一种多点实时电磁辐射检测系统设计及应用

胡京冬，季启政，郭 凯，高志良

（北京东方计量测试研究所，北京 100029）

0 引言

航天器研制生产特别是测试、试验过程集中了大量电子、电气设备，如雷达系统、天线系统、射频感应及发射设备等。由于地面设备与星上设备间的无线通信能力越来越强，卫星测控距离越来越远，相应测控信号发射功率也越来越强，进而使这些设备周围的电磁环境越来越复杂。越来越多的测试人员开始关心电磁辐射的污染：测试、试验中工作环境的电场辐射、微波辐射量到底有多少？危害到底有多大？有没有可参考的安全区域？

然而，目前电磁辐射检测技术仍不完善，大多只是采用单台测试仪器手动对固定工位开展定点电磁辐射检测，并不能实时反映试验过程中电磁环境的变化，也不能给出明确的电磁辐射范围。单台仪器检测电磁辐射还存在以下问题：

1）检测数据说服力不够。单台手持测试方式一次仅能对一个空间三维点位的电磁辐射强度进行测试，不能获得各个被测点位电磁辐射强度的实时变化情况，而型号实际需测试的辐射源功率往往处于变化状态，测试数据不能真正反映测试点的实际状态。

2）检测时间相对较长。电磁辐射量检测要以时间作为参数之一，为尽可能保证每个点的测量值接近实际状态，需要一定的测试时间；因此单台逐点测试必然需要较长时间，甚至会发生在被测辐射源的一个工作周期内不能完成测量工作的情况。

3）增加型号测试节点。单台手持测试一般在型号测试前进行，同时要求卫星处于实际测试状态，因此相当于在卫星正式电测之前特定安排的检测。为此，当前不是每个型号电测都进行电磁辐射检测。

4）增加检测人员被辐射伤害风险。电磁辐射检测人员需要长时间暴露于电磁辐射环境中设置和变更测试点位，在辐射强度较大和无法预测时，先置身于电磁场中的检测人员很可能已受到电磁辐射伤害。

针对以上问题，现研制了一套多点实时电磁辐射检测系统，可实时监测、检测卫星测试和试验过程中电磁环境污染情况，并根据实际测试情况，按照职业健康安全要求，在辐射源周边划定安全区域，有效避免周边工作人员遭到过量电磁辐射的伤害。

1 电磁辐射场基本特点

电磁辐射场区一般分为远区场和近区场。以场源为中心，半径为1个波长以内的空间范围通常称为近区场，也可称为感应场。近区场一般具有以下特点：电场强度与磁场强度的大小没有确定的比例关系，一般情况下，对于电压高电流小的场源（如发射天线、馈线等），电场要比磁场强得多。相反，对于电压低电流大的场源，磁场要比电场强得多。近区场的电磁场强度比远区场大得多，且随距离的变化较快，不均匀度较大。

在以场源为中心，半径1个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。远区场的特点主要包括：所有的电磁能量基本上均以电磁波的形式辐射传播，其辐射强度的衰减比感应场慢得多；电场与磁场的运行方向互相垂直，并且均垂直于电磁波的传播方向；远区场的电磁场强度[1]小于近区场等。

对于一个可以产生一定强度电磁辐射的辐射源来说，其近区场的电磁强度较远区场大。人体可能暴露的电磁场场源主要有3个频率范围：

1）0～300 Hz的静电场和极低频电磁场。主要来自高压输电电力线、室内电力布线、核磁共振以及各种使用直流电的设备；

2）300 Hz～10 MHz的中频电磁场。主要包括计算机监控器、工业用感应加热器、防盗系统和遥控系统等；

3）10 MHz～300 GHz的射频范围。主要包括雷达、无线电广播、电视及通信等[1-5]。

在航天星、船研制中产生的电磁辐射频率一般都在10 MHz～40 GHz，该频段也是对人体可能造成危害较大的频段。本文重点围绕该频段设计电磁辐射检测方案。

2 微波辐射危害机理

微波辐射危害人体的机理主要包括致热效应、非致热效应和累积效应3种：

1）致热效应[6-9]。是指一定频率和功率的微波辐射在人体上时，引起体温上升。当温升超过组织的调温能力，或受照射组织内吸收的能量远大于人体的新陈代谢能力时，会使组织的传热能力产生混乱，导致组织被破坏甚至死亡。

