气象雷达环境影响评价的实践分析

气象雷达环境影响评价的实践分析

福建省辐射环境监督站 王春梅

[摘要] 以实际工作中接触过的雷达评价为例，通过对气象雷达工作原理的论述，分析气象雷达的环境影响评价过程，论述雷达评价过程中电磁辐射的环境影响评价方法，并提出评价过程中应注意的事项。

[关键词] 气象雷达电磁辐射 环境评价

雷达运行期电磁辐射主要来自雷达数据采集工序（简称“RDA”），RDA子系统包括天线、天线罩、发射机和接收机。在晴空时段里，雷达是处于定时、间断的开机状态；而在观测责任区内有降雨的时段内，雷达是处于连续的开机状态。雷达运行时，发射机在雷达信号处理定时单元送来的触发脉冲控制下，产生高功率的射频脉冲，经传输由旋转抛物面天线以平面波的形式定向向空中发射探测信号，通过传输由旋转抛物面发射使空中天线主视方向的电磁波场强增高。同时，当发射信号在空中碰到某种障碍物，如云、冰雹、龙卷风等，立即产生反射波，并且向四周传播，也可以使周围环境电磁波场强增高，即对周围环境产生次级电磁环境影响，但该电磁波贡献可以忽略。此外，雷达机房内设备，如发射机、馈线等，生产厂家已经对其进行了必要的屏蔽，再加上机房的屏蔽作用，电磁波向环境的泄漏量极小。因此雷达电磁波影响的污染工序是：运行时，天线向空间发射的电磁波，对周围环境产生电磁波影响。

1 气象雷达的工作原理

气象雷达主要设置雷达数据采集子系统（RDA）、雷达产品生成子系统（RPG）及主用户处理器子系统（PUP）等相关配套子系统。

气象雷达站主要采用CINRAD/CA气象雷达，该雷达是C 波段多普勒雷达。雷达主机总体结构主要由以下三个相对独立的子系统组成：数据采集系统 RDA（Radar Date Acquisition）；雷达产品生成子系统 RPG（Radar Product Generation）；主用户处理子系统 PUP（Principal User Processor）。

气象雷达主机三个子系统中的RDA子系统设置在高的楼顶上，主要包括发射机柜、接收机柜、伺服机柜和配电机柜。RPG和PUP两个子系统通过通信光缆连接。

RDA子系统向天空发射信号，并接收反射信号。然后，经信号处理、自动定标、数据存档等自动操作程序后，通过光缆向RPG子系统传送基本数据的信息。

RPG子系统收到RDA子系统传输的基本数据后，经一系列气象算法，形成固定的图形、图像和数字式气象产品，并存储基本数据和产品数据，提供给PUP子系统。

PUP子系统向操作人员提供对RPG子系统的产品请求、显示、存储和分配等。

2 电磁辐射评价标准及评价范围

2.1 电磁辐射评价标准

根据《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)的标准：①气象雷达的发射频率在5300～5725MHz范围内，在此频率范围内，公众的电磁辐射限值为，在任意连续6分钟内功率密度的平均值小于0.71 W/m2。

②规定中4.4.3条，在对辐射水平进行评价时，对于一个辐射体发射几种频率或存在多个辐射体时，其电磁辐射的场量参数在任意连续6 min内的平均值之和，应满足下式：

L

j i

j i

j

i

B

A

,,

,

∑

∑≤1

式中：A i,j—第i个辐射体j频段辐射的辐射水平；B i,j,L—对应于j频段的电磁辐射所规定的照射限值。对于城市电磁辐射源，其一般频率范围在30~3000MHz，在该频段的公众照射功率密度限值为0.4W/m2。

为使公众所受辐射低于上述限值，并为其它建设项目留出电磁辐射环境容量，对单个项目的影响必须限制在限值的若干分之一。对于项目为地方环保局负责审批的项目，取GB8702-88中场强限值的1/5作为评价标准：0.142W/m2。

2.2 评价范围

依据《辐射环境保护管理导则——电磁辐射环境影响评价方法与标准》（HJ/T10.3-1996）第3.1.2款的规定，发射机功率＞100kW时，评价范围为以天线为中心的半径1km区域。

