民航空管雷達站電磁環境影響分析

張 磊 陳 茜 李少婷 趙文德

(1.中日友好環境保護中心，北京 100029;2.北九州市立大學，北九州 808－0135;3.湖北省輻射環境管理站，武漢 430070)

1 引 言

空管雷達對保證民航飛機安全飛行、航班正常、提高空中交通管制效率具有重要的作用，但民航空管雷達站的建設會增加環境中的電磁輻射水平，文章通過監測、預測，分析了建設雷達站對周圍電磁環境的影響。

2 雷達的概念

雷達的英文名為Radar(Radio Detection and Ranging)，其含義是指用無線電波方法對目標進行探測和測距，它是能發送和接收高頻信號的電磁系統。

2.1 空管雷達分類

一次監視雷達(primary surveillance radar，PSR)，簡稱一次雷達。通過自主發射電磁波并在接收端檢測到目標對電磁波的反射回波而獲得目標位置的電子系統。一次雷達不需要被監視者協同工作，是獨立監視的一種。一次雷達(PSR)對目標的基本測量參數是目標距雷達的距離和目標方位角，有些雷達還可以測定運動目標的相對速度。主要由發射機、接收機、天線、信號處理機和雷達顯示終端等部分組成。

二次監視雷達(secondary surveillance radar，SSR)，簡稱二次雷達。利用約定的詢問應答模式獲得合作目標的識別信息、位置和高度的電子系統。二次雷達需要被監視者協同工作，是協同監視的一種。二次雷達(SSR)由地面詢問機和機載應答機組成。

2.2 工作原理

雷達發射機向空間發射電磁波，電磁波遇到空中目標的反射后，一小部分能量被反射回接收機，地面雷達站接收到從目標反射回來的回波信號，如果它超過一定的門限電壓值，那就稱為探測到了或是發現了目標，根據往返時間可以算出目標的斜距;同時天線發射的扇形窄波束是和天線旋轉掃描同步的，因而在平面顯示器上就可以顯示出目標的距離和方位。這樣一次發射即可得出目標的距離和方位。雷達的基本任務是發現目標的存在以及測量目標的參數。

2.3 技術特點

(1)一次監視雷達

一次監視雷達(PSR)，作為航管系統的探測器之一，與二次監視雷達(SSR)相配合，可為航管系統提供飛機的距離、方位、識別和高度等重要數據。除此之外，PSR 還可為航管系統提供天氣情報，以及對應答器失效或未裝備應答器的小型飛機和私人飛機可以提供方位和距離等信息。因此，航管一次雷達仍然是當前的航管系統中的一個重要組成部分。

空中交通管制系統中使用的一次雷達按管制區的使用來劃分，一般可分為:航路監視雷達(ARSR);機場監視雷達(ASR);精密進近雷達(PAR)。

一次雷達的優點是可在雷達熒光屏顯示器上用光點提供飛機的方位和距離，不管飛機上是否裝有應答機，都能正確地顯示，故仍為空中交通管制不可缺少的設備。其缺點是不能識別飛機的代號和高度，且反射回波較弱，易受固定目標的干擾。

(2)二次監視雷達

航空交通信標系統(ATCRBS)或二次監視雷達(SSR)，是現代空管系統中的重要組成部分。

二次雷達由于使用詢問應答式的工作方式，相對一次雷達具有如下優點:機載應答機的回答頻率和地面詢問機的詢問頻率不同，且不靠接收反射的回波發現目標，避免了在一次雷達中常見的地物雜波和氣象雜波的干擾;由于目標的定位是靠兩次有源輻射，在同樣的探測距離上二次雷達的發射功率比一次雷達低得多，即同樣的發射功率，二次雷達輻射信號作用距離遠;二次雷達的詢問和應答信號都是經過編碼處理的，由于有了機載異頻收發機，可在雷達已有的功能中附加上一條數據鏈路，通過發射間距不同的脈沖對來傳遞信息，在測量飛行器高度和方位的同時，還可詢問其航班號或海拔高度，也可利用編碼信號交換豐富的信息。

