天氣雷達(dá)站電磁環(huán)境影響監(jiān)測(cè)研究

關(guān)鍵詞：天氣雷達(dá)站；電磁輻射；發(fā)射天線(xiàn)；功率密度模型

中圖分類(lèi)號(hào)：X837 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

電磁輻射污染是指由電磁波傳播產(chǎn)生的電磁輻射，對(duì)環(huán)境和人體健康造成的負(fù)面影響。近代天氣雷達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不停向周?chē)h(huán)境發(fā)射電磁波并接收回波，使雷達(dá)站附近形成高頻的電磁場(chǎng)。高頻電磁場(chǎng)可能會(huì)產(chǎn)生電池輻射，當(dāng)環(huán)境中電磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定限值時(shí)，就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生潛在的危害，如引起電磁敏感癥狀、影響生殖健康、增加癌癥風(fēng)險(xiǎn)等。此外，電磁輻射也可能對(duì)其他設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾，如無(wú)線(xiàn)通信、雷達(dá)等系統(tǒng)。宋欣蔚等人對(duì)北京市中心商區(qū)射頻電磁環(huán)境進(jìn)行測(cè)試與分析，通過(guò)空間插值方法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到測(cè)試區(qū)域的射頻電磁環(huán)境空間分布地圖；Zeng Y等人對(duì)天氣雷達(dá)的研究主要是天氣探測(cè)及服務(wù)方面，基于雷達(dá)觀(guān)測(cè)空間中截?cái)嗾`差樣本的方法，近似由未解析尺度和過(guò)程引起的表示誤差；然而，上述方法對(duì)天氣雷達(dá)造成的電磁輻射影響分析相對(duì)較少。為此，研究創(chuàng)新性引入發(fā)射天線(xiàn)的方向函數(shù)，設(shè)計(jì)一種新的雷達(dá)功率密度模型。通過(guò)考慮電磁波的傳播損耗與影響因素，可以更真實(shí)地反映雷達(dá)輻射對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。有助于確保天氣雷達(dá)站的正常運(yùn)行，并減少對(duì)周?chē)h(huán)境的不必要的電磁輻射，防止電磁輻射污染對(duì)其產(chǎn)生不利影響。

1天氣雷達(dá)站電磁環(huán)境影響監(jiān)測(cè)方法

1.1電磁輻射的危害性影響與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在設(shè)計(jì)電磁輻射監(jiān)測(cè)模型前，首先對(duì)電磁輻射對(duì)環(huán)境的危害進(jìn)行了解，再對(duì)環(huán)境電磁輻射的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。電磁波的傳播形式，見(jiàn)圖1。

如圖1所示，電磁輻射是由同向振蕩且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式傳遞動(dòng)量和能量，傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面。電磁波沿著某一個(gè)平面像水波紋一樣向四周傳播。電磁輻射主要對(duì)環(huán)境產(chǎn)生三種影響。第一類(lèi)，對(duì)人體的健康造成嚴(yán)重的危害，可能會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)危害與非熱效應(yīng)危害，長(zhǎng)期受到外界電磁波的干擾，可能會(huì)破壞正常的循環(huán)機(jī)能。第二類(lèi)，電磁輻射是指電磁波形成的電磁干擾，這種干擾會(huì)對(duì)周?chē)碾妶?chǎng)造成影響，從而干擾各類(lèi)電子儀器。這種電磁輻射對(duì)電子儀器的影響可能會(huì)導(dǎo)致電子儀器性能異常，甚至出現(xiàn)癱瘓等情況。這種電磁輻射對(duì)周?chē)h(huán)境中電子設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，對(duì)人們的生產(chǎn)、生活造成極大的不便和損失。第三類(lèi)電磁輻射可能會(huì)對(duì)武器彈藥和易燃易爆物品產(chǎn)生影響，導(dǎo)致引燃引爆等危險(xiǎn)情況。這種輻射可能會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成極大的破壞，甚至危及到附近居民的生命安全，引發(fā)恐慌情緒。為了減少電磁輻射產(chǎn)生的危害，需要采取嚴(yán)格的法規(guī)與措施監(jiān)測(cè)環(huán)境中的電磁輻射，依據(jù)《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》中的規(guī)定，在一天內(nèi)，選取任意6 min對(duì)環(huán)境中的電磁輻射參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其平均值需要滿(mǎn)足導(dǎo)出照射限值。在頻率為30～3000階段，限值要求最為嚴(yán)格，功率密度為0.4W／m²，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.032 A/m，電場(chǎng)強(qiáng)度為12 V/m。

1.2環(huán)境中電磁輻射監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建

基于國(guó)家推薦的電磁輻射率密度理論計(jì)算模型，考慮雷達(dá)站真實(shí)工作狀態(tài)，并開(kāi)展預(yù)處理。引入發(fā)射天線(xiàn)中的參數(shù)，設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確的功率密度計(jì)算模型，監(jiān)測(cè)電磁輻射。近場(chǎng)區(qū)的功率密度計(jì)算如式（1）所示。

