雷达电磁辐射的影响分析

廖臻亨,景 科,马红飞

(95668 部队,云南 昆明 610520)

1 电磁辐射的危害

1.1 电磁辐射对人体的危害

在射频电磁场范围内,生物机体会因吸收过量的电磁辐射能量,产生热效应、谐振效应和累积效应。当电磁辐射的强度较高时(≥10 mW/cm2),生物机体主要受到电磁辐射的热效应影响。持续不断的高强度电磁照射会导致体温的改变,使人体产生功能障碍和病理损害,如生物钟紊乱、神经衰弱、激活原癌基因、诱发癌症等。

当射频电磁场内辐射功率较低时(≤1 mW/cm2),电磁辐射主要以谐振效应影响生物细胞。长时间不间断受到低功率电磁波的照射会引起人体微弱电磁场的失衡,通过与人体细胞的共振改变细胞膜电位,使细胞活动能力受限,降低人体免疫力[1]。同时,谐振效应干扰人体生物电,尤其对脑和心电产生影响,造成心率和血压的改变、失眠及健忘等。

电磁辐射对人体的伤害程度会发生累积,形成永久性病态,即累积效应。人体具有自我调节和修复功能,可以及时减轻或消除短时间接触的低强度电磁辐射影响,但自我调节和修复功能是有限的。电磁辐射累积效应给人的健康造成比如体力减退、白血病和免疫力低下等人体病态情况[2]。

1.2 电磁辐射对电子设备的危害

强电磁波直接照射到电子设备上会形成强电磁干扰,引起易燃、易爆物的起火和爆炸,造成武器系统的失灵,部分抗反辐射导弹的引爆装置就依据此原理制成。同时,电磁干扰会破坏或降低电子设备的工作性能,导致通信系统受损甚至引发严重事故,如飞机失事、导弹误发射和储油罐起火爆炸等[3]。

电磁辐射也可能会引起感应耦合、静电耦合或电磁耦合。电磁波辐射在靠近的金属导线上会产生传导性的电磁干扰,并从这些导线经由电源线、信号线或控制线影响设备性能。耦合电磁干扰对电气、电子设备或系统,特别是对含有半导体器件的设备或系统产生严重的破坏作用,包括:高压击穿、器件烧毁或受瞬变干扰、浪涌冲击和影响电路正常工作传递。

2 雷达电磁辐射防护计算与分析

2.1 电磁环境标准及规定

我国环境保护部考虑我国电磁环境保护工作实践,颁布了《电磁环境控制限值》(GB8702—2014),鼓励电磁设备所有者遵循预防原则,积极采取有效措施,降低公众暴露。按照《电磁辐射暴露限值和测量方法》(GJB5315A—2017),根据生活区短时间暴露的平均暴露限值,在任意连续6 min 内的平均电磁强度值应满足表1 要求。

表1 生活区短时间暴露的平均暴露限值

(1)限值为任意6 min 测量平均值的限值。

(2)f是频率范围栏中的频率值,单位为MHz。

2.2 雷达主要技术指标

选取某雷达的技术参数进行计算分析,其数值选取一般取使得功率密度S最大的值,取值如下。发射频率:1 000 MHz;脉冲峰值功率:20 kW;发射脉冲宽度:200 μs;脉冲重复频率PRF:500 Hz;天线发射增益:31 dB;水平/垂直波束宽度:2°;馈线损耗(发射):4 dB。

2.3 数据处理原则及计算方法

假定被测物同雷达天线处于同一高度上,根据《环境电磁波卫生标准》,雷达等微波功率密度S 计算公式如下:

其中,为雷达发射机的平均功率(W),G’为天线增益,r为被测点离天线轴向的距离(m)。

发射机的平均功率计算公式为:

式中,τ为脉冲宽度(s),fprf为脉冲重复频率(Hz),P为雷达发射的脉冲峰值功率(W),取k的最大值,即k=1,此时雷达发射的脉冲为理想矩形波。

考虑馈线损耗,可得G′(值)=10(31-4)/10。将雷达主要技术指标带入(1)～(3),可得沿天线辐射方向不同距离处的功率密度分布式:

根据雷达辐射占空比计算公式,在雷达天线波瓣水平宽度为2°时,占空比为2/360。

根据GJB5315A—2017 标准《电磁辐射暴露限值和测量方法》要求,在1 000 MHz 频点工作的雷达任意6 min 内的平均电磁辐射功率密度允许值S 应小于等于0.4 W/m2。根据公式(5)可得在该雷达水平高度距离与平均功率密度的关系,如图1 所示。雷达水平高度上不同距离对应的功率密度,如表2 所示。

