中交通管制中的主要探測(cè)器，因此在某些場(chǎng)站僅裝備二次雷達(dá)。

2.4 技術(shù)參數(shù)

雷達(dá)是一種通過(guò)輻射無(wú)線電波檢測(cè)是否存在目標(biāo)的反射回波以及回波特性，從而獲取目標(biāo)信息的探測(cè)裝置。天線作為空間能量轉(zhuǎn)換器和空域信號(hào)處理器是雷達(dá)必不可少的最重要分系統(tǒng)之一，雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)經(jīng)雷達(dá)天線轉(zhuǎn)換、放大處理后向空間傳播，在環(huán)境中形成輻射場(chǎng)。天線的有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 雷達(dá)天線相關(guān)參數(shù)

調(diào)查分析有關(guān)雷達(dá)資料，空管一次雷達(dá)的發(fā)射頻率2700MHz，脈沖峰值功率15kW;空管二次雷達(dá)的發(fā)射頻率1030MHz，脈沖峰值功率1.41kW;航空氣象雷達(dá)的發(fā)射頻率5400 ±30MHz，脈沖峰值功率250kW。

3 評(píng)價(jià)方法

3.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB8702－88《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》第2.2.2款公眾照射規(guī)定，在一天24h 內(nèi)，環(huán)境電磁輻射場(chǎng)的場(chǎng)量參數(shù)在任意連續(xù)6min 內(nèi)的平均值應(yīng)滿(mǎn)足以下限值要求:一次雷達(dá)、二次雷達(dá)頻率范圍屬于30～3000MHz區(qū)間，功率密度為40μW/cm2;氣象雷達(dá)頻率范圍屬于3000～15000MHz 區(qū)間，功率密度為72μW/cm2。

環(huán)境管理限值執(zhí)行HJ/T10.3－1996《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則—電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)》第4.2 款規(guī)定，為使公眾受到的總照射劑量小于GB8702－88 的規(guī)定值，對(duì)單個(gè)項(xiàng)目的影響必須限制在GB8702－88 限值的若干分之一。評(píng)價(jià)時(shí)環(huán)境管理限值選取功率密度限值的1/2，即一次雷達(dá)、二次雷達(dá)為20μW/cm2，氣象雷達(dá)為36μW/cm2。

3.2 評(píng)價(jià)范圍

依據(jù)HJ/T10.3－1996《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則—電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)》3.1.2 規(guī)定，發(fā)射機(jī)功率P＞100kW 時(shí)，評(píng)價(jià)范圍確定以天線為中心半徑為1km 的范圍;發(fā)射機(jī)功率P≤100kW 時(shí)，評(píng)價(jià)范圍確定以天線為中心半徑為0.5km 的范圍。

空管一次雷達(dá)最大功率為15kW，二次雷達(dá)最大功率為1.41kW，因此評(píng)價(jià)范圍確定以雷達(dá)天線為中心半徑為0.5km 的范圍，重點(diǎn)評(píng)價(jià)以雷達(dá)天線為中心半徑為0.1km 的范圍;氣象雷達(dá)最大功率為250kW，因此評(píng)價(jià)范圍確定以雷達(dá)天線為中心半徑為1km 的范圍，重點(diǎn)評(píng)價(jià)以雷達(dá)天線為中心半徑為0.5km 的范圍。

3.3 監(jiān)測(cè)方法

西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)內(nèi)設(shè)置一、二次雷達(dá)站，版納機(jī)場(chǎng)內(nèi)設(shè)置氣象雷達(dá)站，分別對(duì)以上臺(tái)站進(jìn)行電磁環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)。

3.3.1 布點(diǎn)原則

(1)嚴(yán)格執(zhí)行HJ/T10.2－1996《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則－電磁輻射監(jiān)測(cè)儀器和方法》和HJ/T10.3－1996《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則－電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)》。

