引言

中国气象局以提高我国突发暴雨、沿海台风和大江大河强降水预警等灾害性天气预报时效和准确为目的，将在全国布设新一代天气雷达网。目前我国已建成110部新一代天气雷达站，占全国拟建158部计划的73%。新一代多普勒天气雷达建址点电磁辐射环境影响正在引起人们的广泛关注。

国内外学者更多关注的是天气雷达在天气探测及预报服务方面的应用^[1-3]，对于雷达电磁辐射的环境影响分析的较少，葛润生^[4]对雷达电磁辐射分布做过一些分析，毕存德^[5]对雷达操作间进行过电磁辐射值的现状检测。分别对天气雷达电磁辐射环境影响作过分析并提出了一些防护措施。

为定量分析天气雷达电磁辐射环境影响，作者根据新一代多普勒天气雷达的主要性能参数，结合对安徽即将布点的三部新一代多普勒天气雷达环境评价工作的成果，理论推导其电磁辐射的分布情况，按照《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)和《电磁辐射环境影响评价方法和标准》(HJ/T10.3-1996)的要求，分析新一代多普勒天气雷达对环境的电磁辐射影响及安全防护距离的设定。这些结果对雷达布点站址选择及运行时的电磁防护有一定的参考价值。

1 新一代多普勒天气雷达运行参数

新一代多普勒天气雷达根据频率的不同，主要分为S波段和C波段两种，本文以S波段雷达为例进行分析，C波段分析方法相同。

新一代多普勒天气雷达天线扫描的运行方式有三种^[4]:平面位置扫描(PPI)、距离高度扫描(RHI)、体积扫描(VOL)。PPI扫描时天线仰角固定, 方位角作0~360°的环扫, 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, 体积扫描由一组不同仰角的PPI扫描组成。

2 天气雷达电磁辐射空间分布分析

根据雷达的运行方式，同时为了便于定量分析，可将雷达电磁辐射的区间分成三个区域，即主瓣工作区域(雷达天线仰角0.5~30°，方位角0~360°)，第一旁瓣电磁辐射污染区域(雷达中心天线仰角0.5°至雷达中心水平线-10°区域)，远端旁瓣电磁辐射影响区域(雷达中心水平线-10°以下区域)。

2.1 天气雷达主瓣方向功率密度分布

新一代天气雷达天线采用圆抛物面型, 用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形成锥形波束。根据天线波束形成理论, 天线波束形成的距离可用D²/λ~2D²/λ来估算, D为天线的直径, λ为电磁波的波长。

平面波束状况时, 辐射的功率密度(ρ)可简单的用雷达天线馈口的平均功率与平面波束的横截面积(相当于天线反射体的截面积)之比来计算^[4-5]：

(1)

式中：ρ为功率密度，P为天馈平均功率，D为天线直径。功率密度ρ不随测点距雷达距离的变化而改变。按新一代多普勒天气雷达天线的参数来估算, 天馈平均功率取700W，天线直径取8.54m，得ρ为12.2W/m², 在锥形波束形成后, 其主瓣方向最大的辐射功率密度ρ可按下式计算^[5-6]:

(2)

式中：r为测点距雷达的距离, P为天馈平均功率，G为天线增益倍数。ρ随距离的增大而迅速的减小。按照新一代多普勒天气雷达S波段的参数带入计算，可得ρ为1.4×10⁶/r²(W/m²)。

设平行波束估算的ρ与锥形波束估算ρ相等的距离为r₀, r₀可作为天线辐射的波束为平行波考虑时的最大距离, 即距雷达天线的距离r＜r₀时, 辐射波束的功率密度可视为固定值ρ₀，可算得r₀＝339m。

按D²/λ来计算锥形波束形成的距离，可得锥形波束形成距离为r₁＝681m

由此得出在雷达主瓣方向功率密度分布情况如表 3。

2.2 天气雷达主瓣方向(工作区域)电磁辐射影响分析

电磁辐射防护限值以6分钟平均功率密度值计算，受照射点6分钟平均的辐射功率密度ρ₆与雷达天线扫描运行方式有很大的关系。在受照射点距离大于锥形波束形成距离时, 引进占空比概念。可近似的用天线波束宽度与天线扫描方位角范围的比值δ来表示, 由此得出锥形波束下的占空比情况。

平行波束时, 估算6分钟平均的辐射功率密度也引入占空比的概念, 用平行波束在受照射点的驻留时间与扫描周期的比值为占空比,

根据雷达主瓣辐射的占空比以及辐射功率密度分布情况，对表 3中数据按照6分钟平均值进行计算，结果列于表 6。

按照《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)导出的电磁辐射防护限值的要求, 结合考虑《电磁辐射环境影响评价方法与标准》(HJ/T10.3-1996)中对单个项目取值的要求，职业照射功率密度限制为200(μW/cm²)，公众照射功率密度限制为8(μW/cm²)^[8-9]。

由此计算出要求防护的距离范围如表 7所示。

由此可推算雷达主瓣方向周边区域的防护要求，如图 1所示。

在图 1中，H＝766×sin(0.5)＝6.68m，L＝766×cos(0.5)＝765.97m

在雷达主瓣方向，766米范围内，建筑物必须要限制高度，距离雷达越近，限高越严格，在雷达塔楼附近不可建设比雷达塔楼本身高度还高的建筑物，至766米，限高为高于雷达天线中心位置水平线6.68米。

2.3 天气雷达第一旁瓣及远端副瓣电磁辐射污染区域

第一旁瓣及远端副瓣泄漏所产生的电磁辐射污染可按下式计算^[10]：

(3)

式中P取天馈平均功率700W，第一旁瓣污染区G取15dB，换算成倍数为31.6倍，远端旁瓣污染区G取4dB，换算成倍数为2.5倍，天线直径取8.54m，由此计算出第一旁瓣污染区ρ₁为1.76×10⁵/r² (μW/cm²)，远端旁瓣污染区ρ₂为1.39×10⁴/r²(μW/cm²)。

由此可计算出第一旁瓣污染区与远端副瓣污染区职业照射与公众照射下的防护距离(见表 8)。

第一旁瓣与远端副瓣电磁辐射污染区的防护要求，如图 2、3所示。

图 2中，H＝148×sin(10)＝26m, L＝148×cos(10)＝145m

由图可见，由于雷达天线的高度集中约束，功率集中在雷达主瓣方向(即天线工作区域)，旁瓣泄漏较小，第一旁瓣(水平方向0°至-10°区域)电磁辐射污染影响区间按公众防护要求最远为148m(与雷达天线罩中心水平轴线高差为26m)，远端副瓣(水平方向-10°以下区域)电磁辐射污染影响区间按公众防护要求最远为42m。

3 小结

(1) 在雷达主瓣方向(工作区域，仰角0.5~30°，方位角0~360°)，职业照射在1 00m以外满足电磁辐射职业防护限值标准，公众照射在766m外满足电磁辐射公众照射防护限值标准。

(2) 在雷达第一旁瓣区域(电磁辐射污染区，雷达中心天线仰角0.5°至雷达中心水平线-10°区域)在距离雷达水平距离145m, 与雷达高差低于26m以外的区域以外满足电磁辐射公众照射防护限值标准。

(3) 在雷达远端副瓣区域(电磁辐射污染区，雷达中心水平线-10°以下区域)与雷达中心距离8m外，满足电磁辐射职业照射防护限值标准，与雷达中心距离42m外，满足电磁辐射公众照射防护限值标准。