X波段測波雷達(dá)電磁輻射測量方法與實例分析

王心鵬，吳文程，李冀剛，姜　民，張東亮

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津　300112；2.汕尾海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東　汕尾　516600）

X波段測波雷達(dá)電磁輻射測量方法與實例分析

王心鵬1，吳文程2，李冀剛2，姜民1，張東亮1

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津300112；2.汕尾海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東汕尾516600）

X波段測波雷達(dá)在海洋觀測領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，但其電磁輻射帶來的影響也愈發(fā)值得關(guān)注。通過對X波段雷達(dá)工作特點進(jìn)行分析，提出了使用頻譜分析儀和對數(shù)周期天線組成測量系統(tǒng)的電磁輻射測試方案。參照國家標(biāo)準(zhǔn)對國家海洋局南澳、遮浪海洋環(huán)境監(jiān)測站的X波段測波雷達(dá)電磁輻射功率密度進(jìn)行了測量和分析，結(jié)果表明：X波段測波雷達(dá)對環(huán)境危害小，對公眾安全性好。同時解釋了短時曝露限值的含義，提出了要加強(qiáng)員工安全教育的建議。

X波段測波雷達(dá)；電磁輻射測量；功率密度；頻譜分析儀

X波段測波雷達(dá)是一種基于船用X波段導(dǎo)航雷達(dá)，利用海面回波圖像分析波浪參數(shù)的遙感觀測設(shè)備［1］。X波段測波雷達(dá)支持多個廠家不同型號的X波段雷達(dá)，以國家海洋局引進(jìn)MIROS公司的WAVEX系統(tǒng)為例，其中X波段雷達(dá)使用的谷野雷達(dá)型號為FR-2127BB，天線型號為XN24AF，其主要參數(shù)如表1所示。該雷達(dá)發(fā)射功率較高，其瞬時功率可達(dá)到25 kW，在波浪觀測時一般為連續(xù)工作，因此其電磁輻射對人存在一定危險性，有必要對其輻射強(qiáng)度開展現(xiàn)場測量和分析。

表1　雷達(dá)及天線主要參數(shù)

1　電磁輻射測量原理

在電磁輻射測量中，通常用功率密度來衡量電磁輻射的強(qiáng)弱。功率密度是描述單位時間內(nèi)通過單位面積的電磁波能量的物理量，它是無線電計量中的一個重要參數(shù)［2］。要完成對X波段測波雷達(dá)電磁輻射的測量，需要根據(jù)其工作特點對測量儀器進(jìn)行對比選型并使用合理的計算方法，從而獲得其功率密度。

1.1儀器選型

測量電磁輻射通常采用場強(qiáng)儀，但由于場強(qiáng)儀沒有頻率信息，在周邊有其他設(shè)備時不容易判斷輻射來源和占用頻段。頻譜儀可以用來測量所需頻段的頻譜信息，在進(jìn)行測量時配以相應(yīng)頻段的天線便可組成測試系統(tǒng)。頻譜儀優(yōu)點在于能夠直接對某一頻段的信號進(jìn)行測量，從而避免其它頻段干擾信號帶來的影響。測量設(shè)備選用Agilent公司生產(chǎn)的N9918A［3］型頻譜儀；選用德國Annoni公司生產(chǎn)的HyperLog60100型對數(shù)周期天線，該天線在出廠時已經(jīng)過專業(yè)校準(zhǔn)，其天線頻率與天線系數(shù)［4］的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。天線與頻譜儀的連接饋線選用1 m長專用射頻電纜，經(jīng)測試可知其在X波段雷達(dá)工作頻段的線纜損耗約為0 dB。

表2　天線頻率及天線系數(shù)

1.2計算方法

1.2.1X波段雷達(dá)輸出的峰值功率與平均功率由雷達(dá)原理可知，雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸出功率可分為峰值功率Pt和平均功率Pav，二者關(guān)系［5］為：

式中：τ表示脈沖寬度；T表示脈沖重復(fù)周期。對于X波段雷達(dá)信號，其脈沖寬度為0.07 μs，脈沖重復(fù)周期為333 μs，將公式（1）以分貝（dB）形式表示：

由式（2）可知，X波段雷達(dá)的峰值功率和平均功率相差36.7 dB。

1.2.2頻譜儀測量值與功率密度的關(guān)系頻譜儀對信號的測量數(shù)值以功率（單位：dBm）或電壓（單位：dBuV）的形式給出，若想獲得對功率密度的測量結(jié)果，需要進(jìn)行一定的公式換算和推導(dǎo)［6-7］，其過程如下（各物理量的單位以下標(biāo)形式給出）：

