昆明長水機場C波段多普勒天氣雷達站電磁輻射安全性分析

昆明長水機場C波段多普勒天氣雷達站電磁輻射安全性分析和勁波【摘要】根據(jù)有關電磁輻射的標準，以昆明長水機場C波段多普勒天氣雷達站為對象分析雷達在PPI、RHI、VOLT作模式下的電磁輻射特性，估算主瓣、第一旁瓣及遠端副瓣電磁輻射量值分布和防護范圍，并提出了其電磁輻射的管理措施及防護建議.【期刊名稱】《氣象水文海洋儀器》【年(卷)，期】2016(033)002【總頁數(shù)】5頁(P52-56)【關鍵詞】天氣雷達;電磁輻射;安全性;分析【作者】和勁波【作者單位】民航云南空中交通管理分局氣象臺，云南650200【正文語種】中文【中圖分類】TN959.4昆明長水機場C波段天氣雷達站位于機場飛行區(qū)西南側(cè)東大村的一撮云山頂，距離昆明長水機場直線距離8.7km,海拔2336m。雷達系統(tǒng)采用多普勒、全相參、雙偏振技術體制，是四創(chuàng)電子公司研制生產(chǎn)的新一代多普勒天氣雷達［1,2］。由于天氣雷達為高功率的電磁輻射設備，電磁輻射強度已超過有關規(guī)范規(guī)定免于管理的限值，且過量的電磁輻射會對人體健康造成傷害，需對其電磁輻射安全性進行評價、分析。本文首先依據(jù)《電磁輻射防護規(guī)定》［3］(GB8702-88)等國家標準確定電磁輻射安全分析標準及范圍要求，在此基礎上根據(jù)該天氣雷達的主要性能參數(shù)，分析其電磁輻射場量參數(shù)，推導雷達在PPI、RHI、VOL工作模式下的電磁輻射特性，估算出雷達電磁輻射對周圍環(huán)境的影響和防護范圍。1.1電磁輻射安全分析標準《電磁輻射防護規(guī)定》對100kHz-10GHz頻率范圍內(nèi)的射頻設備的安全分析標準進行了規(guī)定，輻射安全限值分為公眾照射與職業(yè)照射標準，其中公眾照射限值規(guī)定為在1天24h內(nèi)，任意連續(xù)6min按全身平均的比吸收率(SAR)應小于0.02W/kg;職業(yè)照射限值規(guī)定為在每天8h工作期間內(nèi)，任意連續(xù)6min全身平均的SAR應小于0.1W/kg。同時根據(jù)《電磁輻射環(huán)境影響評價方法與標準》[4],為使公眾受到總照射劑量小于GB8702-1988的規(guī)定值，對于單個項目的影響必須限制在限值的若干分之一以內(nèi)。根據(jù)昆明長水機場C波段天氣雷達站項目情況，本文中場強限值取GB8702-1988規(guī)定限值的，功率密度限值取該規(guī)定限值的昆明長水機場天氣雷達工作頻率為5370MHz，則電磁環(huán)境安全分析標準及導出限值如表1、表2所示。對于一個輻射體發(fā)射集中頻率或者存在多個輻射體時，其電磁輻射的場量參數(shù)在任意連續(xù)6min內(nèi)的平均值之和，應滿足(1)式要求：電磁環(huán)境安全分析范圍在《電磁輻射環(huán)境影響評價方法與標準》中對電磁輻射環(huán)境安全評價分析范圍進行了界定，功率大于200kW的發(fā)射設備須對以天線為中心、半徑為1km的范圍進行評價分析，如輻射場強最大處超過1km，則應在選定方向評價到最大場強處和低于標準限值處；其他陸地發(fā)射設備，評價分析范圍以天線為中心：發(fā)射機功率＞100kW時，半徑為1km;發(fā)射機功率＜100kW時，半徑為0.5吊。對于有方向性天線，按天線輻射主瓣的半功率角內(nèi)評價到0.5km,如高層建筑的部分樓層進入天線輻射主瓣的半功率角內(nèi)，應選擇不同高度對該樓層進行室內(nèi)或室外的場強測量。昆明長水機場天氣雷達站發(fā)射機脈沖峰值功率＞250kW,其電磁輻射環(huán)境安全分析范圍為以天線為中心、半徑為1km的區(qū)域。2.1雷達站電磁輻射源分析天氣雷達站電磁污染源分為室內(nèi)設備和室外設備電磁污染源。室內(nèi)設備電磁污染源主要為系統(tǒng)機柜，包括發(fā)射機、接收機、監(jiān)控機、調(diào)制機和電源等機柜。這些設備在設計時已按輻射安全標準設置了對應的屏蔽措施，在昆明長水機場天氣雷達站建設時又對機房敷設了六面屏蔽網(wǎng)，故正常運行時不會對周圍電磁環(huán)境產(chǎn)生不利影響。