船舶交通管理系統(tǒng)雷達(dá)電磁輻射環(huán)境影響分析評(píng)價(jià)

林勇山 梁 波 張小亮

(江西省核工業(yè)地質(zhì)局測(cè)試研究中心， 南昌， 330002)

船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)在保障海域船舶航行安全和水域生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮了重要作用。VTS主要由雷達(dá)子系統(tǒng)、VHF通信子系統(tǒng)、信息傳輸子系統(tǒng)等組成。

VTS雷達(dá)運(yùn)行期電磁輻射環(huán)境影響主要是雷達(dá)子系統(tǒng)和VHF通信子系統(tǒng)產(chǎn)生。VTS雷達(dá)工作頻率(9 375 MHz)處于超高頻范圍；VHF通信系統(tǒng)工作頻率(154.4～174 MHz)處甚高頻范圍。VHF通信基站的等效輻射功率為60.7 W，屬于豁免通信設(shè)備[1]。本文分析評(píng)價(jià)VTS雷達(dá)的電磁輻射環(huán)境影響。

1 VTS雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

表1、表2分別列出了VTS雷達(dá)系統(tǒng)雷達(dá)天線和收發(fā)機(jī)的技術(shù)參數(shù)。

表1 VTS雷達(dá)系統(tǒng)雷達(dá)天線技術(shù)參數(shù)

表2 VTS雷達(dá)系統(tǒng)收發(fā)機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 電磁環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

VTS雷達(dá)工作于超高頻波段，采用脈沖發(fā)射方式。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8702——《電磁環(huán)境控制限值》[1]表1：“100 kHz以上頻率，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，可以只限制電場(chǎng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度，或等效平面功率密度；在近場(chǎng)區(qū)，需同時(shí)限制電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于脈沖電磁波，其功率密度的瞬時(shí)峰值不得超過限值的1 000倍，或場(chǎng)強(qiáng)的瞬時(shí)峰值不得超過限值的32倍”。以及環(huán)境行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)》[2]4.2節(jié)規(guī)定：為使公眾受到的總的照射劑量小于GB 8702的規(guī)定值，對(duì)單個(gè)項(xiàng)目的影響必須限制在GB 8702限值的若干分之一。在評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)于由國(guó)家環(huán)境保護(hù)部負(fù)責(zé)審的大型項(xiàng)目可取GB 8702中場(chǎng)強(qiáng)限值的，或功率密度限值的1/2；其他項(xiàng)目則取場(chǎng)強(qiáng)限值的，功率密度限值的1/5作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)以上規(guī)定計(jì)算，得出VTS雷達(dá)電磁環(huán)境評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)列于表3。

表3 VTS雷達(dá)電磁環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 電磁輻射環(huán)境影響

3.1 VTS雷達(dá)近場(chǎng)區(qū)、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)區(qū)域劃分

VTS雷達(dá)天線電磁輻射區(qū)分為近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)和磁場(chǎng)沒有固定關(guān)系，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)則隨著距離呈規(guī)律性變化。根據(jù)天線波束形成理論中遠(yuǎn)近場(chǎng)的分界計(jì)算公式[3]：

r=D2/λ

(1)

式中，r為遠(yuǎn)近場(chǎng)分界距離，m；D為天線為最大口徑，m；λ為輻射源工作波長(zhǎng)，m。

將VTS雷達(dá)相關(guān)參數(shù)代入式(1)，得VTS雷達(dá)天線電磁輻射區(qū)近場(chǎng)區(qū)、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)分界計(jì)算結(jié)果列于表4。輻射區(qū)分界如圖1所示。

圖1 VTS雷達(dá)天線近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)分界示意圖

3.2 VTS雷達(dá)源強(qiáng)

脈沖雷達(dá)天線輻射平均功率等于發(fā)射機(jī)輻射脈沖功率與脈沖寬度和脈沖重復(fù)率的乘積。按最大脈沖寬度(1 000 ns)及最大脈沖重復(fù)率(4 400 Hz)條件計(jì)算，VTS雷達(dá)最大平均輻射功率為：

P平均=25 kW×(1 000 ns)×4 400 Hz=110 W。

VTS雷達(dá)脈沖發(fā)射功率25 kW，最大平均輻射功率110 W，系統(tǒng)傳輸損耗-3 dB，雷達(dá)天線增益35 dB，則脈沖峰值等效輻射功率：

最大平均等效輻射功率：

3.3 場(chǎng)強(qiáng)瞬時(shí)峰值及平均場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算

