船舶交通管理系统雷达电磁辐射环境影响分析评价

林勇山 梁 波 张小亮

(江西省核工业地质局测试研究中心， 南昌， 330002)

船舶交通管理系统(VTS)在保障海域船舶航行安全和水域生态环境方面发挥了重要作用。VTS主要由雷达子系统、VHF通信子系统、信息传输子系统等组成。

VTS雷达运行期电磁辐射环境影响主要是雷达子系统和VHF通信子系统产生。VTS雷达工作频率(9 375 MHz)处于超高频范围；VHF通信系统工作频率(154.4～174 MHz)处甚高频范围。VHF通信基站的等效辐射功率为60.7 W，属于豁免通信设备[1]。本文分析评价VTS雷达的电磁辐射环境影响。

1 VTS雷达技术参数

表1、表2分别列出了VTS雷达系统雷达天线和收发机的技术参数。

表1 VTS雷达系统雷达天线技术参数

表2 VTS雷达系统收发机技术参数

2 电磁环境评价标准

VTS雷达工作于超高频波段，采用脉冲发射方式。根据国家标准GB 8702——《电磁环境控制限值》[1]表1：“100 kHz以上频率，在远场区，可以只限制电场强度或磁场强度，或等效平面功率密度；在近场区，需同时限制电场强度和磁场强度。对于脉冲电磁波，其功率密度的瞬时峰值不得超过限值的1 000倍，或场强的瞬时峰值不得超过限值的32倍”。以及环境行业标准《辐射环境保护管理导则 电磁辐射环境影响评价方法与标准》[2]4.2节规定：为使公众受到的总的照射剂量小于GB 8702的规定值，对单个项目的影响必须限制在GB 8702限值的若干分之一。在评价时，对于由国家环境保护部负责审的大型项目可取GB 8702中场强限值的，或功率密度限值的1/2；其他项目则取场强限值的，功率密度限值的1/5作为评价标准。

根据以上规定计算，得出VTS雷达电磁环境评价的标准列于表3。

表3 VTS雷达电磁环境评价标准

3 电磁辐射环境影响

3.1 VTS雷达近场区、远场区区域划分

VTS雷达天线电磁辐射区分为近场区和远场区。近场区电场和磁场没有固定关系，远场区则随着距离呈规律性变化。根据天线波束形成理论中远近场的分界计算公式[3]：

r=D2/λ

(1)

式中，r为远近场分界距离，m；D为天线为最大口径，m；λ为辐射源工作波长，m。

将VTS雷达相关参数代入式(1)，得VTS雷达天线电磁辐射区近场区、远场区分界计算结果列于表4。辐射区分界如图1所示。

图1 VTS雷达天线近场、远场区分界示意图

3.2 VTS雷达源强

脉冲雷达天线辐射平均功率等于发射机辐射脉冲功率与脉冲宽度和脉冲重复率的乘积。按最大脉冲宽度(1 000 ns)及最大脉冲重复率(4 400 Hz)条件计算，VTS雷达最大平均辐射功率为：

P平均=25 kW×(1 000 ns)×4 400 Hz=110 W。

VTS雷达脉冲发射功率25 kW，最大平均辐射功率110 W，系统传输损耗-3 dB，雷达天线增益35 dB，则脉冲峰值等效辐射功率：

最大平均等效辐射功率：

3.3 场强瞬时峰值及平均场强计算

由于近场区属于感应场，场与发射源、与作用对象之间存在着能量交换以及电磁波相位干涉相消的情况，对于矩形缝隙天线的近场区的电磁影响尚未有合适的预测方法，故采用远场轴向预测模式估算VTS雷达近场区的场强值。

3.3.1场强瞬时峰值

根据VTS雷达工作模式及远场区功率密度、电场强度、磁场强度计算公式[4]：

(2)

式中，p峰值为功率密度瞬时峰值，W/m2；P为脉冲发射功率，W；G为天线增益，倍数；r为计算点与天线轴向距离，m。

(3)

式中，E为电场强度，V/m；p为功率密度，mW/cm2；3763.6为电场强度(V/m)与功率密度(mW/cm2)的自由空间本征阻抗。

(4)

式中，H为磁场强度，A/m；p为功率密度，mW/cm2；37.636为磁场强度(A/m)与功率密度(mW/cm2)的自由空间本征阻抗。

计算得VTS雷达天线近场区轴向不同距离的功率密度、电场强度、磁场强度瞬时峰值结果列于表5。

表5的计算结果表明，VTS雷达天线轴向51 m以远的瞬时峰值能同时满足标准近场区电场强度681.6 V/m和磁场强度1.824 A/m的要求。

3.3.2平均场强

考虑VTS雷达扫描的相关参数，根据远场区轴向功率密度、电场强度、磁场强度计算公式[4]：

(5)

式中：p平均为功率密度平均值，W/m2；P平均为平均发射功率，W；G为天线增益，倍数；r为预测点与天线轴向距离，m；ηS=0.0013为扫描占空比。

得VTS雷达天线近场区轴向不同距离的平均功率密度、平均电场强度、平均磁场强度计算结果列于表6。

表6的结果表明，VTS雷达天线轴向9 m以远的平均场强能同时满足近场区电场强度9.57 V/m和磁场强度0.025 A/m的单个项目评价标准要求。

3.3.3达标距离

根据上述计算结果，按最大值考虑，VTS雷达天线轴向51 m为水平达标距离。

3.4 垂直达标距离

VTS雷达天线仰角为0°，主瓣垂直波束宽度为19°。保守考虑，对处于垂直波束宽度范围的垂直电平取0 dB，处于垂直波束宽度范围之外的垂直电平取-3 dB。将各垂直角度范围内垂直电平值及参数代入式(6)：

(6)

式中，d为垂直达标距离，m；L为水平达标距离，m；φ=19°为主瓣波束宽度。

表5 VTS雷达天线轴向不同距离功率密度、电场强度、磁场强度瞬时峰值计算结果

表6 VTS雷达天线轴向平均电场强度及磁场强度计算结果

得VTS雷达天线垂直达标距离列于表7。

3.5 达标区域

VTS雷达天线电磁辐射环境影响达标区域范围如图2所示。

4 评价结果

(1) VTS雷达天线轴向51 m以远区域的场强瞬时峰值同时满足《电磁环境控制限值》[1]中规定的电场强度瞬时峰值限值(681.6 V/m)与磁场强度瞬时峰值限值(1.824 A/m)要求。

(2) VTS雷达天线轴向9 m以远区域的平均场强同时满足《电磁环境控制限值》和《辐射环境保护管理导则 电磁辐射监测仪器和方法》[2]中规定的单个项目电场强度限值(9.57 V/m)、磁场强度限值(0.025 A/m)要求。

图2 VTS雷达达标距离范围图

(3) VTS雷达水平达标距离(距雷达天线)为51 m；垂直达标距离0°～9.5°范围为9 m，9.5°～90°为6 m。