式（9）中，y表示地面距天線(xiàn)下緣的距離；S_l表示公眾照射限值；P₁表示天線(xiàn)饋源輻射功率。構(gòu)建雷達(dá)功率密度模型，對(duì)電磁波進(jìn)行分析。S波段、C波段和X波段是無(wú)線(xiàn)電頻譜中的三個(gè)頻段，它們分別對(duì)應(yīng)著不同的電磁波。S波段是超高頻（UHF）無(wú)線(xiàn)電頻譜中的一個(gè)頻段，頻率范圍約為2～4GHz。C波段是頻率范圍為4～8GHz的無(wú)線(xiàn)電頻段，也屬于超高頻（UHF）范圍。C波段的電磁波在大氣中的傳播相對(duì)穩(wěn)定。X波段是頻率范圍為8～12GHz的無(wú)線(xiàn)電頻段，屬于高頻（HF）范圍。X波段的電磁波具有較高的穿透能力。這些波段在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中具有各自的特點(diǎn)和用途。設(shè)計(jì)天氣雷達(dá)站電磁環(huán)境影響監(jiān)測(cè)方案，需要依據(jù)顯示場(chǎng)地進(jìn)行合理布點(diǎn)。

布點(diǎn)的主要依據(jù)如下：首先，依據(jù)群眾反映建議布點(diǎn)在敏感點(diǎn)，比如醫(yī)院、養(yǎng)老院、學(xué)校等大量人員聚集的地方。其次，在天氣雷達(dá)站周?chē)菀资盏叫盘?hào)的地方進(jìn)行布置，例如衛(wèi)星地球站、廣播電視發(fā)射臺(tái)等。再次，選擇在寬闊無(wú)遮擋的環(huán)境進(jìn)行布點(diǎn)，避免建筑物、電線(xiàn)、樹(shù)木等的影響。依據(jù)布點(diǎn)提出監(jiān)測(cè)方案，在雷達(dá)發(fā)射功率的基礎(chǔ)上，鎖定測(cè)量的區(qū)域，以雷達(dá)站為中心點(diǎn)，在四周設(shè)置8個(gè)方向的檢測(cè)線(xiàn)，每個(gè)范圍相隔45°。依據(jù)每一個(gè)方位路線(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)情形，在路線(xiàn)上選取不定距離的頂點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量高度規(guī)定為1.6m，每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)單次測(cè)量狀態(tài)會(huì)保持12 s及以上，測(cè)量6次，整體間隔測(cè)量時(shí)間為th。記錄整個(gè)測(cè)量過(guò)程中的最大值。然后測(cè)量輻射最大值的功率密度并記錄數(shù)據(jù)信息。最后，為了對(duì)架設(shè)發(fā)射天線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)在人員可活動(dòng)的區(qū)域中，且探頭離地面的距離保持在1.7米左右。同時(shí)，對(duì)操作室與各個(gè)工作間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行記錄。

2應(yīng)用測(cè)試

2.1測(cè)試條件設(shè)置

為了驗(yàn)證天氣雷達(dá)站在電磁環(huán)境影響下監(jiān)測(cè)效果，依據(jù)HJ/T10.2-1996中的輻射管理導(dǎo)則制定具體布點(diǎn)原則。選用的功率密度監(jiān)測(cè)所用儀器為NBM550電磁強(qiáng)度分析儀，頻率響應(yīng)為0.1～3000 MHz的SRM 3000選頻測(cè)量?jī)x。依據(jù)監(jiān)測(cè)規(guī)則，選擇在上午8：00-10：30與下午14：00-18：00且無(wú)異常天氣的情況，進(jìn)行電磁輻射監(jiān)測(cè)。

2.2環(huán)境中電磁輻射監(jiān)測(cè)模型的性能測(cè)試

為了驗(yàn)證天氣雷達(dá)站在電磁環(huán)境下的測(cè)量精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行不同波段下的實(shí)測(cè)測(cè)試。對(duì)S波段、C波段、X波段進(jìn)行檢測(cè)，并比較理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值。采用平面位置掃描（Plan Posi-tion Indicator，PPI）與距離高度掃描（Range Height Indicator，RHI）模式，天氣雷達(dá)周?chē)姶艌?chǎng)分布特征的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果的對(duì)比曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

