張 磊 陳 茜 李少婷 趙文德

(1.中日友好環(huán)境保護中心，北京 100029;2.北九州市立大學(xué)，北九州 808－0135;3.湖北省輻射環(huán)境管理站，武漢 430070)

1 引 言

空管雷達(dá)對保證民航飛機安全飛行、航班正常、提高空中交通管制效率具有重要的作用，但民航空管雷達(dá)站的建設(shè)會增加環(huán)境中的電磁輻射水平，文章通過監(jiān)測、預(yù)測，分析了建設(shè)雷達(dá)站對周圍電磁環(huán)境的影響。

2 雷達(dá)的概念

雷達(dá)的英文名為Radar(Radio Detection and Ranging)，其含義是指用無線電波方法對目標(biāo)進(jìn)行探測和測距，它是能發(fā)送和接收高頻信號的電磁系統(tǒng)。

2.1 空管雷達(dá)分類

一次監(jiān)視雷達(dá)(primary surveillance radar，PSR)，簡稱一次雷達(dá)。通過自主發(fā)射電磁波并在接收端檢測到目標(biāo)對電磁波的反射回波而獲得目標(biāo)位置的電子系統(tǒng)。一次雷達(dá)不需要被監(jiān)視者協(xié)同工作，是獨立監(jiān)視的一種。一次雷達(dá)(PSR)對目標(biāo)的基本測量參數(shù)是目標(biāo)距雷達(dá)的距離和目標(biāo)方位角，有些雷達(dá)還可以測定運動目標(biāo)的相對速度。主要由發(fā)射機、接收機、天線、信號處理機和雷達(dá)顯示終端等部分組成。

二次監(jiān)視雷達(dá)(secondary surveillance radar，SSR)，簡稱二次雷達(dá)。利用約定的詢問應(yīng)答模式獲得合作目標(biāo)的識別信息、位置和高度的電子系統(tǒng)。二次雷達(dá)需要被監(jiān)視者協(xié)同工作，是協(xié)同監(jiān)視的一種。二次雷達(dá)(SSR)由地面詢問機和機載應(yīng)答機組成。

2.2 工作原理

雷達(dá)發(fā)射機向空間發(fā)射電磁波，電磁波遇到空中目標(biāo)的反射后，一小部分能量被反射回接收機，地面雷達(dá)站接收到從目標(biāo)反射回來的回波信號，如果它超過一定的門限電壓值，那就稱為探測到了或是發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)，根據(jù)往返時間可以算出目標(biāo)的斜距;同時天線發(fā)射的扇形窄波束是和天線旋轉(zhuǎn)掃描同步的，因而在平面顯示器上就可以顯示出目標(biāo)的距離和方位。這樣一次發(fā)射即可得出目標(biāo)的距離和方位。雷達(dá)的基本任務(wù)是發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的存在以及測量目標(biāo)的參數(shù)。

2.3 技術(shù)特點

(1)一次監(jiān)視雷達(dá)

一次監(jiān)視雷達(dá)(PSR)，作為航管系統(tǒng)的探測器之一，與二次監(jiān)視雷達(dá)(SSR)相配合，可為航管系統(tǒng)提供飛機的距離、方位、識別和高度等重要數(shù)據(jù)。除此之外，PSR 還可為航管系統(tǒng)提供天氣情報，以及對應(yīng)答器失效或未裝備應(yīng)答器的小型飛機和私人飛機可以提供方位和距離等信息。因此，航管一次雷達(dá)仍然是當(dāng)前的航管系統(tǒng)中的一個重要組成部分。

空中交通管制系統(tǒng)中使用的一次雷達(dá)按管制區(qū)的使用來劃分，一般可分為:航路監(jiān)視雷達(dá)(ARSR);機場監(jiān)視雷達(dá)(ASR);精密進(jìn)近雷達(dá)(PAR)。

一次雷達(dá)的優(yōu)點是可在雷達(dá)熒光屏顯示器上用光點提供飛機的方位和距離，不管飛機上是否裝有應(yīng)答機，都能正確地顯示，故仍為空中交通管制不可缺少的設(shè)備。其缺點是不能識別飛機的代號和高度，且反射回波較弱，易受固定目標(biāo)的干擾。

