1 天气霄达系统简介 1.1 组成及工作原理

新一代S波段多普勒天气雷达系统所选用的(CINRAD-SC型)雷达是世界上较先进的S波段多普勒雷达。由雷达子系统(RDA)、数据采集系统(RPG)、主用户处理子系统(PUP)、监控单元(UCP)、在线标校装置五个相对独立的子系统组成。雷达是利用目标(云雨等)对电磁波的反射现象来发现目标并确定其位置的，其中RDA子系统向天空发射信号，并接收反射信号，经信号处理、数据存档后, 通过光缆向RPG子系统传送基本数据的信息。RPG子系统收到RDA子系统传输的基本数据后，经一系列气象算法，形成七十几种固定的图形、图像和数字式气象产品，并存储基本数据和产品数据, 提供给PUP子系统。PUP子系统向操作人员提供对RPG子系统的产品请求、显示、存储和分配等。UCP子系统负责全机工作状态的监视和控制。

1.2 天气雷达设备参数

山东省某气象局天气雷达设备参数见表 1。

2 污染因素分析 2.1 室内设备污染因素分析

主要为柜机部分，包括发射机柜、接收机柜、监控机柜、调制机柜和电源柜等。这些设备在设计、制造时已采取了较好的屏蔽措施，正常运行时不会对周围环境造成电磁辐射污染。

2.2 室外设备的污染因素分析

主要为天线部分，包括收发天线、天线罩、天线座、馈线、铁塔等。在晴空时段里雷达是处于定时的间断的开机状态; 而在观测责任区内有降雨的时段内雷达是处于连续开机状态, 其峰值功率达750kW, 使空中天线主视方向的电磁辐射场强增高，从而产生电磁辐射污染。同时, 当发射信号在空中碰到某种障碍物，如云、冰雹、龙卷风等, 立即产生反射波，并且向四周传播，也可以使周围环境电磁辐射场强增高, 即对周围环境产生次级电磁辐射。

2.3 辐射污染特征及污染因子

雷达天线具有很强的方向性，辐射能量主要聚集在天线的主瓣, 主瓣波束宽度不大于1°, 因此雷达对环境的影响主要由天线主瓣引起，其污染因子为功率密度。

3 电磁辐射评价标准 3.1 标准限值

《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)第2条电磁辐射防护限值。职业照射:在每天8 h工作期间内，电磁辐射场的场量参数在任意连续6min内的平均值应满足表 2要求。公众照射:在一天24 h内，环境电磁辐射场的场量参数在任意连续6min内的平均值应满足表 2要求^[1]。

3.2 标准规定

《电磁辐射环境影响评价方法和标准》(HJ/ T10.3-1996)第4.1款规定^[3]:公众总的受照剂量包括各种电磁辐射对其影响的总和，即包括拟建设施可能或已经造成的影响，还要包括已有背景电磁辐射的影响。总的受照射剂量限值不应大于国家标准《电磁辐射防护规定》的要求。第4.2款规定:对单个项目的影响必须限制在《电磁辐射防护规定》限值的若干分之一。在评价时，对于由国家环境保护局负责审批的大型项目可取《电磁辐射防护规定》中场强限值的或功率密度限值的1/2。其他项目则取场强限值的或功率密度限值的1/5作为评价标准。因此，确定公众照射的电磁辐射评价标准功率密度为0.08W/m²。

4 新一代S波段多普勒天气雷达电磁辐射环境现状监测 4.1 监测项目

功率密度

4.2 监测布点

按照《辐射环境保护管理导则——电磁辐射监测仪器和方法》(HJ/T10.2-1996)^[2]的布设原则，以雷达天线为中心, 按间隔45°的八个方位布设8条测量线, 每条测量线上选取距天线地面投影点分别为30m、50m、100m、……、1km等地面不同水平距离布点测量，布设54个监测点位; 对架设天线的气象局办公楼、周围多层建筑的部分楼层垂直布点测量，布设13个监测点位。共计布设67个监测点位。

4.3 监测方法

依据《辐射环境保护管理导则——电磁辐射监测仪器和方法》(HJ/T10.2-1996)的要求进行, 监测位置离地面高度1.7m。在雷达正常工作时间内进行测量，每个测点连续测5次，每次测量时间不小于15s，并读取稳定状态下的最大值，若测量读数起伏较大时，则适当延长测量时间。

4.4 监测仪器

EMR-300电磁辐射分析仪, 测量频率范围100kHz~3GHz。

4.5 监测时段

上午8:30 ~ 11:00、下午：13:00~ 17:00。

4.6 雷达运行工况

监测时的运行工况见表 3。

4.7 环境条件

天气:晴。

4.8 监测结果

山东省某市新一代S波段多普勒天气雷达电磁辐射环境现状监测结果统计见表 4、表 5。

由表 4、表 5可以看出, 天气雷达周围地面水平环境和多层建筑物垂直环境中功率密度范围分别为(< 1.1 ~ 18.9)×10^-4W/m²和(< 1.1 ~ 117.3)×10^-4W/m²，均低于公众照射总的功率密度(0.4W/m²)和单个项目的公众照射功率密度(0.08W/m²)的标准限值。

