船舶交通管理系統雷達電磁輻射環境影響分析評價

林勇山 梁 波 張小亮

(江西省核工業地質局測試研究中心， 南昌， 330002)

船舶交通管理系統(VTS)在保障海域船舶航行安全和水域生態環境方面發揮了重要作用。VTS主要由雷達子系統、VHF通信子系統、信息傳輸子系統等組成。

VTS雷達運行期電磁輻射環境影響主要是雷達子系統和VHF通信子系統產生。VTS雷達工作頻率(9 375 MHz)處于超高頻范圍；VHF通信系統工作頻率(154.4～174 MHz)處甚高頻范圍。VHF通信基站的等效輻射功率為60.7 W，屬于豁免通信設備[1]。本文分析評價VTS雷達的電磁輻射環境影響。

1 VTS雷達技術參數

表1、表2分別列出了VTS雷達系統雷達天線和收發機的技術參數。

表1 VTS雷達系統雷達天線技術參數

表2 VTS雷達系統收發機技術參數

2 電磁環境評價標準

VTS雷達工作于超高頻波段，采用脈沖發射方式。根據國家標準GB 8702——《電磁環境控制限值》[1]表1：“100 kHz以上頻率，在遠場區，可以只限制電場強度或磁場強度，或等效平面功率密度；在近場區，需同時限制電場強度和磁場強度。對于脈沖電磁波，其功率密度的瞬時峰值不得超過限值的1 000倍，或場強的瞬時峰值不得超過限值的32倍”。以及環境行業標準《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》[2]4.2節規定：為使公眾受到的總的照射劑量小于GB 8702的規定值，對單個項目的影響必須限制在GB 8702限值的若干分之一。在評價時，對于由國家環境保護部負責審的大型項目可取GB 8702中場強限值的，或功率密度限值的1/2；其他項目則取場強限值的，功率密度限值的1/5作為評價標準。

根據以上規定計算，得出VTS雷達電磁環境評價的標準列于表3。

表3 VTS雷達電磁環境評價標準

3 電磁輻射環境影響

3.1 VTS雷達近場區、遠場區區域劃分

VTS雷達天線電磁輻射區分為近場區和遠場區。近場區電場和磁場沒有固定關系，遠場區則隨著距離呈規律性變化。根據天線波束形成理論中遠近場的分界計算公式[3]：

r=D2/λ

(1)

式中，r為遠近場分界距離，m；D為天線為最大口徑，m；λ為輻射源工作波長，m。

將VTS雷達相關參數代入式(1)，得VTS雷達天線電磁輻射區近場區、遠場區分界計算結果列于表4。輻射區分界如圖1所示。

圖1 VTS雷達天線近場、遠場區分界示意圖

3.2 VTS雷達源強

脈沖雷達天線輻射平均功率等于發射機輻射脈沖功率與脈沖寬度和脈沖重復率的乘積。按最大脈沖寬度(1 000 ns)及最大脈沖重復率(4 400 Hz)條件計算，VTS雷達最大平均輻射功率為：

P平均=25 kW×(1 000 ns)×4 400 Hz=110 W。

VTS雷達脈沖發射功率25 kW，最大平均輻射功率110 W，系統傳輸損耗-3 dB，雷達天線增益35 dB，則脈沖峰值等效輻射功率：

最大平均等效輻射功率：

3.3 場強瞬時峰值及平均場強計算

由于近場區屬于感應場，場與發射源、與作用對象之間存在著能量交換以及電磁波相位干涉相消的情況，對于矩形縫隙天線的近場區的電磁影響尚未有合適的預測方法，故采用遠場軸向預測模式估算VTS雷達近場區的場強值。

3.3.1場強瞬時峰值

根據VTS雷達工作模式及遠場區功率密度、電場強度、磁場強度計算公式[4]：

(2)

式中，p峰值為功率密度瞬時峰值，W/m2；P為脈沖發射功率，W；G為天線增益，倍數；r為計算點與天線軸向距離，m。

(3)

式中，E為電場強度，V/m；p為功率密度，mW/cm2；3763.6為電場強度(V/m)與功率密度(mW/cm2)的自由空間本征阻抗。

(4)

式中，H為磁場強度，A/m；p為功率密度，mW/cm2；37.636為磁場強度(A/m)與功率密度(mW/cm2)的自由空間本征阻抗。

計算得VTS雷達天線近場區軸向不同距離的功率密度、電場強度、磁場強度瞬時峰值結果列于表5。

表5的計算結果表明，VTS雷達天線軸向51 m以遠的瞬時峰值能同時滿足標準近場區電場強度681.6 V/m和磁場強度1.824 A/m的要求。

3.3.2平均場強

考慮VTS雷達掃描的相關參數，根據遠場區軸向功率密度、電場強度、磁場強度計算公式[4]：

(5)

式中：p平均為功率密度平均值，W/m2；P平均為平均發射功率，W；G為天線增益，倍數；r為預測點與天線軸向距離，m；ηS=0.0013為掃描占空比。

得VTS雷達天線近場區軸向不同距離的平均功率密度、平均電場強度、平均磁場強度計算結果列于表6。

表6的結果表明，VTS雷達天線軸向9 m以遠的平均場強能同時滿足近場區電場強度9.57 V/m和磁場強度0.025 A/m的單個項目評價標準要求。

3.3.3達標距離

根據上述計算結果，按最大值考慮，VTS雷達天線軸向51 m為水平達標距離。

3.4 垂直達標距離

VTS雷達天線仰角為0°，主瓣垂直波束寬度為19°。保守考慮，對處于垂直波束寬度范圍的垂直電平取0 dB，處于垂直波束寬度范圍之外的垂直電平取-3 dB。將各垂直角度范圍內垂直電平值及參數代入式(6)：

(6)

式中，d為垂直達標距離，m；L為水平達標距離，m；φ=19°為主瓣波束寬度。

表5 VTS雷達天線軸向不同距離功率密度、電場強度、磁場強度瞬時峰值計算結果

表6 VTS雷達天線軸向平均電場強度及磁場強度計算結果

得VTS雷達天線垂直達標距離列于表7。

3.5 達標區域

VTS雷達天線電磁輻射環境影響達標區域范圍如圖2所示。

4 評價結果

(1) VTS雷達天線軸向51 m以遠區域的場強瞬時峰值同時滿足《電磁環境控制限值》[1]中規定的電場強度瞬時峰值限值(681.6 V/m)與磁場強度瞬時峰值限值(1.824 A/m)要求。

(2) VTS雷達天線軸向9 m以遠區域的平均場強同時滿足《電磁環境控制限值》和《輻射環境保護管理導則 電磁輻射監測儀器和方法》[2]中規定的單個項目電場強度限值(9.57 V/m)、磁場強度限值(0.025 A/m)要求。

圖2 VTS雷達達標距離范圍圖

(3) VTS雷達水平達標距離(距雷達天線)為51 m；垂直達標距離0°～9.5°范圍為9 m，9.5°～90°為6 m。