2）非致热效应[10-12]。人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦受到外界电磁场的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场遭到破坏，进而使人体遭受损伤。非致热效应主要是指各种频率电磁场所产生的生物效应，特别是在电磁能量密度不是很强、在人体内产生的热量较少、体温升高并不明显的情况下对人体造成的影响。

3）累积效应[2,13-14]。人体受到致热效应和非致热效应作用后，在尚未来得及自我修复伤害之前，若再次受到电磁波辐射，其伤害程度就会发生累积，久之会成为永久性病态，危及生命。如人体长期接触电磁波辐射，即使功率很小，频率很低，也可能会诱发想不到的病变[15-24]。

3 实时检测系统设计

3.1 检测系统构成

多点实时电磁辐射检测系统构成如图1所示。

图1 多点实时电磁辐射检测系统组成和原理Fig. 1 Schematic diagram of the multi-point real-time electromagnetic radiation detection system

1）电磁辐射分析仪。是系统的核心组成，用于测量电磁场辐射强度并处理分析。配置 10 MHz～40 GHz的任意3维全向探头，可覆盖从工频到微波辐射的频率范围。对于有智能型探头接口界面的电磁辐射分析仪，可自动识别探头参数，易于操作。有即时值、最小值、最大值保持、平均值、最大平均值等多种结果显示方式，V/m、mW/cm2、W/m2多种单位可选择，可存储多达5000个测量结果。可通过GPS接口连接即插即用GPS接收器，自动存储所测点的位置数据。使用光纤将探头和电磁辐射分析仪连接，可实现远程测量，而光纤的使用避免了使用金属线缆对实际现场测量结果的影响。

2）可编程10点数据交换系统。用于将多个（≤10个）探头通过光纤与计算机连接进行测试数据的交换，满足实时检测系统对于测试现场多点测试的需要。

3）可编程光学数据转发器。通过光纤连接探头和10点数据交换系统，实现测试数据转发和传输功能。

4）电场探头、磁场探头。用于实时测试现场的电场强度、磁场强度，分布于测试现场，按照测试现场所需频段配置，可设计成可移动探头，也可以在固定位置进行实时监测，一般根据测试现场在测试前进行针对性布置效果更好。

5）监控软件。用于电磁辐射测试的程序控制以及电磁辐射测试结果的显示和分析，完成实时检测系统的后处理工作。

6）激光测距仪。用于电磁辐射测试时测试位置的准确定位，作为绘制电磁辐射安全区域位置信息的重要依据。

3.2 系统运行原理

在辐射源开启前，按需求在辐射源周围布设各类电场、磁场探头，每个探头由支架控制所测点位的高低，由激光测距仪确定其位置参数，满足对测试高度的需要。每个探头由光学数据转发器通过光纤连接到10点数据交换系统，最后连接到电脑。辐射源开启后，利用计算机程序采集电磁辐射数据的监测方式，实现连续获取多点电磁辐射随时间变化的测试结果。测试结果通过软件显示在计算机上，也可以通过数据线连到被测试地点的显示屏上，方便相关人员实时查看。检测系统还能够设置在电磁辐射超过限值时报警。

11月12日，省民族宗教委召开民族体育科学论文专家评审会。今年5月，省民族宗教委、省体育局联合发出《关于征集民族体育科学论文的通知》，截至9月30日，共有13个州市及4家省级单位报送了90篇论文，经初选、专家评审推荐、审定，有40篇论文入选，其中一等奖6篇，二等奖12篇，三等奖22篇。论文涵盖民族体育发展总体研究、民族体育事业发展研究、民族体育产业发展研究等6个类别。