對于50 Ω的射頻系統(tǒng)而言，其系統(tǒng)接收功率Pr和接收電壓U之間的變換關(guān)系為：

由天線系數(shù)的定義可知，天線周圍的場強(qiáng)E與接收電壓U之間的關(guān)系［8］：

式中：A表示天線系數(shù)。

場強(qiáng)E與功率通量密度S之間關(guān)系：

式中：Z0表示空間波阻抗，其數(shù)值為120 π，約為377 Ω。

將公式（6）以分貝的形式表示：

由公式（7）可得，以mW/m2為單位的功率密度表示為：

由頻譜儀獲得的系統(tǒng)接收功率（直接測量量）經(jīng)上述公式變換，最終可以獲得所需的峰值功率密度和平均功率密度。

2　環(huán)境輻射分析

2.1環(huán)境控制限值

2014年9月國家環(huán)境保護(hù)部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布了GB8702-2014“電磁環(huán)境控制限值”，代替GB8702-88“電磁輻射防護(hù)規(guī)定”和GB9175-88“環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)”。雖然舊標(biāo)準(zhǔn)中“適用于一切人群經(jīng)常居住和活動場所的環(huán)境電磁輻射”［9-10］改為“公眾曝露”［11］，但是一般認(rèn)為該限值規(guī)定的是居民區(qū)、學(xué)校、企事業(yè)單位等區(qū)域的電磁輻射限值。X波段導(dǎo)航雷達(dá)工作頻率9 410 MHz，新標(biāo)準(zhǔn)中該頻段的控制限值計算方法如表3所示，經(jīng)計算得出其限值為1.25 W/m2，由新標(biāo)準(zhǔn)中的定義可知，該限值是任意6 min內(nèi)的方均根值。此外，對于脈沖電磁波，其功率密度的瞬時峰值不應(yīng)超過表3中所列限制的1 000倍。對于X波段雷達(dá)，其峰值功率密度限制為1 250 W/m2。

表3　電磁環(huán)境控制限值計算方法

2.2現(xiàn)場測量

2.2.1南澳海洋站測量結(jié)果南澳海洋站X波段雷達(dá)架設(shè)在海洋站的樓頂，氣象觀測場緊鄰雷達(dá)，雷達(dá)天線高度與人體高度相仿，雷達(dá)安裝位置和其中一個測量點位置如圖1（a）。由于測試設(shè)備與雷達(dá)距離較近，為防止突發(fā)強(qiáng)信號對設(shè)備造成損壞，關(guān)閉了前置放大器功能，此時頻譜儀的噪底為-70 dBm，將頻譜儀的檢波方式設(shè)置為RMS（方均根值）。經(jīng)測試，確定將中心頻率設(shè)置為9 410 MHz，經(jīng)過20 min的測量后頻譜儀的頻譜及讀數(shù)已基本沒有變化，由圖1（b）可知其平均功率為-37.4 dBm，結(jié)合表2和公式可知，其平均功率密度和峰值功率密度分別為6.166×10-4W/m2和2.88 W/m2。

圖1　南澳海洋站測試現(xiàn)場及結(jié)果

2.2.2遮浪海洋站測量結(jié)果該站測波雷達(dá)安裝位置距地面不小于10 m，現(xiàn)場的一個測量點在距離雷達(dá)位置約36 m，測量天線高度與正常人身高一致，約1.7～1.8 m。由于測試設(shè)備與雷達(dá)距離比較遠(yuǎn)，為保證測量信號不會淹沒在噪聲中，打開了前置放大器功能，此時頻譜儀的噪底為-95 dBm，頻譜儀的檢波方式仍設(shè)置為RMS方式。經(jīng)測試，確定將中心頻率設(shè)置為9 380 MHz，經(jīng)過20 min的測量后頻譜儀的頻譜及讀數(shù)已基本沒有變化，由圖2（b）可知其平均功率為-46.37 dBm，結(jié)合表3和公式可知其平均功率密度和峰值功率密度分別為7.762 5×10-5W/m2和0.363 W/m2。

圖2　遮浪海洋站測試現(xiàn)場及結(jié)果

2.3長期照射安全性分析

從以上兩個海洋站實際測量的結(jié)果看，在測量點處X波段測波雷達(dá)信號的平均功率密度和峰值功率密度均遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。這可能與大部分人的認(rèn)識有所不同，造成這一現(xiàn)象有以下兩個原因：

（1）X波段測波雷達(dá)可以設(shè)置掃描范圍。南澳站測波雷達(dá)設(shè)置了朝向海面的一側(cè)發(fā)射信號，在雷達(dá)朝向觀測場一側(cè)時雷達(dá)發(fā)射機(jī)是不工作的；在海面一側(cè)由于無遮擋，因此也沒有近距離強(qiáng)反射信號，所以造成測試點雷達(dá)信號很弱，幾乎測不到，測得的通道功率值大部分來自于帶內(nèi)噪聲功率。