(2)客觀反映雷達(dá)站電磁環(huán)境實(shí)際情況，對(duì)其周?chē)h(huán)境保護(hù)目標(biāo)、公眾場(chǎng)所、以及典型輻射體進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，通常選擇在距離臺(tái)站較近的居民區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校等敏感區(qū)域。

(3)對(duì)敏感點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)其他電力設(shè)施、電話(huà)線、高層建筑物、樹(shù)木、金屬結(jié)構(gòu)等可能影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的因素，盡量選擇空曠的地方，使監(jiān)測(cè)結(jié)果具有代表性。

3.3.2 測(cè)量方法

在雷達(dá)站正常工作時(shí)間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)測(cè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)5 次，每次測(cè)量時(shí)間不小于15s，并讀取穩(wěn)定狀態(tài)下的最大值。若測(cè)量讀數(shù)起伏較大時(shí)，適當(dāng)延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)間。

(1)一般環(huán)境測(cè)量:測(cè)量高度均為儀器探頭距地面(或立足點(diǎn))1.7m 處，探頭(天線尖端)與操作人員之間距離不少于0.5m。

(2)典型輻射體監(jiān)測(cè):以輻射體為中心，按一定間隔角度選取多個(gè)方位為測(cè)量線，每條測(cè)量線上選取距場(chǎng)源分別30、50、100m 等不同距離定點(diǎn)測(cè)量。

3.3.3 監(jiān)測(cè)儀器

監(jiān)測(cè)儀器及參數(shù)詳見(jiàn)表2。

3.4 預(yù)測(cè)方法

以二次雷達(dá)預(yù)測(cè)為例，其余參照。

(1)二次雷達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)軸向功率密度計(jì)算公式:

式中:P—雷達(dá)發(fā)射機(jī)平均功率;

G—天線增益(倍數(shù))，G=10dBd=10(dBi－2.51)=305(根據(jù)表1，dBi=27);

r—測(cè)量位置與天線軸向距離，cm。

(2)雷達(dá)發(fā)射機(jī)平均功率的計(jì)算公式:

式中:κ—波形修正系數(shù)，假定雷達(dá)發(fā)射的脈沖是理想矩形波，則κ=1;

τ—脈沖寬度，τ=0.8 ×3=2.4μs;

f—脈沖重復(fù)頻率(Hz)，150～450Hz，取f=450Hz;

p—脈沖峰值功率，10000W。

(3)復(fù)合場(chǎng)強(qiáng)

式中:E—復(fù)合場(chǎng)強(qiáng);

E1、E2…En—單個(gè)頻率的場(chǎng)強(qiáng)值。

(4)功率密度

式中:S—功率密度;

E—電場(chǎng)強(qiáng)度。

表2 監(jiān)測(cè)儀器及參數(shù)

4 監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)結(jié)果

4.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

4.1.1 一、二次雷達(dá)站

西安機(jī)場(chǎng)一、二次雷達(dá)站周?chē)h(huán)境保護(hù)目標(biāo)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

西安機(jī)場(chǎng)一、二次雷達(dá)站作為典型輻射體，對(duì)其進(jìn)行電磁輻射污染源監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。

4.1.2 氣象雷達(dá)站

版納機(jī)場(chǎng)氣象雷達(dá)站周?chē)h(huán)境保護(hù)目標(biāo)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

版納機(jī)場(chǎng)氣象雷達(dá)站作為典型輻射體，對(duì)其進(jìn)行電磁輻射污染源監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表3 西安機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果

表4 西安機(jī)場(chǎng)一、二次雷達(dá)站電磁輻射污染源監(jiān)測(cè)結(jié)果

表5 版納機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)上述監(jiān)測(cè)結(jié)果，總體上雷達(dá)站功率密度的大小隨著距離的增大呈明顯的下降趨勢(shì)，符合電磁波的衰減規(guī)律;一、二次雷達(dá)站、氣象雷達(dá)站所在區(qū)域電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果、電磁輻射污染源監(jiān)測(cè)結(jié)果均符合HJ/T10.3－1996《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則—電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)》中的公眾照射評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值的要求。

