雷达运行时, 发射机通过旋转抛物面天线向天空发射脉冲探测信号, 其峰值功率达数百kW, 使空中天线主射方向的电磁辐射场强增高, 从而产生电磁辐射污染。

1 基本概念

新一代天气雷达分为K波段、C波段、X波段、S波段雷达, 其天线扫描的运行方式有三种:平面位置扫描(PPI)、距离高度扫描(RHI)、体积扫描(VCP)。PPI扫描时天线仰角固定, 方位角作0~360°的环扫, 扫描速度通常设定在12°/s左右。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, 扫描的范围为0~30°, 扫描速度约为2°/s。体积扫描(VCP)由一组不同仰角的PPI扫描组成, 仰角数可选为9~14个甚至可以选为20个, 雷达运行一次体积扫描的时间约为6 min左右或更长一些, 主要由选定的仰角数来确定。

2 技术参数

以云南某CC型新一代天气雷达系统为例来进行电磁辐射环境影响的定量计算, 其采用C波段多普勒雷达系统VCP扫描。

3 电磁辐射影响定量分析

本例雷达是在0.5°~19.5°之间连续作不同仰角上的PPI扫描。这时, 随着仰角的不断提高, 地面上某一点所受的辐射逐渐要比前一个仰角PPI扫描时候小的多。起始仰角0.5°是对周边地面辐射环境影响最大的角度, 因此将其作为重点考虑进行预测的角度。本例完成0.5°仰角上全部扫描时间为32 s。

3.1 远、近场划分

雷达站微波电磁场的辐射区域分为近场区和远场区。根据天线波束形成理论^[1], 以离辐射源D2/λ的距离作为近、远场区的分界, 其计算公式如下

(1)

式中:R-近、远场区分界距离(m); D-天线的直径(m); λ-波长(m)。

本例, 雷达天线的直径为4.5 m, 发射微波波长为0.056 m, 计算可知对于该雷达的近、远场区分界距离为362 m, 即以发射天线为中心362 m范围内为近场区, 以外为远场区。

3.2 近场区预测公式

采用由《辐射环境保护管理导则-电磁辐射监测仪器和方法》^[2](HJ/T 10.2- 1996)规定的公式计算。

(2)

式中:P_dmax-最大功率密度, W/m²; P_T-送入天线净功率, W; S-天线实际几何面积, m², S=πR²; R为天线半径, m。

3.3 远场区预测公式

采用《辐射环境保护管理导则-电磁辐射监测仪器和方法》^[2](HJ/T 10.2- 1996)规定的公式, 远场辐射功率为:

(3)

式中:P-雷达发射机平均功率(W); G-天线增益(倍数); r-预测点与天线轴向距离(m)。

3.4 时间占空比

该参数的选用关系到到最后能否更为合理的划定安全范围。近场区, 扫描天线时间占空比用η₁表示, 根据天线波束形成理论^[1], 在近场区雷达抛物面辐射出的电磁波假设为平行波束, 用平行波束在测点的驻留时间与扫描周期的比值为占空比, 波束驻留时间与测点距天线的距离有关, 且与近场区平行波束的宽度(近似等于天线的直径)有关。

(4)

式中:L-天线直径; dφ-给定距离上天线扫描区的边长。

远场区, 扫描天线时间占空比用η₂表示。此时考虑对地面辐射环境影响最大的角度即雷达在仰角0.5°进行0°~360°PPI扫描。

(5)

3.5 电磁辐射水平估算

近场区电磁辐射水平P_d(6min)max, 采用近场区预测公式与时间占空比的乘积:

远场区电磁辐射水平Pd (6min), 采用远场区预测公式与时间占空比的乘积:

4 主射方向安全距离的计算

根据《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)及《辐射环境保护管理导则电磁辐射环境影响评价方法和标准》(HJ/T10.3-1996), 该项目电磁环境公众照射标准限值为0.14 W/m², 将此限值带入上述预测公式来反推出主射方向上的安全距离。

计算后得出, 不考虑时间占空比的情况下主射方向达标安全距离r为2 155m;考虑占空比的情况下主射方向达标安全距离r为114 m; 综合考虑了时间占空比的情况下主射方向达标安全距离r为34 m。

可见计算方法的不同会导致主射方向上达标安全距离远近不一。此距离既要满足公众照射标准限值也要避免由于计算方法的不同而导致划定的范围过大而不够合理。本文只针对主射方向上安全距离的计算方法进行探讨, 除此之外, 还要考虑到瞬时辐射强度安全距离的计算以及雷达周围一定区域内建筑物高度限制的计算等。

5 结语

目前, 新一代天气雷达电磁环境影响的定量计算是该类型环境影响评价预测分析中的重点和难点。在选取计算方法的时候要尽可能的考虑到雷达运行的方式和影响的范围, 估算出一个比较合理的安全距离。有条件的情况下也应结合已建成的同类项目实际运行时的监测数据来类比和验证计算结果的合理性、可靠性, 从而更合理的设定安全距离。