(2)二次監(jiān)視雷達(dá)

航空交通信標(biāo)系統(tǒng)(ATCRBS)或二次監(jiān)視雷達(dá)(SSR)，是現(xiàn)代空管系統(tǒng)中的重要組成部分。

二次雷達(dá)由于使用詢問應(yīng)答式的工作方式，相對一次雷達(dá)具有如下優(yōu)點:機載應(yīng)答機的回答頻率和地面詢問機的詢問頻率不同，且不靠接收反射的回波發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，避免了在一次雷達(dá)中常見的地物雜波和氣象雜波的干擾;由于目標(biāo)的定位是靠兩次有源輻射，在同樣的探測距離上二次雷達(dá)的發(fā)射功率比一次雷達(dá)低得多，即同樣的發(fā)射功率，二次雷達(dá)輻射信號作用距離遠(yuǎn);二次雷達(dá)的詢問和應(yīng)答信號都是經(jīng)過編碼處理的，由于有了機載異頻收發(fā)機，可在雷達(dá)已有的功能中附加上一條數(shù)據(jù)鏈路，通過發(fā)射間距不同的脈沖對來傳遞信息，在測量飛行器高度和方位的同時，還可詢問其航班號或海拔高度，也可利用編碼信號交換豐富的信息。

目前二次雷達(dá)已成為空中交通管制中的主要探測器，因此在某些場站僅裝備二次雷達(dá)。

2.4 技術(shù)參數(shù)

雷達(dá)是一種通過輻射無線電波檢測是否存在目標(biāo)的反射回波以及回波特性，從而獲取目標(biāo)信息的探測裝置。天線作為空間能量轉(zhuǎn)換器和空域信號處理器是雷達(dá)必不可少的最重要分系統(tǒng)之一，雷達(dá)發(fā)射機發(fā)出的脈沖信號經(jīng)雷達(dá)天線轉(zhuǎn)換、放大處理后向空間傳播，在環(huán)境中形成輻射場。天線的有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 雷達(dá)天線相關(guān)參數(shù)

調(diào)查分析有關(guān)雷達(dá)資料，空管一次雷達(dá)的發(fā)射頻率2700MHz，脈沖峰值功率15kW;空管二次雷達(dá)的發(fā)射頻率1030MHz，脈沖峰值功率1.41kW;航空氣象雷達(dá)的發(fā)射頻率5400 ±30MHz，脈沖峰值功率250kW。

3 評價方法

3.1 評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB8702－88《電磁輻射防護規(guī)定》第2.2.2款公眾照射規(guī)定，在一天24h 內(nèi)，環(huán)境電磁輻射場的場量參數(shù)在任意連續(xù)6min 內(nèi)的平均值應(yīng)滿足以下限值要求:一次雷達(dá)、二次雷達(dá)頻率范圍屬于30～3000MHz區(qū)間，功率密度為40μW/cm2;氣象雷達(dá)頻率范圍屬于3000～15000MHz 區(qū)間，功率密度為72μW/cm2。

環(huán)境管理限值執(zhí)行HJ/T10.3－1996《輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則—電磁輻射環(huán)境影響評價方法與標(biāo)準(zhǔn)》第4.2 款規(guī)定，為使公眾受到的總照射劑量小于GB8702－88 的規(guī)定值，對單個項目的影響必須限制在GB8702－88 限值的若干分之一。評價時環(huán)境管理限值選取功率密度限值的1/2，即一次雷達(dá)、二次雷達(dá)為20μW/cm2，氣象雷達(dá)為36μW/cm2。

3.2 評價范圍

依據(jù)HJ/T10.3－1996《輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則—電磁輻射環(huán)境影響評價方法和標(biāo)準(zhǔn)》3.1.2 規(guī)定，發(fā)射機功率P＞100kW 時，評價范圍確定以天線為中心半徑為1km 的范圍;發(fā)射機功率P≤100kW 時，評價范圍確定以天線為中心半徑為0.5km 的范圍。

