佛山X波段天氣雷達(dá)輻射對(duì)環(huán)境影響的定量分析

鄭啟康，何敏玲，李與廣

（佛山市氣象局，廣東佛山 528300）

佛山X波段天氣雷達(dá)輻射對(duì)環(huán)境影響的定量分析

鄭啟康，何敏玲，李與廣

（佛山市氣象局，廣東佛山 528300）

根據(jù)佛山X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)的性能技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合雷達(dá)工作時(shí)的具體掃描方式，定量分析X波段天氣雷達(dá)的電磁輻射特性，計(jì)算其功率密度的空間分布情況，并依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702-2014）中電磁輻射功率密度的公眾暴露控制限值，計(jì)算雷達(dá)在不同工作模式時(shí)電磁輻射安全的防護(hù)距離，估算出其最大防護(hù)距離約為348 m。由于雷達(dá)在實(shí)際工作中，天線都不停地運(yùn)動(dòng)掃描，再加上樓房的阻擋，最大防護(hù)距離會(huì)進(jìn)一步縮小，佛山南海觀測(cè)基地雷達(dá)站的實(shí)地電磁環(huán)境檢測(cè)也表明該地的電磁輻射水平低于公眾暴露控制限值。

探空儀器；X波段天氣雷達(dá)；電磁輻射；防護(hù)距離；佛山

佛山地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，由于受西南季風(fēng)、熱帶氣旋等因素影響，以及特殊的地理位置，使得佛山天氣氣候復(fù)雜多變，臺(tái)風(fēng)、暴雨、雷雨大風(fēng)、龍卷風(fēng)等災(zāi)害性天氣多發(fā)頻發(fā)。為了提高對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)能力，佛山將建設(shè)由多部X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，目前南海區(qū)的X波段天氣雷達(dá)已投入使用。由于雷達(dá)工作時(shí)發(fā)射電磁輻射，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生一定影響，所以對(duì)X波段天氣雷達(dá)的電磁輻射特性進(jìn)行分析尤為必要。目前國(guó)內(nèi)各地安裝的固定式天氣雷達(dá)大部分為S波段雷達(dá)，學(xué)者也主要集中研究S波段雷達(dá)的電磁輻射特性［1-8］，而對(duì)X波段雷達(dá)的分析很少。本研究根據(jù)佛山X波段天氣雷達(dá)的主要性能參數(shù)［9］，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702-2014）的要求［10］，定量計(jì)算雷達(dá)工作時(shí)功率密度的空間分布，估算安全防護(hù)距離。

1 影響雷達(dá)電磁輻射的主要因素

天氣雷達(dá)的電磁輻射強(qiáng)度分布與多種因素有關(guān)，首先是天氣雷達(dá)本身的技術(shù)指標(biāo)，例如發(fā)射機(jī)的技術(shù)指標(biāo)、雷達(dá)天線的技術(shù)指標(biāo)，其他的因素有雷達(dá)探測(cè)方法和顯示方式、測(cè)點(diǎn)到雷達(dá)的距離等等。發(fā)射機(jī)的技術(shù)指標(biāo)主要有工作頻率（9 300～9 700 MHz）、峰值功率（75 kW）、脈沖重復(fù)頻率（644 Hz（1 956 Hz））、脈沖寬度（1 μs（0.5 μs））、平均功率（48 W（1 μs，644 Hz）、73 W（0.5 μs，1 956 Hz））；天線的技術(shù)指標(biāo)主要有天線直徑（2.4 m）、天線增益（≥44 dB）、波束寬度（≤1°）；雷達(dá)探測(cè)方法和顯示方式主要有3種：平面位置顯示（PPI）、距離高度顯示（RHI）和體積掃描（VOL），其中VOL為佛山X波段天氣雷達(dá)日常運(yùn)轉(zhuǎn)模式。PPI掃描時(shí)雷達(dá)以固定仰角，天線以360°全方位掃描，佛山X波段天氣雷達(dá)作PPI掃描時(shí)，掃描速度約為20（°）/s。RHI掃描是指雷達(dá)天線通過(guò)固定方位作俯仰掃描探測(cè)，掃描角度約為30°。VOL是由雷達(dá)在一系列仰角上進(jìn)行360°全方位掃描組成，佛山X波段天氣雷達(dá)運(yùn)行一次體積掃描的時(shí)間約為3 min。

