天氣雷達站電磁環境影響監測研究

關鍵詞：天氣雷達站；電磁輻射；發射天線；功率密度模型

中圖分類號：X837 文獻標志碼：B

前言

電磁輻射污染是指由電磁波傳播產生的電磁輻射，對環境和人體健康造成的負面影響。近代天氣雷達正常運轉時，不停向周圍環境發射電磁波并接收回波，使雷達站附近形成高頻的電磁場。高頻電磁場可能會產生電池輻射，當環境中電磁場強度超過一定限值時，就會對人體產生潛在的危害，如引起電磁敏感癥狀、影響生殖健康、增加癌癥風險等。此外，電磁輻射也可能對其他設備的正常運行產生干擾，如無線通信、雷達等系統。宋欣蔚等人對北京市中心商區射頻電磁環境進行測試與分析，通過空間插值方法對測試數據進行處理，從而得到測試區域的射頻電磁環境空間分布地圖；Zeng Y等人對天氣雷達的研究主要是天氣探測及服務方面，基于雷達觀測空間中截斷誤差樣本的方法，近似由未解析尺度和過程引起的表示誤差；然而，上述方法對天氣雷達造成的電磁輻射影響分析相對較少。為此，研究創新性引入發射天線的方向函數，設計一種新的雷達功率密度模型。通過考慮電磁波的傳播損耗與影響因素，可以更真實地反映雷達輻射對周圍環境的影響。有助于確保天氣雷達站的正常運行，并減少對周圍環境的不必要的電磁輻射，防止電磁輻射污染對其產生不利影響。

1天氣雷達站電磁環境影響監測方法

1.1電磁輻射的危害性影響與評價標準

在設計電磁輻射監測模型前，首先對電磁輻射對環境的危害進行了解，再對環境電磁輻射的評價標準進行分析。電磁波的傳播形式，見圖1。

如圖1所示，電磁輻射是由同向振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式傳遞動量和能量，傳播方向垂直于電場與磁場構成的平面。電磁波沿著某一個平面像水波紋一樣向四周傳播。電磁輻射主要對環境產生三種影響。第一類，對人體的健康造成嚴重的危害，可能會產生熱效應危害與非熱效應危害，長期受到外界電磁波的干擾，可能會破壞正常的循環機能。第二類，電磁輻射是指電磁波形成的電磁干擾，這種干擾會對周圍的電場造成影響，從而干擾各類電子儀器。這種電磁輻射對電子儀器的影響可能會導致電子儀器性能異常，甚至出現癱瘓等情況。這種電磁輻射對周圍環境中電子設備的正常運行產生嚴重影響，對人們的生產、生活造成極大的不便和損失。第三類電磁輻射可能會對武器彈藥和易燃易爆物品產生影響，導致引燃引爆等危險情況。這種輻射可能會對周圍環境造成極大的破壞，甚至危及到附近居民的生命安全，引發恐慌情緒。為了減少電磁輻射產生的危害，需要采取嚴格的法規與措施監測環境中的電磁輻射，依據《電磁輻射防護規定》中的規定，在一天內，選取任意6 min對環境中的電磁輻射參數進行監測，其平均值需要滿足導出照射限值。在頻率為30～3000階段，限值要求最為嚴格，功率密度為0.4W／m²，磁場強度為0.032 A/m，電場強度為12 V/m。

1.2環境中電磁輻射監測模型的構建

基于國家推薦的電磁輻射率密度理論計算模型，考慮雷達站真實工作狀態，并開展預處理。引入發射天線中的參數，設計更加準確的功率密度計算模型，監測電磁輻射。近場區的功率密度計算如式（1）所示。

式（9）中，y表示地面距天線下緣的距離；S_l表示公眾照射限值；P₁表示天線饋源輻射功率。構建雷達功率密度模型，對電磁波進行分析。S波段、C波段和X波段是無線電頻譜中的三個頻段，它們分別對應著不同的電磁波。S波段是超高頻（UHF）無線電頻譜中的一個頻段，頻率范圍約為2～4GHz。C波段是頻率范圍為4～8GHz的無線電頻段，也屬于超高頻（UHF）范圍。C波段的電磁波在大氣中的傳播相對穩定。X波段是頻率范圍為8～12GHz的無線電頻段，屬于高頻（HF）范圍。X波段的電磁波具有較高的穿透能力。這些波段在不同的應用領域中具有各自的特點和用途。設計天氣雷達站電磁環境影響監測方案，需要依據顯示場地進行合理布點。