室外設備電磁污染源主要為天線的射頻輻射，也是系統(tǒng)電磁輻射安全分析的主要對象。在晴空條件下雷達處于定時的間斷開機狀態(tài)，而在有降雨等天氣狀況時段內(nèi)處于連續(xù)開機狀態(tài)，其脈沖功率大于250kW，使空中天線主視區(qū)的電磁輻射場強增高，從而產(chǎn)生電磁輻射污染。同時，當電磁波在空中碰到如云、冰雹等障礙物時即產(chǎn)生反射波，且向四周進行散射輻射，可使周圍電磁輻射場強少量疊加增高，對周圍環(huán)境產(chǎn)生次級電磁污染。從以上可以看出，雷達天線是主要的電磁污染源。電磁輻射安全影響分析根據(jù)雷達運行方式，同時為了便于定量分析，可將雷達電磁輻射的區(qū)間分為3個區(qū)域：主瓣工作區(qū)域（天線仰角-2。一90。，方位角0°—360°）;第一旁瓣輻射區(qū)域（雷達中心天線仰角-2°至-10。）；遠端副瓣輻射區(qū)域（雷達中心水平線-10°以下區(qū)域）。2.2.1主瓣方向電磁輻射安全影響分析計算長水機場一撮云氣象雷達站采用圓拋物線型天線，天線輻射場分為近場和遠場。近場為電磁波平面波束和平面波束區(qū)轉(zhuǎn)化為錐形波束的過渡區(qū)，遠場為錐形波束區(qū)。根據(jù)天線波束形成理論，近場和遠場的分界點即錐形波束形成的距離可按公式（2）進行計算。根據(jù)設計參數(shù)，雷達系統(tǒng)天線直徑為4.35m,電磁波波長按0.056m計，計算得R0”338m。平面波束狀況時，功率密度不隨雷達距離的變化而變化，因此設平面波束估算的功率密度與錐形波束估算的功率密度相等的距離作為平面波束考慮時的最大距離R1，即近場區(qū)平面波束區(qū)和平面波束轉(zhuǎn)換為錐形波束的過渡區(qū)的分界點的距離，根據(jù)公式(3)、(4)計算，該距離R1必163m。近場平面波束狀態(tài)時，輻射功率密度可簡單的用雷達平均發(fā)射功率除以平行波束的截面積(相當于天線反射面的截面積)來計算，則輻射的功率密度可按(3)式進行計算:根據(jù)雷達系統(tǒng)參數(shù)，取峰值功率250kW并依據(jù)脈沖占空比計算發(fā)射機平均功率。雷達二種工作模式，分別為(1us脈寬/1000Hz重復頻率；2us脈寬/300Hz重復頻率)，其分別為250W、150W。雷達天線直徑為4.35m。計算得到p1的最大值為16.8W/m2。對遠場錐形波束區(qū)，功率密度可按(4)式計算：根據(jù)雷達參數(shù)，取大值250W，天線增益取45dB,饋線損耗取1.5dB,轉(zhuǎn)換為增益倍數(shù)G?22387.2，計算得到p2為4.5x105/r2。近場中平面波束轉(zhuǎn)換為錐形波束的過渡區(qū)域其功率密度難于估算，但其大于p2,但小于p1。得本雷達站主瓣方向功率密度分布情況如表3所示。根據(jù)《電磁輻射防護規(guī)定》，電磁輻射的防護限值是以6min平均功率密度值計算的，而受照射點6min輻射功率密度與雷達天線掃描方式有關。本天氣雷達系統(tǒng)掃描方式為平面位置掃描(PPI)、距離高度掃描(RHI)、體積掃描(VOL)3種。掃描方位角范圍：PPI為0~360°;RHI為固定方向的0.5~30。仰角范圍；VOL是在不斷提高的仰角上連續(xù)做6~20個PPI。所以VOL的輻射照射量是雷達天線連續(xù)以0。仰角做PPI的1/6~1/20。為計算6min平均功率密度，須考慮波束掃描的占空比，即照射收受點的駐留時間與掃描周期的比值，波束駐留時間與距離天線的距離及波束寬度(近似等于天線直徑)有關?？傮w上天線波束寬度與天線掃描方位角總量(如PPI為360。、RHI為30°)的比值為錐形波束的占空比。平面波束區(qū)和錐形波束區(qū)不同掃描方式下的占空比見表4。根據(jù)雷達主瓣方向功率密度分布及不同掃描方式的波束掃描占空比情況，對表3中的功率密度乘以波束掃描占空比，其計算結果見表5。2.2.2第一旁瓣及遠端副瓣電磁輻射安全影響理論分析計算第一旁瓣及遠端副瓣所產(chǎn)生的電磁輻射可按(5)式計算：式中各參量定義同(4)式。同樣取250W，第一旁瓣天線增益取14.5dB(28.2倍)；遠端旁瓣天線增益取3.5dB(2.2倍)。