2 佛山X波段天氣雷達(dá)輻射的限值

《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702-2014）是由《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》（GB 8702-88）和《環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 9175-88）兩部標(biāo)準(zhǔn)的整合修訂。在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，100 kHz以上的頻率在遠(yuǎn)場(chǎng)可以只限制等效平面波功率密度。對(duì)于0.1 MHz～300 GHz頻率，場(chǎng)量參數(shù)是任意連續(xù)6 min內(nèi)的均值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法，可以計(jì)算出佛山X波段天氣雷達(dá)的等效平面波功率密度的公眾暴露限制值為1.24 W·m2。另外，《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702-2014）對(duì)脈沖電磁波功率密度的瞬時(shí)峰值也有嚴(yán)格要求，功率密度的瞬時(shí)峰值不得超過(guò)值的1 000倍，因此可得佛山X波段天氣雷達(dá)輻射的瞬時(shí)峰值限制限值為1 240 W·m2。

3 佛山X波段天氣雷達(dá)輻射的功率密度分布

佛山X波段天氣雷達(dá)天線的反射體采用圓拋物面型，根據(jù)拋物面反射的特性，天線反射體焦點(diǎn)上饋源輻射的球面波，經(jīng)過(guò)天線發(fā)射后成為平面波，聚集成一束狹窄的電磁波向空間發(fā)射出去。

3.1 平行波束的功率密度

在靠近天氣雷達(dá)的區(qū)域，可假設(shè)雷達(dá)輻射的電磁波波束為一道平行波束，波束的截面是個(gè)圓形，圓形的直徑可近似等于雷達(dá)天線的直徑，雷達(dá)輻射的功率密度（ρ）為這個(gè)圓形單位面積上的能量（W/m2），其計(jì)算公式為：

3.2 錐形波束的功率密度

在遠(yuǎn)離天氣雷達(dá)的區(qū)域，經(jīng)天線反射面輻射出的電磁波在空間相互干涉，形成了錐形波束。錐形波束形成的距離可用D2/λ來(lái)估算。D為天線的直徑，λ為電磁波的波長(zhǎng)（m）。按照佛山X波段天氣雷達(dá)的參數(shù)來(lái)估算，可得到其錐形波束形成距離為178.5 m。若雷達(dá)天線是各向同性地輻射，那么在距離為r處的輻射功率密度為P／（4πr2），考慮定向天線的增益為G，則距離為r處的輻射功率密度（ρ）為

其中ˉP為雷達(dá)平均功率（W）。雷達(dá)輻射的錐形波束是一個(gè)圓錐形，垂直于中心軸線的截面是個(gè)圓。從式（2）中可以看到，隨著距離的增大，功率密度迅速減小。按照佛山X波段天氣雷達(dá)的參數(shù)計(jì)算，可得ρ為0.146×106/r2W·m-2。

3.3 過(guò)渡區(qū)域的功率密度

雷達(dá)輻射在平行波束與錐形波束之間，存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，雷達(dá)輻射從天線輻射出來(lái)后，先近似以平行波束傳播，在過(guò)渡區(qū)間逐漸轉(zhuǎn)換為錐形波束，最后以錐形波束繼續(xù)傳播。假設(shè)式（1）等于式（2）時(shí)是過(guò)渡區(qū)域的起始位置，按照佛山X波段天氣雷達(dá)的參數(shù)計(jì)算可得距離為95.2 m。另外3.2節(jié)已計(jì)算出佛山X波段天氣雷達(dá)的錐形波束形成距離為178.5 m，這也就是過(guò)渡區(qū)域的終點(diǎn)位置。過(guò)渡區(qū)間的輻射功率密度難于估算，但可認(rèn)為比平行波束的估算值小，比錐形波束的估算值大。

綜上所述，按照佛山X波段天氣雷達(dá)的參數(shù)計(jì)算，當(dāng)距離雷達(dá)＜95.2 m時(shí)，其輻射功率密度為固定值16.1 W·m2；當(dāng)距離雷達(dá)＞178.5 m時(shí)，其輻射功率密度為0.146×106/r2W·m-2；當(dāng)距離在95.2～178.5 m時(shí)，其功率密度介于0.146×106/r2和16.1 W·m-2之間。

4 雷達(dá)工作時(shí)電磁輻射影響分析

電磁輻射的公眾暴露限值以6 min平均功率密度值計(jì)算，雖然3.3節(jié)已估算出佛山X波段天氣雷達(dá)的輻射功率密度分布，但由于雷達(dá)在實(shí)際工作中天線是在不斷地運(yùn)動(dòng)，并不會(huì)持續(xù)不斷地照射同一點(diǎn)，因此還需要結(jié)合雷達(dá)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的掃描運(yùn)行方式，來(lái)估算6 min平均的輻射功率密度。在這里引入占空比的概念，來(lái)表示測(cè)點(diǎn)受輻射照射的時(shí)間與雷達(dá)掃描周期的比值，雷達(dá)輻射功率密度6 min均值等于雷達(dá)功率密度乘以占空比。