表6 版納機(jī)場(chǎng)氣象雷達(dá)站電磁輻射污染源監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.2 預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果

以二次雷達(dá)為例，參照預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 二次雷達(dá)發(fā)射天線軸向功率密度預(yù)測(cè)結(jié)果

由表7 可知，二次雷達(dá)任意連續(xù)6min 功率密度在天線主瓣方向＜25.5m 和＜36m 的區(qū)域分別超過(guò)公眾限值40μW/cm2和單個(gè)項(xiàng)目電磁輻射影響限值20μW/cm2。

4.3 小結(jié)

根據(jù)各雷達(dá)站周?chē)h(huán)境保護(hù)目標(biāo)電磁環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)結(jié)果、典型輻射體電磁輻射污染源監(jiān)測(cè)結(jié)果、以及參數(shù)預(yù)測(cè)計(jì)算分析結(jié)果，評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的電磁環(huán)境均符合GB8702－88《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》公眾導(dǎo)出限值和單個(gè)項(xiàng)目管理值的要求。

預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果與各雷達(dá)站電磁輻射實(shí)測(cè)值對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值相比預(yù)測(cè)值小很多，原因是電磁波在開(kāi)放空間傳播過(guò)程中，考慮雷達(dá)位置、地勢(shì)、高差、障礙物等影響，實(shí)際存在諸多不可預(yù)見(jiàn)因素，因此，對(duì)雷達(dá)站運(yùn)行是否安全可行，應(yīng)以實(shí)測(cè)結(jié)論作為主要依據(jù)，模擬預(yù)測(cè)只是對(duì)實(shí)測(cè)值的補(bǔ)充說(shuō)明。

5 污染防護(hù)措施

雷達(dá)管制是實(shí)施空中交通管制最有效關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，雷達(dá)站是雷達(dá)管制的重要組成部分。為了保障民航運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，迫切需要加強(qiáng)雷達(dá)站的建設(shè)。文文介紹了雷達(dá)系統(tǒng)，通過(guò)電磁環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)、參數(shù)預(yù)測(cè)，分析了建設(shè)雷達(dá)站對(duì)周?chē)姶怒h(huán)境的影響，并提出以下污染防治措施:

第一，民航空管雷達(dá)站的選址應(yīng)符合航路、機(jī)場(chǎng)的發(fā)展規(guī)劃，電磁環(huán)境良好且宜于控制，需避開(kāi)城鎮(zhèn)的發(fā)展區(qū)域，有利于自身工作性能的充分發(fā)揮，并減少對(duì)周?chē)h(huán)境保護(hù)目標(biāo)的影響。

第二，將電磁輻射環(huán)境管理納入民航項(xiàng)目管理體系，配備專(zhuān)業(yè)管理人員，制定和實(shí)施電磁輻射環(huán)境管理監(jiān)測(cè)制度及計(jì)劃。

第三，按照國(guó)家電磁輻射防護(hù)有關(guān)規(guī)定，定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，以確保各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合要求。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．電磁輻射防護(hù)規(guī)定．GB8702－88．

［2］中華人民共和國(guó)環(huán)境行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn).HJ/T10.3－1996．

［3］張尉．二次雷達(dá)原理．國(guó)防工業(yè)出版社，北京，2009．

［4］龐西通．淺談電磁輻射污染的環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理防護(hù)［J］．科學(xué)之友.2010(06)．

［5］高水生，蔡意，饒丹．成都區(qū)域管制中心電磁輻射環(huán)境影響分析與防護(hù)措施［J］．環(huán)境科學(xué)與管理，2010(10)．

［6］肖宇．我國(guó)民航雷達(dá)的變遷［J］．通信導(dǎo)航，2000(3)．