由于近場(chǎng)區(qū)屬于感應(yīng)場(chǎng)，場(chǎng)與發(fā)射源、與作用對(duì)象之間存在著能量交換以及電磁波相位干涉相消的情況，對(duì)于矩形縫隙天線的近場(chǎng)區(qū)的電磁影響尚未有合適的預(yù)測(cè)方法，故采用遠(yuǎn)場(chǎng)軸向預(yù)測(cè)模式估算VTS雷達(dá)近場(chǎng)區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)值。

3.3.1場(chǎng)強(qiáng)瞬時(shí)峰值

根據(jù)VTS雷達(dá)工作模式及遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)功率密度、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式[4]：

(2)

式中，p峰值為功率密度瞬時(shí)峰值，W/m2；P為脈沖發(fā)射功率，W；G為天線增益，倍數(shù)；r為計(jì)算點(diǎn)與天線軸向距離，m。

(3)

式中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；p為功率密度，mW/cm2；3763.6為電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m)與功率密度(mW/cm2)的自由空間本征阻抗。

(4)

式中，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；p為功率密度，mW/cm2；37.636為磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m)與功率密度(mW/cm2)的自由空間本征阻抗。

計(jì)算得VTS雷達(dá)天線近場(chǎng)區(qū)軸向不同距離的功率密度、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度瞬時(shí)峰值結(jié)果列于表5。

表5的計(jì)算結(jié)果表明，VTS雷達(dá)天線軸向51 m以遠(yuǎn)的瞬時(shí)峰值能同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)近場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度681.6 V/m和磁場(chǎng)強(qiáng)度1.824 A/m的要求。

3.3.2平均場(chǎng)強(qiáng)

考慮VTS雷達(dá)掃描的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)軸向功率密度、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式[4]：

(5)

式中：p平均為功率密度平均值，W/m2；P平均為平均發(fā)射功率，W；G為天線增益，倍數(shù)；r為預(yù)測(cè)點(diǎn)與天線軸向距離，m；ηS=0.0013為掃描占空比。

得VTS雷達(dá)天線近場(chǎng)區(qū)軸向不同距離的平均功率密度、平均電場(chǎng)強(qiáng)度、平均磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果列于表6。

表6的結(jié)果表明，VTS雷達(dá)天線軸向9 m以遠(yuǎn)的平均場(chǎng)強(qiáng)能同時(shí)滿足近場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度9.57 V/m和磁場(chǎng)強(qiáng)度0.025 A/m的單個(gè)項(xiàng)目評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3.3達(dá)標(biāo)距離

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，按最大值考慮，VTS雷達(dá)天線軸向51 m為水平達(dá)標(biāo)距離。

3.4 垂直達(dá)標(biāo)距離

VTS雷達(dá)天線仰角為0°，主瓣垂直波束寬度為19°。保守考慮，對(duì)處于垂直波束寬度范圍的垂直電平取0 dB，處于垂直波束寬度范圍之外的垂直電平取-3 dB。將各垂直角度范圍內(nèi)垂直電平值及參數(shù)代入式(6)：

(6)

式中，d為垂直達(dá)標(biāo)距離，m；L為水平達(dá)標(biāo)距離，m；φ=19°為主瓣波束寬度。

表5 VTS雷達(dá)天線軸向不同距離功率密度、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度瞬時(shí)峰值計(jì)算結(jié)果

表6 VTS雷達(dá)天線軸向平均電場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

得VTS雷達(dá)天線垂直達(dá)標(biāo)距離列于表7。

3.5 達(dá)標(biāo)區(qū)域

VTS雷達(dá)天線電磁輻射環(huán)境影響達(dá)標(biāo)區(qū)域范圍如圖2所示。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

(1) VTS雷達(dá)天線軸向51 m以遠(yuǎn)區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)瞬時(shí)峰值同時(shí)滿足《電磁環(huán)境控制限值》[1]中規(guī)定的電場(chǎng)強(qiáng)度瞬時(shí)峰值限值(681.6 V/m)與磁場(chǎng)強(qiáng)度瞬時(shí)峰值限值(1.824 A/m)要求。

(2) VTS雷達(dá)天線軸向9 m以遠(yuǎn)區(qū)域的平均場(chǎng)強(qiáng)同時(shí)滿足《電磁環(huán)境控制限值》和《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 電磁輻射監(jiān)測(cè)儀器和方法》[2]中規(guī)定的單個(gè)項(xiàng)目電場(chǎng)強(qiáng)度限值(9.57 V/m)、磁場(chǎng)強(qiáng)度限值(0.025 A/m)要求。

圖2 VTS雷達(dá)達(dá)標(biāo)距離范圍圖

(3) VTS雷達(dá)水平達(dá)標(biāo)距離(距雷達(dá)天線)為51 m；垂直達(dá)標(biāo)距離0°～9.5°范圍為9 m，9.5°～90°為6 m。