5 新一代S波段多普勒天气雷达安全防护距离理论估算

新一代天气雷达天线扫描运行方式有三种^[4]:即平面位置扫描(PPI)、距离高度扫描(RHI)、体积扫描(VOL)。PPI扫描时, 天线仰角固定，方位角作0 ~ 360°环扫，RHI扫描时，方位角设定在某一位置上，天线的仰角自下而上扫描，扫描范围为0.5 ~30°, VOL扫描由一组不同仰角的PPI扫描组成。根据雷达运行方式，同时为便于定量分析, 将雷达电磁辐射的区间划分为三个区域，即主瓣方向区域(天线仰角0.5 ~ 30°, 方位角0 ~ 360°)、第一旁瓣区域(天线仰角0.5°至雷达中心水平线-10°区域)、远端旁瓣区域(雷达中心水平线-10°以下的区域)。理论估算按照最不利的运行条件情况下、估算辐射污染最重的区域的防护距离，即天线仰角0.5 ~ 30°, 方位角0 ~ 360°扫描状态下估算主瓣方向区域防护距离。

5.1 天气雷达主瓣方向功率密度估算 5.1.1 近场及远场电磁辐射区的划分

新一代S波段天气雷达采用圆抛物面型天线，天线辐射场分为近场和远场，近场为电磁波平(行)面波束区和平(行)面波束转换为锥形波束的过渡区，远场为锥形波束区。根据天线波束形成理论天线锥形波束形成的距离, 即近场和远场的分界点可用D²/λ~2D²/λ来估算，D为天线直径, λ为电磁波的波长，目前，一般将D²/λ作为近场远场的分界点，计算得近场远场的分界点即锥形波束形成的距离为r₀=701m。近场区平面波束区和平面波束转换为锥形波束的过渡区的分界点采用估算方法^[4]，设平行(面)波束估算的ρ与锥形波束估算的ρ相等的距离为r₁，r₁作为平行(面)波束考虑时的最大距离, 计算得r₁=338m。

5.1.2 功率密度估算

近场平行波束状况时，辐射的功率密度(ρ)可用式(1)来计算^[2-4]。

(1)

式(1)中ρ为功率密度, P'为天馈的平均功率，D为天线直径。功率密度ρ_{近场平行波束区}不随测点距离雷达距离的变化而改变，按照新一代S波段多普勒天气雷达天线的参数估算，天馈平均功率取700W, 天线直径取8.54m, 得ρ_{近场平行波束区}为12.2W/ m²。

远场锥形波束状况时，功率密度ρ可用式(2)来计算^[2]。

(2)

上式(2)中ρ为功率密度, P为雷达发射机的平均功率, G为天线增益倍数, r为测点距离雷达的距离。ρ随距离的增大而迅速减小，按照新一代S波段多普勒天气雷达天线的参数估算，得ρ_{远场锥形波束区}为2.7 × 10⁶/r²。

近场中平面波束转换为锥形波束的过渡区的功率密度难于估算, 但可认为其功率密度约大于ρ_{远场锥形波束区}，而不会超过ρ_{近场锥形波束区}。^[4]

综上所述，雷达主瓣方向功率密度分布情况见表 6。

5.2 天气雷达主瓣方向功率密度6min平均值估算

电磁辐射防护限值是以6min平均功率密度值计算，受照射点6min平均的辐射功率密度与雷达天线扫描运行方式有很大关系。因此引进占空比的概念，其中，受照射点的驻留时间与扫描周期的比值为平行波束下的占空比，波束驻留时间与测点距离天线的距离r/m有关, 与波束的宽度(近似等于天线的直径8.54m)有关。天线波束宽度与天线扫描方位角范围的比值δ为锥形波束下的占空比，天线波束宽度为1°, 天线扫描方位角范围为PPI为0~360°，RHI为0.5 ~30°。平行波束区和锥形波束区不同扫描方式的占空比见表 7、表 8。

根据雷达主瓣方向功率密度分布及不同扫描方式的占空比情况，对表 6中功率密度分布情况按照6min平均值进行计算, 即将表 6中的功率密度乘以表 7中相应扫描方式的占空比，计算结果见表 9。

5.3 天气雷达主瓣方向(工作区域)安全防护距离估算

按照《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)导出的电磁辐射防护限值要求，结合考虑《电磁辐射环境影响评价方法与标准》(HJ/T10.3-1996)中对单个项目取值的要求，职业照射功率密度为2(W/m²), 公众照射功率密度限值为0.08(W/m²), 估算雷达主瓣方向安全防护距离结果见表 10, 防护距离范围内建筑物限高估算结果见表 11，雷达主瓣方向防护要求示意图见图 1。

由表 11和图 1分析可知，距离雷达天线越近，限高越严格，在雷达天线附近不可建设比雷达天线本身高度还要高的建筑物，至1 060.7m处，允许的建筑物最大髙度为68.26m。

6 结论

通过对山东省某市新一代S波段多普勒天气雷达的现场监测和安全防护距离的理论估算可以看出，天气雷达产生的电磁辐射主要在天线附近，只要满足安全防护距离的要求，其电磁辐射水平处于国家规定的限值内，对公众和环境是安全的。因此无论是对拟建或已运行的雷达，都要根据雷达的技术性能指标、周围地理环境、建筑物规划布局，划定安全防护距离，避免对周围环境和公众造成不必要的伤害。