云南C波段新一代天气雷达电磁辐射影响研究

连晓雯，袁 信，杨卫洁

（1云南省生态环境工程评估中心 云南 昆明 650228）

（2云南省大气探测技术保障中心 云南 昆明 650034）

1 引言

云南省新一代天气雷达是气象安全和气象灾害风险防控的保障工程。天气雷达通过发射天线向空中发射一定频率的电磁波，然后由雷达的接收天线接收被气象目标反射回来的回波脉冲后，可以实现对天气现象的监测和预警。本文根据国家推荐的辐射场功率密度计算模型和环境影响评价工作中应用的功率密度预测模型，以云南某C波段新一代天气雷达为例，考虑雷达天线的方向性函数及电磁波传输过程中的损耗，对天气雷达站周围电磁环境进行评价，给出天气雷达站周围建筑物的限高，确保公众辐射环境安全。

2 天气雷达的系统组成

雷达系统包括天馈系统、发射系统、接收系统、信号处理系统、监控系统、伺服系统、数据终端系统，见图1。天馈系统将发射机输出微波能量定向辐射出去，并可以接收目标的反射信号（回波信号）；发射系统产生大功率射频脉冲信号；接收系统将天线接收到的回波信号进行放大、变频和检波等处理；信号处理系统对接收机输出信号进行处理和运算；监控系统对其他各分系统进行控制和状态检测；伺服系统驱动天线进行各种方式的扫描；终端系统是对信号处理器送出的数据进行进一步的处理并在显示器上进行显示。

图1 气象雷达系统结构图

3 天气雷达运行模式

雷达电磁辐射的影响区域主要是雷达天线的扫描区间。根据中国气象局《新一代天气雷达系统功能规格需求书》[1]规定，新一代天气雷达天线扫描的运行方式有3种：水平扫描（PPI）、垂直剖面扫描（RHI）、体积扫描（VOL）。参数见表1、表2。PPI扫描模式下，天线仰角固定，水平方向方位角做0°～360°的环扫。RHI扫描模式下，天线方位角固定，垂直方向-2°～30°往返扫描。VOL扫描模式下，由一组不同仰角的PPI扫描组成，扫描的仰角层设定最大为30个，雷达一个周期的扫描时间约为6 min。PPI和VOL扫描方式的影响区域是以雷达为中心一定距离的圆周区域，RHI扫描方式影响区域是雷达在垂直方向上固定仰角扫描范围的区域内[2]。云南某新一代气象雷达主要采用VOL扫描，观测模式为VCP21，扫描的仰角范围为0.5°～19.5°，0.5°仰角时该新一代气象雷达对周围环境产生的电磁辐射环境影响最大。

表1 新一代天气雷达C波段发射参数

表2 新一代天气雷达C波段天线参数

4 电磁辐射影响

4.1 电磁环境评价范围

功率＞200 kW的发射设备，其评价范围是以发射天线为中心、半径为1 km范围，如辐射场强最大处的地点超过1 km，则应在选定方向评价到最大场强处和低于标准限值处[3]。新一代天气雷达工作频率为5 300～5 700 MHz，发射机峰值功率250 kW。拟建站址位于海拔1 395 m的山顶，站址1 km范围内无高于该海拔的区域，辐射场强最大处的地点为1 km范围内最高点，未超过1 km，因此其评价范围为以发射天线为中心、半径为1 km的范围。

4.2 电磁环境评价因子及评价标准

电磁辐射标准执行国家规定，《电磁环境控制限值（GB8702-2014）》[4]规定了100 kHz以下频率，需同时限制电场强度和磁感应强度；100 kHz以上频率，在远场区，可以只限制电场强度或磁场强度，或等效平面波功率密度；在近场区，需同时限制电场强度和磁场强度。新一代天气雷达工作频率为5 300 MHz～5 700 MHz，因此在远场区，评价因子可只考虑等效平面波功率密度；在近场区，需同时考虑电场强度和磁场强度。

新一代天气雷达属于C波段，环境中电场、磁场应满足表3的要求。

表3 公众曝露控制限值

4.3 电磁辐射影响及建筑物限高

气象雷达的电磁环境影响主要考虑雷达扫描过程中发射的电磁波对周围公众的影响。天气雷达天线采用圆抛物面型，从雷达反射面辐射出的电磁波初为平行波束，传播一段距离后经相位干涉逐渐变成锥形波束。根据天线波束形成理论，将雷达天线电磁场的辐射区域分为近场区和远场区。近远场分界距离R见公式（1）。

式中，R为近、远场分界距离（m），D为天线的直径（m），为发射电磁波的波长（m）。西双版纳新一代气象雷达天线直径4.5 m，发射波长0.0526 m，近、远场分界距离为770 m。根据项目现场实际，以发射天线为中心770 m范围内为近场区。

在天气雷达建设项目环境影响评价中，近场区电磁环境达标区域主要通过类比方法确定。通过已建成运行的气象雷达周围电磁环境监测结果，经类比分析，低于雷达架设高度11.3 m的区域电场强度公众曝露控制限值均低于7.16 V/m。本天气雷达架设高度45 m，即低于33.7 m的近场区电场强度公众曝露控制限值均低于7.16 V/m。

气象雷达站远场区电磁环境影响预测通过计算功率密度Pd进行评价。Pd的计算见公式（2）。

式中，dP为远场轴向功率密度（W/m2），P为雷达发射机平均功率（W），G为天线增益（倍数），r为测量位置与天线轴向距离（m）。

本文对远场区电磁环境达标区域的划定通过结合雷达天线的方向性图，考虑雷达天线的方向性函数及电磁波传输过程中的损耗，用平均功率和峰值功率计算出水平达标距离。本天气雷达以VOL扫描为主，峰值功率为250 kW，最大平均功率为500 W，电磁波传输过程中的馈线发射总损耗为3.3 dB，天线增益为44 dBi。根据公式（2）、公式（3），远场区气象雷达主瓣方向功率密度6 min内的方均根值空间分布情况见图2，功率密度瞬时峰值空间分布情况见图3。

图2 VOL扫描模式下功率密度6min内的方均根值

图3 VOL扫描模式下功率密度瞬时峰值

远场区功率密度6 min内的方均根值均小于0.141 W/m2，功率密度瞬时峰值在主射方向1 286 m外均小于141 W/m2。因此，距雷达天线1 286 m外的所有区域均可以满足公众曝露限值。距雷达天线1 286 m以内的远场区，考虑天线方向性函数确定的建筑物高度限值见表4。

表4 建筑物限高 单位：m

建筑物高度满足表4所列限值时，天气雷达运行产生的电磁辐射对建筑物内公众影响均满足公众曝露控制限值要求，通过限高可以划定科学合理的防护区域。

5 结论

雷达天线在VOL扫描模式下，近场区通过类比分析，远场区通过理论计算得出低于雷达架设高度一定距离的区域其电磁辐射影响较小。在本案例天气雷达周边新建建筑物时，满足表4的限高要求下，公众受到的电磁辐射满足《电磁环境控制限值（GB8702-2014）》对公众曝露控制限值的要求，影响较小。