因此，距離天線中心r處的第一旁瓣影響區(qū)域功率密度為561.3/r2，遠端副瓣影響區(qū)功率密度為43.8/r2(W/m2)。3.1電磁輻射防護距離建議根據(jù)表2的雷達站電磁輻射安全分析導出的職業(yè)和公眾照射限值要求，結合表5并進行數(shù)值擬合，計算得到一撮云天氣雷達站主瓣方向輻射防護距離見表6，第一旁瓣及遠端副瓣防護距離見表7，建議采用的防護距離在計算結果上考慮適當冗余。電磁輻射安全影響分析職業(yè)照射方面：從平面布局情況看，長水機場天氣雷達站監(jiān)控室距離雷達塔僅10m，小于主瓣和第一旁瓣職業(yè)照射防護距離。但天氣雷達天線架設高度約20m，值班用房、監(jiān)控室高度為7.2m，高差約13m，如圖1所示。垂直方向未處于主瓣和第一旁瓣電磁輻射影響區(qū)域內(nèi)。對于遠端副瓣的輻射影響，因監(jiān)控室已采用6面金屬網(wǎng)進行了電磁屏蔽，且已處于7.8m的職業(yè)照射限值范圍之外，所以輻射影響遠在安全限值之下，可忽略。雷達站職工宿舍距離雷達塔約90m，大于主瓣、第一旁瓣、遠端副瓣職業(yè)照射防護距離，不受主瓣、第一旁瓣、遠端副瓣的電磁輻射影響。公共照射方面：天氣雷達站西北側(cè)約450m處為一〃農(nóng)家樂”，西北面約870m處為東大村，處于雷達站電磁輻射安全分析范圍內(nèi)。但是由于距離較遠，均位于建議的公眾照射防護距離之外。在不考慮高度差情況下計算，該農(nóng)家樂處脈沖密度瞬時峰值約為0.074W/m2，東大村處脈沖密度瞬時峰值約為0.020W/m2，遠小于《電磁輻射防護規(guī)定》中規(guī)定的導出限值，滿足該規(guī)定的安全性要求。同時，由于該農(nóng)家樂和東大村與雷達站高度差較大，正常情況下不在天線掃描范圍內(nèi)。因此，一撮云天氣雷達站對周圍公眾生活區(qū)的影響滿足公眾照射安全性要求。民航的高速發(fā)展導致機場飛行區(qū)及其周邊區(qū)域通信、導航、雷達設備越來越密集，電磁輻射安全也越來越受到重視。多普勒天氣雷達是機場航空氣象保障必不可少的安全運行系統(tǒng)設備，其作為大功率的電磁輻射源，在選址、建設、運行期間均須對電磁輻射安全性進行必要的分析評價，并采取相應的防護、保護措施。距離防護距離防護是通過計算確定電磁輻射體對周圍電磁環(huán)境的影響程度，以電磁輻射安全目標值為基準劃定防護區(qū)，是防止電磁輻射體對居民環(huán)境及設備保障人員電磁污染最經(jīng)濟、簡便的方法。昆明長水機場天氣雷達站在選址初期對臺址進行了可行性研究，對電磁輻射距離防護進行了合理、全面的考慮。所選站址在周圍10km內(nèi)為最高山頂，站址處為無人居住區(qū)，人員活動極少；其最近居民區(qū)東大村距雷達站水平距離大于500m，比雷達站天線低180m以上，且天氣雷達主要是探測天氣系統(tǒng)目標，天線具有一定的仰角(仰角0°以上工作)，對雷達站周圍活動的人員無有害輻射。源頭控制嚴格按照標準、規(guī)范進行雷達系統(tǒng)的設計和建設，規(guī)范設備選型，通過采取屏蔽、接地、濾波和輻射吸收等技術手段降低發(fā)射設備漏能。昆明長水機場天氣雷達系統(tǒng)按照國家標準嚴格設計和測試，在電磁輻射的安全性上進行了系統(tǒng)的三級電磁屏蔽(機柜屏蔽、分機屏蔽、組件或模塊屏蔽)設計，確保雷達系統(tǒng)電磁能量的低泄漏，滿足對站內(nèi)操作值守人員的電磁輻射安全防護要求。同時采用高穩(wěn)定頻率發(fā)生器激勵發(fā)射機，采用高要求前級脈沖整形器，頻譜純凈、無帶外雜波。⑶管理措施雷達站應建設圍欄或圍網(wǎng)，限制非工作人員進入；在雷達站周邊大于400m范圍設置危險警示標識；加強電磁輻射安全方面的科普教育和宣傳解釋工作，尊重公眾的知情權，消除公眾的心理顧慮；定期監(jiān)測雷達天線在公眾環(huán)境中的電磁輻射水平，以保障公眾電磁輻射暴露低于相應的電磁輻射安全管理目標值。(4)職業(yè)防護除上述距離防護、設備低漏能等措施外，在設備維護操作人員電磁輻射防護方面，在臺站布置上還應將人員的日?；顒訁^(qū)適當遠離發(fā)射設備。必要時配備輕便、舒適、效果良好的屏蔽服、防護眼鏡等用具。并且要求工作環(huán)境保持通風良好、干燥，以免在濕熱環(huán)境中輻射反應加劇。同時，