学文网《海洋技术学报》2016年第二期
摘要：
X波段测波雷达在海洋观测领域具有重要的应用价值，但其电磁辐射带来的影响也愈发值得关注。通过对X波段雷达工作特点进行分析，提出了使用频谱分析仪和对数周期天线组成测量系统的电磁辐射测试方案。参照国家标准对国家海洋局南澳、遮浪海洋环境监测站的X波段测波雷达电磁辐射功率密度进行了测量和分析，结果表明：X波段测波雷达对环境危害小，对公众安全性好。同时解释了短时曝露限值的含义，提出了要加强员工安全教育的建议。
关键词：
X波段测波雷达；电磁辐射测量；功率密度；频谱分析仪
X波段测波雷达是一种基于船用X波段导航雷达，利用海面回波***像分析波浪参数的遥感观测设备[1]。X波段测波雷达支持多个厂家不同型号的X波段雷达，以国家海洋局引进MIROS公司的WAVEX系统为例，其中X波段雷达使用的谷野雷达型号为FR-2127BB，天线型号为XN24AF，其主要参数如表1所示。该雷达发射功率较高，其瞬时功率可达到25kW，在波浪观测时一般为连续工作，因此其电磁辐射对人存在一定危险性，有必要对其辐射强度开展现场测量和分析。
1电磁辐射测量原理
在电磁辐射测量中，通常用功率密度来衡量电磁辐射的强弱。功率密度是描述单位时间内通过单位面积的电磁波能量的物理量，它是无线电计量中的一个重要参数[2]。要完成对X波段测波雷达电磁辐射的测量，需要根据其工作特点对测量仪器进行对比选型并使用合理的计算方法，从而获得其功率密度。
1.1仪器选型测量电磁辐射通常采用场强仪，但由于场强仪没有频率信息，在周边有其他设备时不容易判断辐射来源和占用频段。频谱仪可以用来测量所需频段的频谱信息，在进行测量时配以相应频段的天线便可组成测试系统。频谱仪优点在于能够直接对某一频段的信号进行测量，从而避免其它频段干扰信号带来的影响。测量设备选用Agilent公司生产的N9918A[3]型频谱仪；选用德国Annoni公司生产的HyperLog60100型对数周期天线，该天线在出厂时已经过专业校准，其天线频率与天线系数[4]的对应关系如表2所示。天线与频谱仪的连接馈线选用1m长专用射频电缆，经测试可知其在X波段雷达工作频段的线缆损耗约为0dB。
1.2计算方法
1.2.1X波段雷达输出的峰值功率与平均功率由雷达原理可知，雷达发射机的输出功率可分为峰值功率Pt和平均功率Pav，二者关系。
1.2.2频谱仪测量值与功率密度的关系频谱仪对信号的测量数值以功率（单位：dBm）或电压（单位：dBuV）的形式给出，若想获得对功率密度的测量结果，需要进行一定的公式换算和推导[6-7]，其过程如下（各物理量的单位以下标形式给出）：
2环境辐射分析
2.1环境控制限值2014年9月国家环境保护部和国家质量监督检验检***总局了GB8702-2014“电磁环境控制限值”，代替GB8702-88“电磁辐射防护规定”和GB9175-88“环境电磁波卫生标准”。虽然旧标准中“适用于一切人群经常居住和活动场所的环境电磁辐射”[9-10]改为“公众曝露”[11]，但是一般认为该限值规定的是居民区、学校、企事业单位等区域的电磁辐射限值。X波段导航雷达工作频率9410MHz，新标准中该频段的控制限值计算方法如表3所示，经计算得出其限值为1.25W/m2，由新标准中的定义可知，该限值是任意6min内的方均根值。此外，对于脉冲电磁波，其功率密度的瞬时峰值不应超过表3中所列限制的1000倍。对于X波段雷达，其峰值功率密度限制为1250W/m2。
2.2现场测量
2.2.1南澳海洋站测量结果南澳海洋站X波段雷达架设在海洋站的楼顶，气象观测场紧邻雷达，雷达天线高度与人体高度相仿，雷达安装位置和其中一个测量点位置如***1（a）。由于测试设备与雷达距离较近，为防止突发强信号对设备造成损坏，关闭了前置放大器功能，此时频谱仪的噪底为-70dBm，将频谱仪的检波方式设置为RMS（方均根值）。经测试，确定将中心频率设置为9410MHz，经过20min的测量后频谱仪的频谱及读数已基本没有变化，由***1(b)可知其平均功率为-37.4dBm，结合表2和公式可知，其平均功率密度和峰值功率密度分别为6.166×10-4W/m2和2.88W/m2。