目前二次雷達已成為空中交通管制中的主要探測器，因此在某些場站僅裝備二次雷達。

2.4 技術參數

雷達是一種通過輻射無線電波檢測是否存在目標的反射回波以及回波特性，從而獲取目標信息的探測裝置。天線作為空間能量轉換器和空域信號處理器是雷達必不可少的最重要分系統之一，雷達發射機發出的脈沖信號經雷達天線轉換、放大處理后向空間傳播，在環境中形成輻射場。天線的有關參數見表1。

表1 雷達天線相關參數

調查分析有關雷達資料，空管一次雷達的發射頻率2700MHz，脈沖峰值功率15kW;空管二次雷達的發射頻率1030MHz，脈沖峰值功率1.41kW;航空氣象雷達的發射頻率5400 ±30MHz，脈沖峰值功率250kW。

3 評價方法

3.1 評價標準

根據GB8702－88《電磁輻射防護規定》第2.2.2款公眾照射規定，在一天24h 內，環境電磁輻射場的場量參數在任意連續6min 內的平均值應滿足以下限值要求:一次雷達、二次雷達頻率范圍屬于30～3000MHz區間，功率密度為40μW/cm2;氣象雷達頻率范圍屬于3000～15000MHz 區間，功率密度為72μW/cm2。

環境管理限值執行HJ/T10.3－1996《輻射環境保護管理導則—電磁輻射環境影響評價方法與標準》第4.2 款規定，為使公眾受到的總照射劑量小于GB8702－88 的規定值，對單個項目的影響必須限制在GB8702－88 限值的若干分之一。評價時環境管理限值選取功率密度限值的1/2，即一次雷達、二次雷達為20μW/cm2，氣象雷達為36μW/cm2。

3.2 評價范圍

依據HJ/T10.3－1996《輻射環境保護管理導則—電磁輻射環境影響評價方法和標準》3.1.2 規定，發射機功率P＞100kW 時，評價范圍確定以天線為中心半徑為1km 的范圍;發射機功率P≤100kW 時，評價范圍確定以天線為中心半徑為0.5km 的范圍。

空管一次雷達最大功率為15kW，二次雷達最大功率為1.41kW，因此評價范圍確定以雷達天線為中心半徑為0.5km 的范圍，重點評價以雷達天線為中心半徑為0.1km 的范圍;氣象雷達最大功率為250kW，因此評價范圍確定以雷達天線為中心半徑為1km 的范圍，重點評價以雷達天線為中心半徑為0.5km 的范圍。

3.3 監測方法

西安咸陽國際機場內設置一、二次雷達站，版納機場內設置氣象雷達站，分別對以上臺站進行電磁環境現狀監測。

3.3.1 布點原則

(1)嚴格執行HJ/T10.2－1996《輻射環境保護管理導則－電磁輻射監測儀器和方法》和HJ/T10.3－1996《輻射環境保護管理導則－電磁輻射環境影響評價方法和標準》。

(2)客觀反映雷達站電磁環境實際情況，對其周圍環境保護目標、公眾場所、以及典型輻射體進行布點監測，通常選擇在距離臺站較近的居民區、醫院、學校等敏感區域。

(3)對敏感點進行監測時，應盡量避開其他電力設施、電話線、高層建筑物、樹木、金屬結構等可能影響監測數據的因素，盡量選擇空曠的地方，使監測結果具有代表性。

3.3.2 測量方法

在雷達站正常工作時間內進行測量。每個測點連續測5 次，每次測量時間不小于15s，并讀取穩定狀態下的最大值。若測量讀數起伏較大時，適當延長監測時間。

(1)一般環境測量:測量高度均為儀器探頭距地面(或立足點)1.7m 處，探頭(天線尖端)與操作人員之間距離不少于0.5m。

(2)典型輻射體監測:以輻射體為中心，按一定間隔角度選取多個方位為測量線，每條測量線上選取距場源分別30、50、100m 等不同距離定點測量。

3.3.3 監測儀器

監測儀器及參數詳見表2。

3.4 預測方法

以二次雷達預測為例，其余參照。

(1)二次雷達遠場軸向功率密度計算公式:

式中:P—雷達發射機平均功率;

G—天線增益(倍數)，G=10dBd=10(dBi－2.51)=305(根據表1，dBi=27);

r—測量位置與天線軸向距離，cm。

(2)雷達發射機平均功率的計算公式:

式中:κ—波形修正系數，假定雷達發射的脈沖是理想矩形波，則κ=1;

τ—脈沖寬度，τ=0.8 ×3=2.4μs;

f—脈沖重復頻率(Hz)，150～450Hz，取f=450Hz;

p—脈沖峰值功率，10000W。

(3)復合場強

式中:E—復合場強;

E1、E2…En—單個頻率的場強值。

(4)功率密度

式中:S—功率密度;

E—電場強度。

表2 監測儀器及參數

4 監測及預測結果

4.1 監測結果及分析

4.1.1 一、二次雷達站

西安機場一、二次雷達站周圍環境保護目標電磁環境監測結果見表3。

西安機場一、二次雷達站作為典型輻射體，對其進行電磁輻射污染源監測，結果見表4。

4.1.2 氣象雷達站

版納機場氣象雷達站周圍環境保護目標電磁環境監測結果見表5。

版納機場氣象雷達站作為典型輻射體，對其進行電磁輻射污染源監測，結果見表6。

表3 西安機場電磁環境監測結果

表4 西安機場一、二次雷達站電磁輻射污染源監測結果

表5 版納機場電磁環境監測結果

根據上述監測結果，總體上雷達站功率密度的大小隨著距離的增大呈明顯的下降趨勢，符合電磁波的衰減規律;一、二次雷達站、氣象雷達站所在區域電磁環境監測結果、電磁輻射污染源監測結果均符合HJ/T10.3－1996《輻射環境保護管理導則—電磁輻射環境影響評價方法與標準》中的公眾照射評價標準值的要求。

表6 版納機場氣象雷達站電磁輻射污染源監測結果

4.2 預測計算結果

以二次雷達為例，參照預測方法，預測計算結果見表7。

表7 二次雷達發射天線軸向功率密度預測結果

由表7 可知，二次雷達任意連續6min 功率密度在天線主瓣方向＜25.5m 和＜36m 的區域分別超過公眾限值40μW/cm2和單個項目電磁輻射影響限值20μW/cm2。

4.3 小結

根據各雷達站周圍環境保護目標電磁環境現狀監測結果、典型輻射體電磁輻射污染源監測結果、以及參數預測計算分析結果，評價范圍內的電磁環境均符合GB8702－88《電磁輻射防護規定》公眾導出限值和單個項目管理值的要求。

預測計算結果與各雷達站電磁輻射實測值對比分析發現，實測值相比預測值小很多，原因是電磁波在開放空間傳播過程中，考慮雷達位置、地勢、高差、障礙物等影響，實際存在諸多不可預見因素，因此，對雷達站運行是否安全可行，應以實測結論作為主要依據，模擬預測只是對實測值的補充說明。

5 污染防護措施

雷達管制是實施空中交通管制最有效關鍵的環節之一，雷達站是雷達管制的重要組成部分。為了保障民航運輸業的高速發展，迫切需要加強雷達站的建設。文文介紹了雷達系統，通過電磁環境現狀監測、參數預測，分析了建設雷達站對周圍電磁環境的影響，并提出以下污染防治措施:

第一，民航空管雷達站的選址應符合航路、機場的發展規劃，電磁環境良好且宜于控制，需避開城鎮的發展區域，有利于自身工作性能的充分發揮，并減少對周圍環境保護目標的影響。

第二，將電磁輻射環境管理納入民航項目管理體系，配備專業管理人員，制定和實施電磁輻射環境管理監測制度及計劃。

第三，按照國家電磁輻射防護有關規定，定期對設備進行檢修，以確保各項技術指標符合要求。

［1］中華人民共和國國家標準．電磁輻射防護規定．GB8702－88．

［2］中華人民共和國環境行業標準．輻射環境保護管理導則電磁輻射環境影響評價方法與標準.HJ/T10.3－1996．

［3］張尉．二次雷達原理．國防工業出版社，北京，2009．

［4］龐西通．淺談電磁輻射污染的環境監測與管理防護［J］．科學之友.2010(06)．

［5］高水生，蔡意，饒丹．成都區域管制中心電磁輻射環境影響分析與防護措施［J］．環境科學與管理，2010(10)．

［6］肖宇．我國民航雷達的變遷［J］．通信導航，2000(3)．