该雷达发射机的峰值功率为250kW，因此本项目电磁环

境影响评价范围为：以发射天线为中心，半径1km 区域。

3 辐射环境质量现状

一般情况为了解项目拟建址以及周围的电磁环境背景，评价单位均需对拟建地块周围进行电磁环境背景水平现场测量。

3.1 监测项目及测点布置

监测布点依据《电磁辐射环境影响评价方法和标准》（HJ/T10.3-1996）规定，根据实际地理状况进行测量。 3.2 测量仪器

本次电磁环境背景监测工作所选用的监测仪器为德国

Narda 公司生产的NBM-550型电磁辐射分析仪。 3.3 监测结果

测量综合场强时，场强仪天线离地面约1.7m 高，每个测点连续测5次，

每次测量时间不应小于15秒。由监测结果可知，项目拟建址周围环境电磁辐射功率密度背景值小于0.1940

W/m 2，尚有较大的电磁辐射环境容量。

4 运营期环境影响

运营期的主要污染源为气象雷达工作期间雷达发射的电磁波对周围环境的影响。评价主要为以下几个步骤： 4.1 近场及远场电磁辐射区域划分

雷达天线微波电磁场的辐射区域，分为近场区和远场区。根据天线波束形成理论，以电离辐射源D 2/λ的距离作为近、远场区的分界，其计算公式如下：

λ/D R 2

1=

式中：R 1——近、远场区分界距离（m ）；D——天线的直径（m ）；λ——天线的工作波长（m ）。

本项目雷达天线的直径为4.5m ，发射微波波长为5.7cm ，所以对于该雷达的近、远场区分界距离为355m ，即以发射天线为中心355m 范围内为近场区，以外为远场区。 4.2 估算公式的确立

根据雷达系统的设备参数、天线与周围建筑物的相对高度和距离，对天线周围环境的电磁辐射水平进行估算。由于该雷达站使用频率处于微波段，因此，采用由《电磁辐射监测仪器和方法》（HJ/T10.2-1996）规定的公式计算：

近场最大功率密度P d max ： S

P 4t max =

d P

式中：P T ——送入天线净功率(W)；S——天线实际几何面积（m 2），S=πR 2；R——天线半径（m ）。

远场轴向功率密度P d ：

2

4r

G P P d ×××=

π

式中：P——雷达发射机平均功率(W)；G——天线增益

(倍数)；r ——预测点与天线轴向距离（m ）。

由于发射源到发射天线及射频信号通过天线罩等存在着系统传输损耗系数K （传输馈线发射支路损耗1.6dB ，天线罩单程引起的射频损失0.15dB ），而且最主要的是接收者并不总是对准或干脆不对准天线的主波束[1]

，因此引入发射天线

的方向函数),(),(2

,2φθφθφθφ

θF d d f ≈∫∫，得近场区空间一点接

收的功率密度：

22

0max

4R KF P P T d πφθ），（=

式中：K——系统发射支路和天线罩单程引起的射频损耗系数，共损耗1.75dB ，即射频损耗系数K=10-0.175=0.6683；

同理，远场区空间任一点r 处接收的功率密度：

2

2

4r GF P P d πφθ）

，（=

式中：G 天线增益(倍数)除去上述射频损耗系数K ， 去除损耗后天线增益为43-1.75=41.25dB 。

上式中：),(),(2

,2φθφθφθφ

θF d d f ≈∫∫是一个极其复杂的图

形，无法用一个初等函数来描述，只能用分段函数来近似代替，其中F 02（θ，φ）＞F 2（θ，φ）。 4.3 气象雷达站运行模式

在晴空时段里，雷达是处于定时的间断开机状态；而在观测责任区内有降雨的时段里，雷达是处于连续的开机状态。该雷达一般有三种工作模式，即PPI 、RHI 、VCP ，根据实际情况需要，主要工作模式为PPI 模式。雷达脉冲重复频率PRF 为1500Hz 。根据实际使用模式的要求，可以认为是在三种工作模式中的PPI 模式（且仰角为1°时）对近地面环境敏感点的电磁辐射影响最大，因此考虑该气象雷达的电磁辐射环境影响时，按保守估算，只取雷达在PPI 的工作模式进行预测评价

[2]

。

4.4 电磁辐射水平估算

雷达以脉冲方式工作，发射脉冲波的时间仅占工作时间

的一小部分，该比值为脉冲占空比。该雷达的最大脉冲占空比ηp 对应于1500Hz 的PRF(发射脉冲重复率)及0.83µs 的发射脉冲宽度，对应ηp 值为1/800。雷达发射机峰值发射功率为

250kW ，因此，该雷达的最大平均发射功率为250kW×1/800=312.5W 。

对于雷达周围的环境目标，由于天线以固定仰角在水平面上作360°旋转，雷达天线为强定向天线，主波束很窄，对