布點的主要依據如下：首先，依據群眾反映建議布點在敏感點，比如醫院、養老院、學校等大量人員聚集的地方。其次，在天氣雷達站周圍容易收到信號的地方進行布置，例如衛星地球站、廣播電視發射臺等。再次，選擇在寬闊無遮擋的環境進行布點，避免建筑物、電線、樹木等的影響。依據布點提出監測方案，在雷達發射功率的基礎上，鎖定測量的區域，以雷達站為中心點，在四周設置8個方向的檢測線，每個范圍相隔45°。依據每一個方位路線的現場情形，在路線上選取不定距離的頂點測量，測量高度規定為1.6m，每一個測量點單次測量狀態會保持12 s及以上，測量6次，整體間隔測量時間為th。記錄整個測量過程中的最大值。然后測量輻射最大值的功率密度并記錄數據信息。最后，為了對架設發射天線進行監測，嚴格設置監測點在人員可活動的區域中，且探頭離地面的距離保持在1.7米左右。同時，對操作室與各個工作間進行監測，并將監測到的實時信息進行記錄。

2應用測試

2.1測試條件設置

為了驗證天氣雷達站在電磁環境影響下監測效果，依據HJ/T10.2-1996中的輻射管理導則制定具體布點原則。選用的功率密度監測所用儀器為NBM550電磁強度分析儀，頻率響應為0.1～3000 MHz的SRM 3000選頻測量儀。依據監測規則，選擇在上午8：00-10：30與下午14：00-18：00且無異常天氣的情況，進行電磁輻射監測。

2.2環境中電磁輻射監測模型的性能測試

為了驗證天氣雷達站在電磁環境下的測量精度和系統的穩定性，對其進行不同波段下的實測測試。對S波段、C波段、X波段進行檢測，并比較理論計算值與實際測量值。采用平面位置掃描（Plan Posi-tion Indicator，PPI）與距離高度掃描（Range Height Indicator，RHI）模式，天氣雷達周圍電磁場分布特征的監測數據及計算結果的對比曲線見圖2。

如圖2所示，無論是計算值還是真實值，顯示隨著距離的增加功率密度下降的趨勢，且研究算法與實測值的擬合程度高于熱傳感器法與電場強度法。對于S波，真實值與計算值都呈現隨距離拉長而降低的趨勢，在雷達天線的近場區，PPI掃描模式下計算值是真實值的20倍，而RHI掃描模式下計算值是真實值的32倍。對于C波段，在雷達天線的近場區，在PPI掃描模式下研究結果約是真實值的23倍，在RHI掃描模式下研究結果約是真實值的27倍。對于在X波段，在雷達天線的近場區，PPI掃描模式下的研究結果約為真實值的38倍，而RHI掃描模式下研究結果約為真實值的57倍。對于三類波段，在近場區相對誤差均較大，而在遠場區，計算值與真實值逐漸趨于接近，計算值和真實值擬合程度高，相對誤差較小。實驗結果驗證研究方法的適用性與優越性，說明研究構建的電磁輻射監測模型能夠對環境中的電磁波進行有效檢測監控。

2.3環境中電磁輻射監測模型的應用

為了進一步驗證研究監測模型的適用性，將其應用在某市10個位點中進行監測，2022年12個月份的電磁輻射結果見表1。

表1中，可以看出此市區內10個點位的平均功率密度都在限值之內，這一年平均值的波動幅度在0.07W/m²到0.32 W／m²之間。一月份到二月份的波動幅度較大，增長了190%。從6月到7月，功率密度大幅度下降，下降了78. 12%。功率密度較大的月份分別是2月、6月、8月、10月，它們的功率密度均超過了30%，靠近限度值，因此對于此地這幾個月份產生電磁輻射的原因需要特別關注，并積極地采取措施降低環境中的電磁輻射，將其控制在標準限值之內。繼續將此模型用于市區內的電磁影響監測，A、B、C、D這4個市區的電磁輻射監測結果對比情況見圖3。

如圖3所示，可以看出4個市區的電磁輻射情況均不相同，B市的功率密度最大，且波動幅值較大，10個點位的平均功率密度為3.45 W／m²，已經嚴重超出標準限定值。因此B市需要重點關注，采取強制措施，盡可能將電磁輻射降低。而A市的功率密度也較大，平均功率密度為0. 37W／m²，接近標準限定值，可以對A市投入持續的關注。而C市與D市的功率密度在一個較低的水平，說明其電磁輻射水平低，沒有給周圍環境帶來不良影響。實驗結果驗證模型的實用性，對于環境中的電磁輻射的監控有較好的效果。

3結束語

為了更加客觀、合理地監測和分析天氣雷達站對電磁環境的影響，基于發射天線的方向函數，設計一種新的雷達功率密度模型。結果顯示，對于S、C、X三類波段，在近場區相對誤差均較大，而在遠場區，計算值與真實值逐漸趨于接近，計算值和真實值擬合程度高，相對誤差較小。在模型的應用中，某市區內10個點位的平均功率密度都在限值之內，平均值的波動幅度在0.07W／m²到0.32 W／m²之間。在A、B、C、D這4個市區的電磁輻射監測結果對比中，B市的功率密度最大，10個點位的平均功率密度為3.45 W／m²，已經嚴重超出了標準限定值。而A市的功率密度也較大，平均功率密度為0.37 W／m²，接近標準限定值。需要對A市與B市投入持續的關注，采取措施降低環境中的電磁輻射。