4.1 錐形波束時(shí)的占空比

雷達(dá)進(jìn)行PPI掃描時(shí)，占空比近似可用電磁波波束寬度與天線掃描方位角范圍之比來(lái)表示。雷達(dá)在進(jìn)行RHI掃描時(shí)，占空比仍可參照PPI掃描時(shí)的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算。雷達(dá)進(jìn)行體積掃描（VOL）時(shí)，占空比用天線掃過(guò)一個(gè)波束寬度的時(shí)間與運(yùn)行VOL掃描的周期時(shí)間的比值來(lái)表示。

4.2 平行波束時(shí)的占空比

平行波束的占空比為平行波束在測(cè)點(diǎn)的駐留時(shí)間與掃描周期的比值，計(jì)算方法用平行波束的寬度除以天線掃描區(qū)的周長(zhǎng)（表1）。

表1 佛山X波段天氣雷達(dá)在不同工作模式下的占空比

根據(jù)占空比的估算情況，對(duì)雷達(dá)射線方向的輻射功率密度進(jìn)行修訂計(jì)算，可以得到佛山X波段天氣雷達(dá)工作時(shí)的輻射功率密度6 min的均值情況（表2）。

表2 佛山X波段天氣雷達(dá)輻射功率密度6 min均值估算

5 佛山X波段天氣雷達(dá)輻射防護(hù)的距離

依照佛山X波段天氣雷達(dá)輻射功率密度6 min均值的估算，當(dāng)雷達(dá)作PPI掃描時(shí)，其電磁輻射需進(jìn)行防護(hù)的距離為5 m；當(dāng)雷達(dá)進(jìn)行RHI掃描時(shí)，其電磁輻射需進(jìn)行防護(hù)的距離為60 m；當(dāng)雷達(dá)進(jìn)行VOL掃描時(shí)，由于其占空比的值更小，其要防護(hù)的距離比單純的PPI掃描時(shí)的值要小得多。

以上幾項(xiàng)計(jì)算結(jié)果是雷達(dá)連續(xù)工作時(shí)的情況，特殊情況下雷達(dá)天線指向固定一個(gè)方向不動(dòng)時(shí)，這時(shí)占空比為1，可用0.146×106×r-2直接計(jì)算，得到雷達(dá)電磁輻射需進(jìn)行防護(hù)的距離為343 m。

對(duì)于佛山X波段天氣雷達(dá)瞬時(shí)功率密度限值的防護(hù)距離，可根據(jù)公式ρ=ˉPG／4πr2進(jìn)行計(jì)算，式中P為雷達(dá)峰值功率，G為天線增益倍數(shù)。可得到其電磁輻射需進(jìn)行防護(hù)的距離為348 m。

環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)部門也對(duì)佛山市南海區(qū)氣象監(jiān)測(cè)基地的氣象雷達(dá)及其周邊環(huán)境進(jìn)行電磁輻射水平檢測(cè)，距離雷達(dá)約100 m的氣象觀測(cè)場(chǎng)中檢測(cè)到的輻射功率密度為0.24 W·m2，低于標(biāo)準(zhǔn)中的公眾暴露控制限值，其余測(cè)點(diǎn)（包括機(jī)房發(fā)射機(jī)柜前）的電磁輻射水平也低于公眾暴露控制限值。

由于雷達(dá)的電磁輻射會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，所以在雷達(dá)站的選址時(shí)需充分考慮雷達(dá)輻射的影響。本研究根據(jù)佛山X波段天氣雷達(dá)的參數(shù)，分析了工作時(shí)射線方向的電磁輻射分布和影響，并按照電磁輻射防護(hù)的要求，估算出最大防護(hù)距離為348 m。由于雷達(dá)在實(shí)際工作中，天線不停地運(yùn)動(dòng)掃描，再加上樓房本身的阻擋，公眾受電磁輻射構(gòu)成威脅的距離范圍會(huì)進(jìn)一步縮小，南海觀測(cè)基地雷達(dá)站的實(shí)地電磁環(huán)境檢測(cè)也表明該地的電磁輻射水平低于公眾暴露控制限值。估算出來(lái)的X波段天氣雷達(dá)電磁輻射的防護(hù)距離，也為佛山余下幾部X波段天線雷達(dá)建設(shè)提供參考。

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P41

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.05.016

2016-05-18

鄭啟康（1980年生），男，天氣氣候工程師，碩士，現(xiàn)主要從事天氣預(yù)報(bào)工作。E-mail：11029383@qq.com

鄭啟康，何敏玲，李與廣.佛山X波段天氣雷達(dá)輻射對(duì)環(huán)境影響的定量分析［J］.廣東氣象，2016，38（5）：64-66.