船舶交通管理系統雷達電磁輻射環(huán)境影響分析評價

林勇山 梁 波 張小亮

(江西省核工業(yè)地質局測試研究中心， 南昌， 330002)

船舶交通管理系統(VTS)在保障海域船舶航行安全和水域生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮了重要作用。VTS主要由雷達子系統、VHF通信子系統、信息傳輸子系統等組成。

VTS雷達運行期電磁輻射環(huán)境影響主要是雷達子系統和VHF通信子系統產生。VTS雷達工作頻率(9 375 MHz)處于超高頻范圍；VHF通信系統工作頻率(154.4～174 MHz)處甚高頻范圍。VHF通信基站的等效輻射功率為60.7 W，屬于豁免通信設備[1]。本文分析評價VTS雷達的電磁輻射環(huán)境影響。

1 VTS雷達技術參數

表1、表2分別列出了VTS雷達系統雷達天線和收發(fā)機的技術參數。

表1 VTS雷達系統雷達天線技術參數

表2 VTS雷達系統收發(fā)機技術參數

2 電磁環(huán)境評價標準

VTS雷達工作于超高頻波段，采用脈沖發(fā)射方式。根據國家標準GB 8702——《電磁環(huán)境控制限值》[1]表1：“100 kHz以上頻率，在遠場區(qū)，可以只限制電場強度或磁場強度，或等效平面功率密度；在近場區(qū)，需同時限制電場強度和磁場強度。對于脈沖電磁波，其功率密度的瞬時峰值不得超過限值的1 000倍，或場強的瞬時峰值不得超過限值的32倍”。以及環(huán)境行業(yè)標準《輻射環(huán)境保護管理導則 電磁輻射環(huán)境影響評價方法與標準》[2]4.2節(jié)規(guī)定：為使公眾受到的總的照射劑量小于GB 8702的規(guī)定值，對單個項目的影響必須限制在GB 8702限值的若干分之一。在評價時，對于由國家環(huán)境保護部負責審的大型項目可取GB 8702中場強限值的，或功率密度限值的1/2；其他項目則取場強限值的，功率密度限值的1/5作為評價標準。

根據以上規(guī)定計算，得出VTS雷達電磁環(huán)境評價的標準列于表3。

表3 VTS雷達電磁環(huán)境評價標準

3 電磁輻射環(huán)境影響

3.1 VTS雷達近場區(qū)、遠場區(qū)區(qū)域劃分

VTS雷達天線電磁輻射區(qū)分為近場區(qū)和遠場區(qū)。近場區(qū)電場和磁場沒有固定關系，遠場區(qū)則隨著距離呈規(guī)律性變化。根據天線波束形成理論中遠近場的分界計算公式[3]：

r=D2/λ

(1)

式中，r為遠近場分界距離，m；D為天線為最大口徑，m；λ為輻射源工作波長，m。

將VTS雷達相關參數代入式(1)，得VTS雷達天線電磁輻射區(qū)近場區(qū)、遠場區(qū)分界計算結果列于表4。輻射區(qū)分界如圖1所示。

圖1 VTS雷達天線近場、遠場區(qū)分界示意圖

3.2 VTS雷達源強

脈沖雷達天線輻射平均功率等于發(fā)射機輻射脈沖功率與脈沖寬度和脈沖重復率的乘積。按最大脈沖寬度(1 000 ns)及最大脈沖重復率(4 400 Hz)條件計算，VTS雷達最大平均輻射功率為：

P平均=25 kW×(1 000 ns)×4 400 Hz=110 W。

VTS雷達脈沖發(fā)射功率25 kW，最大平均輻射功率110 W，系統傳輸損耗-3 dB，雷達天線增益35 dB，則脈沖峰值等效輻射功率：

最大平均等效輻射功率：

3.3 場強瞬時峰值及平均場強計算

由于近場區(qū)屬于感應場，場與發(fā)射源、與作用對象之間存在著能量交換以及電磁波相位干涉相消的情況，對于矩形縫隙天線的近場區(qū)的電磁影響尚未有合適的預測方法，故采用遠場軸向預測模式估算VTS雷達近場區(qū)的場強值。

3.3.1場強瞬時峰值

根據VTS雷達工作模式及遠場區(qū)功率密度、電場強度、磁場強度計算公式[4]：

(2)

式中，p峰值為功率密度瞬時峰值，W/m2；P為脈沖發(fā)射功率，W；G為天線增益，倍數；r為計算點與天線軸向距離，m。

(3)

式中，E為電場強度，V/m；p為功率密度，mW/cm2；3763.6為電場強度(V/m)與功率密度(mW/cm2)的自由空間本征阻抗。

(4)

式中，H為磁場強度，A/m；p為功率密度，mW/cm2；37.636為磁場強度(A/m)與功率密度(mW/cm2)的自由空間本征阻抗。

計算得VTS雷達天線近場區(qū)軸向不同距離的功率密度、電場強度、磁場強度瞬時峰值結果列于表5。

表5的計算結果表明，VTS雷達天線軸向51 m以遠的瞬時峰值能同時滿足標準近場區(qū)電場強度681.6 V/m和磁場強度1.824 A/m的要求。

3.3.2平均場強

考慮VTS雷達掃描的相關參數，根據遠場區(qū)軸向功率密度、電場強度、磁場強度計算公式[4]：

(5)

式中：p平均為功率密度平均值，W/m2；P平均為平均發(fā)射功率，W；G為天線增益，倍數；r為預測點與天線軸向距離，m；ηS=0.0013為掃描占空比。

得VTS雷達天線近場區(qū)軸向不同距離的平均功率密度、平均電場強度、平均磁場強度計算結果列于表6。

表6的結果表明，VTS雷達天線軸向9 m以遠的平均場強能同時滿足近場區(qū)電場強度9.57 V/m和磁場強度0.025 A/m的單個項目評價標準要求。

3.3.3達標距離

根據上述計算結果，按最大值考慮，VTS雷達天線軸向51 m為水平達標距離。

3.4 垂直達標距離

VTS雷達天線仰角為0°，主瓣垂直波束寬度為19°。保守考慮，對處于垂直波束寬度范圍的垂直電平取0 dB，處于垂直波束寬度范圍之外的垂直電平取-3 dB。將各垂直角度范圍內垂直電平值及參數代入式(6)：

(6)

式中，d為垂直達標距離，m；L為水平達標距離，m；φ=19°為主瓣波束寬度。

表5 VTS雷達天線軸向不同距離功率密度、電場強度、磁場強度瞬時峰值計算結果

表6 VTS雷達天線軸向平均電場強度及磁場強度計算結果

得VTS雷達天線垂直達標距離列于表7。

3.5 達標區(qū)域

VTS雷達天線電磁輻射環(huán)境影響達標區(qū)域范圍如圖2所示。

4 評價結果

(1) VTS雷達天線軸向51 m以遠區(qū)域的場強瞬時峰值同時滿足《電磁環(huán)境控制限值》[1]中規(guī)定的電場強度瞬時峰值限值(681.6 V/m)與磁場強度瞬時峰值限值(1.824 A/m)要求。

(2) VTS雷達天線軸向9 m以遠區(qū)域的平均場強同時滿足《電磁環(huán)境控制限值》和《輻射環(huán)境保護管理導則 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》[2]中規(guī)定的單個項目電場強度限值(9.57 V/m)、磁場強度限值(0.025 A/m)要求。

圖2 VTS雷達達標距離范圍圖

(3) VTS雷達水平達標距離(距雷達天線)為51 m；垂直達標距離0°～9.5°范圍為9 m，9.5°～90°為6 m。