如圖2所示，無(wú)論是計(jì)算值還是真實(shí)值，顯示隨著距離的增加功率密度下降的趨勢(shì)，且研究算法與實(shí)測(cè)值的擬合程度高于熱傳感器法與電場(chǎng)強(qiáng)度法。對(duì)于S波，真實(shí)值與計(jì)算值都呈現(xiàn)隨距離拉長(zhǎng)而降低的趨勢(shì)，在雷達(dá)天線(xiàn)的近場(chǎng)區(qū)，PPI掃描模式下計(jì)算值是真實(shí)值的20倍，而RHI掃描模式下計(jì)算值是真實(shí)值的32倍。對(duì)于C波段，在雷達(dá)天線(xiàn)的近場(chǎng)區(qū)，在PPI掃描模式下研究結(jié)果約是真實(shí)值的23倍，在RHI掃描模式下研究結(jié)果約是真實(shí)值的27倍。對(duì)于在X波段，在雷達(dá)天線(xiàn)的近場(chǎng)區(qū)，PPI掃描模式下的研究結(jié)果約為真實(shí)值的38倍，而RHI掃描模式下研究結(jié)果約為真實(shí)值的57倍。對(duì)于三類(lèi)波段，在近場(chǎng)區(qū)相對(duì)誤差均較大，而在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，計(jì)算值與真實(shí)值逐漸趨于接近，計(jì)算值和真實(shí)值擬合程度高，相對(duì)誤差較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證研究方法的適用性與優(yōu)越性，說(shuō)明研究構(gòu)建的電磁輻射監(jiān)測(cè)模型能夠?qū)Νh(huán)境中的電磁波進(jìn)行有效檢測(cè)監(jiān)控。

2.3環(huán)境中電磁輻射監(jiān)測(cè)模型的應(yīng)用

為了進(jìn)一步驗(yàn)證研究監(jiān)測(cè)模型的適用性，將其應(yīng)用在某市10個(gè)位點(diǎn)中進(jìn)行監(jiān)測(cè)，2022年12個(gè)月份的電磁輻射結(jié)果見(jiàn)表1。

表1中，可以看出此市區(qū)內(nèi)10個(gè)點(diǎn)位的平均功率密度都在限值之內(nèi)，這一年平均值的波動(dòng)幅度在0.07W/m²到0.32 W／m²之間。一月份到二月份的波動(dòng)幅度較大，增長(zhǎng)了190%。從6月到7月，功率密度大幅度下降，下降了78. 12%。功率密度較大的月份分別是2月、6月、8月、10月，它們的功率密度均超過(guò)了30%，靠近限度值，因此對(duì)于此地這幾個(gè)月份產(chǎn)生電磁輻射的原因需要特別關(guān)注，并積極地采取措施降低環(huán)境中的電磁輻射，將其控制在標(biāo)準(zhǔn)限值之內(nèi)。繼續(xù)將此模型用于市區(qū)內(nèi)的電磁影響監(jiān)測(cè)，A、B、C、D這4個(gè)市區(qū)的電磁輻射監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比情況見(jiàn)圖3。

如圖3所示，可以看出4個(gè)市區(qū)的電磁輻射情況均不相同，B市的功率密度最大，且波動(dòng)幅值較大，10個(gè)點(diǎn)位的平均功率密度為3.45 W／m²，已經(jīng)嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn)限定值。因此B市需要重點(diǎn)關(guān)注，采取強(qiáng)制措施，盡可能將電磁輻射降低。而A市的功率密度也較大，平均功率密度為0. 37W／m²，接近標(biāo)準(zhǔn)限定值，可以對(duì)A市投入持續(xù)的關(guān)注。而C市與D市的功率密度在一個(gè)較低的水平，說(shuō)明其電磁輻射水平低，沒(méi)有給周?chē)h(huán)境帶來(lái)不良影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型的實(shí)用性，對(duì)于環(huán)境中的電磁輻射的監(jiān)控有較好的效果。

3結(jié)束語(yǔ)

為了更加客觀(guān)、合理地監(jiān)測(cè)和分析天氣雷達(dá)站對(duì)電磁環(huán)境的影響，基于發(fā)射天線(xiàn)的方向函數(shù)，設(shè)計(jì)一種新的雷達(dá)功率密度模型。結(jié)果顯示，對(duì)于S、C、X三類(lèi)波段，在近場(chǎng)區(qū)相對(duì)誤差均較大，而在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，計(jì)算值與真實(shí)值逐漸趨于接近，計(jì)算值和真實(shí)值擬合程度高，相對(duì)誤差較小。在模型的應(yīng)用中，某市區(qū)內(nèi)10個(gè)點(diǎn)位的平均功率密度都在限值之內(nèi)，平均值的波動(dòng)幅度在0.07W／m²到0.32 W／m²之間。在A(yíng)、B、C、D這4個(gè)市區(qū)的電磁輻射監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比中，B市的功率密度最大，10個(gè)點(diǎn)位的平均功率密度為3.45 W／m²，已經(jīng)嚴(yán)重超出了標(biāo)準(zhǔn)限定值。而A市的功率密度也較大，平均功率密度為0.37 W／m²，接近標(biāo)準(zhǔn)限定值。需要對(duì)A市與B市投入持續(xù)的關(guān)注，采取措施降低環(huán)境中的電磁輻射。