（2）X波段測波雷達(dá)具有很好的方向性。X波段雷達(dá)天線的垂直波束寬度只有20°。遮浪海洋站的X波段雷達(dá)安裝在支架上，距離地面不低于10 m，測試時所用的對數(shù)周期天線雖然架設(shè)高度與人體高度一致，但仍不在雷達(dá)主波束輻射范圍以內(nèi)，雖然頻譜儀可監(jiān)測到雷達(dá)信號，但其輻射功率很低。人員在雷達(dá)所在地點周邊活動不會受到雷達(dá)輻射危害。

3　短時強(qiáng)輻射分析

3.1短時照射輻射限值

從強(qiáng)電磁輻射設(shè)備旁經(jīng)過或者短時間滯留，會受到短時間強(qiáng)輻射，超過一定限值時會直接造成傷害。對于短時間輻射情況，國際上最具權(quán)威性的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是非電離輻射防護(hù)委員會（ICNIRP）頒布的“時變電場和磁場暴露限值的有關(guān)導(dǎo)則”［12］。該導(dǎo)則通過科學(xué)實驗給出了職業(yè)照射最高限值為50 W/m2，公眾照射最高限值為10 W/m2。特別需要注意，導(dǎo)則中指出在功率密度達(dá)到50 W/m2時，對人的眼睛和生殖系統(tǒng)造成直接傷害，到100 W/m2時會損傷人體皮膚。

3.2導(dǎo)航雷達(dá)限值距離

一般導(dǎo)航雷達(dá)廠家會在說明書中提示X波段雷達(dá)三個關(guān)鍵功率密度限值所對應(yīng)的距離，如表4所示，但多數(shù)都沒有給出功率密度的意義。“時變電場和磁場暴露限值的有關(guān)導(dǎo)則”對這三個距離作出了解釋。

表4　X波段雷達(dá)在不同距離上的功率密度

3.3短時照射的安全防護(hù)

南澳和遮浪兩個海洋站的測波雷達(dá)由于輻射方向和安裝高度設(shè)置等原因，對于普通民眾不會發(fā)生近距離受到雷達(dá)照射的情況。但是海洋站員工因工作關(guān)系，如設(shè)備檢修調(diào)試等，受到雷達(dá)近距離輻射的可能性較大，應(yīng)注意短時雷達(dá)照射的防護(hù)：首先在雷達(dá)工作時應(yīng)避免近距離直視雷達(dá)，以防止眼睛受到傷害，同時應(yīng)避免進(jìn)入1 m以內(nèi)區(qū)域。此外，海洋站員工應(yīng)加強(qiáng)電磁輻射有關(guān)安全知識的培訓(xùn)，提高安全意識。

4　總結(jié)

通過對X波段雷達(dá)電磁輻射測量原理的分析，提出了使用頻譜儀和對數(shù)周期天線組成測量系統(tǒng)的測試方案。參照國家標(biāo)準(zhǔn)對國家海洋局南澳、遮浪海洋環(huán)境監(jiān)測站的X波段測波雷達(dá)電磁輻射功率密度進(jìn)行了測量和分析，結(jié)果表明兩處站點的X波段測波雷達(dá)對環(huán)境危害很小，對公眾安全性很好。同時引用“時變電場和磁場暴露限值的有關(guān)導(dǎo)則”對測波雷達(dá)防護(hù)距離進(jìn)行了說明，提出對海洋站員工應(yīng)加強(qiáng)電磁輻射有關(guān)安全知識的培訓(xùn)，提高安全意識的建議。

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Study on the Measuring Method and Case Analysis for Electromagnetic Radiation of the X-Band Wave Observation Radar

WANG Xin-peng1，WU Wen-cheng2，LI Ji-gang2，JIANG Min1，ZHANG Dong-liang1
1.National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China；
2.Shanwei Marine Environmental Monitoring Center Station，Shanwei 516600，Guangdong Province，China

The X-band wave observation radar has an important value of application in the field of ocean observation，but the impact caused by its electromagnetic radiation also deserves great attention.By analyzing the working characteristics of the X-band radar，this paper puts forward an electromagnetic radiation testing scheme using a measurement system formed by a spectrum analyzer and a log-periodic antenna.Referring to the national standards，measurement and analysis have been carried out for the electromagnetic radiation power densities of the X-band wave observation radars respectively belonging to the Nan'ao and Zhelang marine environmental monitoring stations affiliated to the State Oceanic Administration.The results show that the X-band wave observation radar has relatively small adverse effects on the environment and is safe to the public.The meaning of short-term exposure limit is also explained，and it is recommended that safety education be strengthened for the staff.

X-band wave observation radar；electromagnetic radiation measurement；power density；spectrum analyzer

P71；O441.5

A

1003-2029（2016）02-0034-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.006

2015-09-21

海洋災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報與預(yù)警-保障（K5150FZ06）；國家自然科學(xué)基金資助項目（41206031）

王心鵬（1983-），男，工學(xué)碩士，助理工程師，主要從事無線通信測量，嵌入式系統(tǒng)與電路設(shè)計方向的研究。E-mail:wxp8351@163.com