2.2.2遮浪海洋站测量结果该站测波雷达安装位置距地面不小于10m，现场的一个测量点在距离雷达位置约36m，测量天线高度与正常人身高一致，约1.7~1.8m。由于测试设备与雷达距离比较远，为保证测量信号不会淹没在噪声中，打开了前置放大器功能，此时频谱仪的噪底为-95dBm，频谱仪的检波方式仍设置为RMS方式。经测试，确定将中心频率设置为9380MHz，经过20min的测量后频谱仪的频谱及读数已基本没有变化，由***2(b)可知其平均功率为-46.37dBm，结合表3和公式可知其平均功率密度和峰值功率密度分别为7.7625×10-5W/m2和0.363W/m2。
2.3长期照射安全性分析从以上两个海洋站实际测量的结果看，在测量点处X波段测波雷达信号的平均功率密度和峰值功率密度均远低于国家标准。这可能与大部分人的认识有所不同，造成这一现象有以下两个原因：（1）X波段测波雷达可以设置扫描范围。南澳站测波雷达设置了朝向海面的一侧发射信号，在雷达朝向观测场一侧时雷达发射机是不工作的；在海面一侧由于无遮挡，因此也没有近距离强反射信号，所以造成测试点雷达信号很弱，几乎测不到，测得的通道功率值大部分来自于带内噪声功率。（2）X波段测波雷达具有很好的方向性。X波段雷达天线的垂直波束宽度只有20°。遮浪海洋站的X波段雷达安装在支架上，距离地面不低于10m，测试时所用的对数周期天线虽然架设高度与人体高度一致，但仍不在雷达主波束辐射范围以内，虽然频谱仪可监测到雷达信号，但其辐射功率很低。人员在雷达所在地点周边活动不会受到雷达辐射危害。
3短时强辐射分析
3.1短时照射辐射限值从强电磁辐射设备旁经过或者短时间滞留，会受到短时间强辐射，超过一定限值时会直接造成伤害。对于短时间辐射情况，国际上最具权威性的标准应该是非电离辐射防护委员会（ICNIRP）颁布的“时变电场和磁场暴露限值的有关导则”[12]。该导则通过科学实验给出了职业照射最高限值为50W/m2，公众照射最高限值为10W/m2。特别需要注意，导则中指出在功率密度达到50W/m2时，对人的眼睛和生殖系统造成直接伤害，到100W/m2时会损伤人体皮肤。
3.2导航雷达限值距离一般导航雷达厂家会在说明书中提示X波段雷达三个关键功率密度限值所对应的距离，如表4所示，但多数都没有给出功率密度的意义。“时变电场和磁场暴露限值的有关导则”对这三个距离作出了解释。3.3短时照射的安全防护南澳和遮浪两个海洋站的测波雷达由于辐射方向和安装高度设置等原因，对于普通民众不会发生近距离受到雷达照射的情况。但是海洋站员工因工作关系，如设备检修调试等，受到雷达近距离辐射的可能性较大，应注意短时雷达照射的防护：首先在雷达工作时应避免近距离直视雷达，以防止眼睛受到伤害，同时应避免进入1m以内区域。此外，海洋站员工应加强电磁辐射有关安全知识的培训，提高安全意识。
4总结
通过对X波段雷达电磁辐射测量原理的分析，提出了使用频谱仪和对数周期天线组成测量系统的测试方案。参照国家标准对国家海洋局南澳、遮浪海洋环境监测站的X波段测波雷达电磁辐射功率密度进行了测量和分析，结果表明两处站点的X波段测波雷达对环境危害很小，对公众安全性很好。同时引用“时变电场和磁场暴露限值的有关导则”对测波雷达防护距离进行了说明，提出对海洋站员工应加强电磁辐射有关安全知识的培训，提高安全意识的建议。
作者：王心鹏 吴文程 李冀刚 姜民 张东亮 单位：国家海洋技术中心 汕尾海洋环境监测中心
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