空管一次雷達(dá)最大功率為15kW，二次雷達(dá)最大功率為1.41kW，因此評價范圍確定以雷達(dá)天線為中心半徑為0.5km 的范圍，重點評價以雷達(dá)天線為中心半徑為0.1km 的范圍;氣象雷達(dá)最大功率為250kW，因此評價范圍確定以雷達(dá)天線為中心半徑為1km 的范圍，重點評價以雷達(dá)天線為中心半徑為0.5km 的范圍。

3.3 監(jiān)測方法

西安咸陽國際機場內(nèi)設(shè)置一、二次雷達(dá)站，版納機場內(nèi)設(shè)置氣象雷達(dá)站，分別對以上臺站進(jìn)行電磁環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測。

3.3.1 布點原則

(1)嚴(yán)格執(zhí)行HJ/T10.2－1996《輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則－電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》和HJ/T10.3－1996《輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則－電磁輻射環(huán)境影響評價方法和標(biāo)準(zhǔn)》。

(2)客觀反映雷達(dá)站電磁環(huán)境實際情況，對其周圍環(huán)境保護目標(biāo)、公眾場所、以及典型輻射體進(jìn)行布點監(jiān)測，通常選擇在距離臺站較近的居民區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校等敏感區(qū)域。

(3)對敏感點進(jìn)行監(jiān)測時，應(yīng)盡量避開其他電力設(shè)施、電話線、高層建筑物、樹木、金屬結(jié)構(gòu)等可能影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的因素，盡量選擇空曠的地方，使監(jiān)測結(jié)果具有代表性。

3.3.2 測量方法

在雷達(dá)站正常工作時間內(nèi)進(jìn)行測量。每個測點連續(xù)測5 次，每次測量時間不小于15s，并讀取穩(wěn)定狀態(tài)下的最大值。若測量讀數(shù)起伏較大時，適當(dāng)延長監(jiān)測時間。

(1)一般環(huán)境測量:測量高度均為儀器探頭距地面(或立足點)1.7m 處，探頭(天線尖端)與操作人員之間距離不少于0.5m。

(2)典型輻射體監(jiān)測:以輻射體為中心，按一定間隔角度選取多個方位為測量線，每條測量線上選取距場源分別30、50、100m 等不同距離定點測量。

3.3.3 監(jiān)測儀器

監(jiān)測儀器及參數(shù)詳見表2。

3.4 預(yù)測方法

以二次雷達(dá)預(yù)測為例，其余參照。

(1)二次雷達(dá)遠(yuǎn)場軸向功率密度計算公式:

式中:P—雷達(dá)發(fā)射機平均功率;

G—天線增益(倍數(shù))，G=10dBd=10(dBi－2.51)=305(根據(jù)表1，dBi=27);

r—測量位置與天線軸向距離，cm。

(2)雷達(dá)發(fā)射機平均功率的計算公式:

式中:κ—波形修正系數(shù)，假定雷達(dá)發(fā)射的脈沖是理想矩形波，則κ=1;

τ—脈沖寬度，τ=0.8 ×3=2.4μs;

f—脈沖重復(fù)頻率(Hz)，150～450Hz，取f=450Hz;

p—脈沖峰值功率，10000W。

(3)復(fù)合場強

式中:E—復(fù)合場強;

E1、E2…En—單個頻率的場強值。

(4)功率密度

式中:S—功率密度;

E—電場強度。

表2 監(jiān)測儀器及參數(shù)

4 監(jiān)測及預(yù)測結(jié)果

4.1 監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1.1 一、二次雷達(dá)站

西安機場一、二次雷達(dá)站周圍環(huán)境保護目標(biāo)電磁環(huán)境監(jiān)測結(jié)果見表3。

西安機場一、二次雷達(dá)站作為典型輻射體，對其進(jìn)行電磁輻射污染源監(jiān)測，結(jié)果見表4。

4.1.2 氣象雷達(dá)站

版納機場氣象雷達(dá)站周圍環(huán)境保護目標(biāo)電磁環(huán)境監(jiān)測結(jié)果見表5。

版納機場氣象雷達(dá)站作為典型輻射體，對其進(jìn)行電磁輻射污染源監(jiān)測，結(jié)果見表6。

表3 西安機場電磁環(huán)境監(jiān)測結(jié)果

表4 西安機場一、二次雷達(dá)站電磁輻射污染源監(jiān)測結(jié)果

表5 版納機場電磁環(huán)境監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)上述監(jiān)測結(jié)果，總體上雷達(dá)站功率密度的大小隨著距離的增大呈明顯的下降趨勢，符合電磁波的衰減規(guī)律;一、二次雷達(dá)站、氣象雷達(dá)站所在區(qū)域電磁環(huán)境監(jiān)測結(jié)果、電磁輻射污染源監(jiān)測結(jié)果均符合HJ/T10.3－1996《輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則—電磁輻射環(huán)境影響評價方法與標(biāo)準(zhǔn)》中的公眾照射評價標(biāo)準(zhǔn)值的要求。