4 电磁辐射安全区域确定

多点实时电磁辐射检测系统配置完成后，可用于电磁辐射安全区测量与确定，步骤如下。

1）预评估辐射源强度与方向[25]。根据辐射源的频率、最大发射功率、天线增益、方向性等数据，对被测区域可能出现最大辐射的方向和最大辐射功率密度进行预评估。其辐射强度的安全性一般依据GB 8702—1988《电磁辐射防护规定》[26]，即在每天8 h工作期间，电磁辐射场的场量参数在任意连续6 min内的平均值应满足表1要求。

表1 任意连续6 min内电磁波职业照射限值Table 1 Arbitrary continuous 6 minute electromagnetic wave occupation exposure limits

2）预判断检测人员安全区域。依据GB 9175—1988 《环境电磁波卫生标准》[27]，如果能够判定现场最大辐射功率密度在0.04 mW/cm2以下[27-28]，则可以直接穿着大褂式防辐射服进行现场测试；否则检测人员在进入电磁辐射环境前，应根据所着防辐射服防辐射效果确定安全区域，即操作位电磁辐射强度不超过

其中： Smax为在穿着整体式防护服条件下最大允许照射值，mW/cm2；SE为整体式防护服的屏蔽效能标称值，dB；c为整体式防护服的屏蔽效能调整系数，一般取 1/2。若整体式防护服标称值为30 dB，则检测人员穿着后的最大允许照射限值Smax为 1.2 mW/cm2。

对于辐射功率密度大于0.04 mW/cm2[6]但小于Smax的区域，则可按公式

计算检测人员在该区域的最长停留时间，以减小风险，其中：t为在该区域最长操作时间，min；S为该区域最大辐射功率密度，mW/cm2。在该区域测量过程中，检测人员的停留时间不能超过t min。同样假设整体式防护服标称值为30 dB，辐射源频率为3 GHz，则S6min=2 W/m2=0.2 mW/cm2，故当测量区域的最大辐射功率密度为0.2 mW/cm2时，检测人员在该区域的停留时间不能超过180 min。如果测量区域的最大辐射功率密度为1.2 mW/cm2时，检测人员在该区域的停留时间则不能超过30 min。

3）预绘制测试点分布位置。以辐射源为圆心，每间隔约30°～40°（在电磁辐射较大方向上可以根据实际情况减小间隔角度）标记出一条放射状直线，如图2所示。具体测试点可结合理论计算设置。

图2 电磁辐射安全区测试方向线示意图Fig. 2 Electromagnetic radiation safety area testing line

4）实施辐射强度检测并记录。将探头高度置于1.6 m（中等身材人的头部高度），选取一条放射状直线，由辐射功率密度不超过客户要求的安全限值（在客户无明确要求时以0.04 mW/cm2为准）点位开始，由远及近慢慢向电磁辐射源移动探头，直到电磁辐射分析仪显示辐射功率密度达到安全限值时，在地面标记该点。依次测量和标记每条放射状直线上的安全限值点，用激光测距仪测量出各点的水平坐标(x, y)并记录。在辐射较大方向上，可适当增加测试方向线数目。

5）划定并标识现场安全区域。通过对现场辐射源周围的电磁辐射检测结果，在电磁辐射值低于安全限值的区域周边粘贴明显标志，告知在此区域内工作人员是安全的。在电磁辐射值较大或是超出安全限值的区域布设警示灯，警告工作人员不要长时间在此工作或停留。

5 结束语

本文所述的航天器电磁辐射检测系统具有多点、实时测试能力，不仅能够测定固定工位的静态电磁辐射情况，同时也能够实时、动态、多方位、在线检测或监测各类辐射源的电磁辐射情况。使用该系统对电磁辐射进行检测，不仅缩短了测试总用时，而且由于采用多个探头多点同时检测的方式，可以一次采集多点数据，提高了劳动生产率。根据测试结果可绘制测试现场的电磁辐射安全区域，从而使工作人员避免可能遭受的辐射伤害。本系统也可用于航天器以外的电磁辐射源的辐射强度检测与监测，具有广泛的应用前景。

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