表6 版納機場氣象雷達(dá)站電磁輻射污染源監(jiān)測結(jié)果

4.2 預(yù)測計算結(jié)果

以二次雷達(dá)為例，參照預(yù)測方法，預(yù)測計算結(jié)果見表7。

表7 二次雷達(dá)發(fā)射天線軸向功率密度預(yù)測結(jié)果

由表7 可知，二次雷達(dá)任意連續(xù)6min 功率密度在天線主瓣方向＜25.5m 和＜36m 的區(qū)域分別超過公眾限值40μW/cm2和單個項目電磁輻射影響限值20μW/cm2。

4.3 小結(jié)

根據(jù)各雷達(dá)站周圍環(huán)境保護目標(biāo)電磁環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測結(jié)果、典型輻射體電磁輻射污染源監(jiān)測結(jié)果、以及參數(shù)預(yù)測計算分析結(jié)果，評價范圍內(nèi)的電磁環(huán)境均符合GB8702－88《電磁輻射防護規(guī)定》公眾導(dǎo)出限值和單個項目管理值的要求。

預(yù)測計算結(jié)果與各雷達(dá)站電磁輻射實測值對比分析發(fā)現(xiàn)，實測值相比預(yù)測值小很多，原因是電磁波在開放空間傳播過程中，考慮雷達(dá)位置、地勢、高差、障礙物等影響，實際存在諸多不可預(yù)見因素，因此，對雷達(dá)站運行是否安全可行，應(yīng)以實測結(jié)論作為主要依據(jù)，模擬預(yù)測只是對實測值的補充說明。

5 污染防護措施

雷達(dá)管制是實施空中交通管制最有效關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，雷達(dá)站是雷達(dá)管制的重要組成部分。為了保障民航運輸業(yè)的高速發(fā)展，迫切需要加強雷達(dá)站的建設(shè)。文文介紹了雷達(dá)系統(tǒng)，通過電磁環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測、參數(shù)預(yù)測，分析了建設(shè)雷達(dá)站對周圍電磁環(huán)境的影響，并提出以下污染防治措施:

第一，民航空管雷達(dá)站的選址應(yīng)符合航路、機場的發(fā)展規(guī)劃，電磁環(huán)境良好且宜于控制，需避開城鎮(zhèn)的發(fā)展區(qū)域，有利于自身工作性能的充分發(fā)揮，并減少對周圍環(huán)境保護目標(biāo)的影響。

第二，將電磁輻射環(huán)境管理納入民航項目管理體系，配備專業(yè)管理人員，制定和實施電磁輻射環(huán)境管理監(jiān)測制度及計劃。

第三，按照國家電磁輻射防護有關(guān)規(guī)定，定期對設(shè)備進(jìn)行檢修，以確保各項技術(shù)指標(biāo)符合要求。

［1］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)．電磁輻射防護規(guī)定．GB8702－88．

［2］中華人民共和國環(huán)境行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則電磁輻射環(huán)境影響評價方法與標(biāo)準(zhǔn).HJ/T10.3－1996．

［3］張尉．二次雷達(dá)原理．國防工業(yè)出版社，北京，2009．

［4］龐西通．淺談電磁輻射污染的環(huán)境監(jiān)測與管理防護［J］．科學(xué)之友.2010(06)．

［5］高水生，蔡意，饒丹．成都區(qū)域管制中心電磁輻射環(huán)境影響分析與防護措施［J］．環(huán)境科學(xué)與管理，2010(10)．

［6］肖宇．我國民航雷達(dá)的變遷［J］．通信導(dǎo)航，2000(3)．