图1 雷达天线水平高度上距离与功率密度关系

表2 雷达水平高度上不同距离对应的功率密度

由图1 可知,随着被测点与雷达天线的距离拉大,被测点的功率密度成二次函数下降,当距离为332.85 m时,达到安全功率密度0.4 W/m2。即当S≤0.4 W/m2时,r≥332.85 m 为雷达天线水平高度上的安全距离。

2.4 第一旁瓣平均功率密度计算

当计算点处于雷达天线水平高度的下方时(即不在主瓣辐射区内时),假设刚好至于第一旁瓣辐射宽度内,第一旁瓣≤-30 dB,因此考虑第一旁瓣在非安全区域内的电磁辐射功率密度。首先,依据旁瓣电平计算第一旁瓣辐射功率P2,取旁瓣电平为-30 dB,Pmax为雷达脉冲峰值功率。

可得P2为20 W,第一旁瓣的功率密度计算公式为,由于雷达主瓣的水平和垂直波束宽度为2°,在旁瓣波束宽度不超过主瓣的条件下,取旁瓣宽度为2°,代入(1)～(4)式,可得在距离r=50 m处的功率密度值为0.018 W/m2。可得第一旁瓣在不同距离点的平均功率密度值如表3 所示。

表3 第一旁瓣在不同距离对应的功率密度

计算分析表明,该雷达旁瓣在非安全区域r≥20时,电磁辐射功率密度小于限值0.4 W/m2,由此分析,在进行雷达架设时,若生活区和雷达天线存在高度落差,即生活区不在该雷达主瓣波束2°范围时,人体受辐射影响概率明显小。

3 电磁辐射的科学防护

3.1 加强宣传教育,正确看待电磁辐射问题

宣传教育主要有两个目的。第一,正确认识电磁辐射的危害。认识电磁辐射危害的触发条件,引起工作于电磁辐射超标准环境的人员的重视,加强防护意识,且积极主动做好防护措施,消减电磁辐射对人体机能的损害。第二,深刻理解电磁辐射危害可以通过积极防护得到消除。在非长时间持续接触强电磁辐射情况下,人体细胞具有自我调节和修复电磁辐射损伤的功能。同时,消除畏惧电磁辐射心理,保持身心健康[4]。

3.2 多措并举,降低电磁辐射的危害

(1)抑制电磁污染的产生。在雷达设计分析、选材生产和阵地选址等各个生产建设环节实现避免电磁污染的产生或减少电磁污染。手段包括:通过设计和选材增强雷达系统电路的电磁兼容性、将雷达阵地建设在远离人群的高地、在垂直面上实现雷达辐射天线位置和操控室位置的较大落差等。(2)隔断电磁辐射的路径。通过远离辐射源、屏蔽和吸收电磁能量等方式阻断电磁能量传输至人体或设备的路径。比如雷达装备自动控制或远程控制,设置雷达装备工作屏蔽扇区(主要是在不影响装备观察重要目标时,屏蔽生活区),减少操作员不必要接触电磁辐射的时间,在雷达操控室和靠近天线的活动室内壁敷设吸波材料等。(3)做好个人和装备的防护措施。比如:在辐射超标准区,工作人员穿戴防辐射的衣帽、眼镜等防护器具,装备采用屏蔽技术进行电路保护。

3.3 定期医疗检查及合理排班,避免电磁辐射的累积效应

进行就业前体检和定期体检,电磁辐射的累积效应对生殖功能有较大影响,将有全身疾病的人、备孕人员或孕产妇调离辐照岗位,应尽量安排已婚已育的人员在辐照岗位。同时,测定人体自我修复辐射损伤所需的时间,建立合理的轮休和轮岗工作制度,限制作业人员在辐照区内的工作时长及出现频率等,避免电磁辐射的累积效应。

3.4 加强锻炼及科学饮食,增强自我调节和修复能力

提高身体素质和科学的饮食可增强人体自我调节和修复能力。富含维生素A、C 和蛋白质的食物可以加强机体抵抗电磁辐射的能力,比如西红柿、橙子和瘦肉等。食物中的硒元素具有抗氧化作用,适量吃大蒜和人参有助于减少辐射损伤。茶多酚是抗辐射物质之一,适量饮用绿茶可减轻辐射对人体的不良影响。

4 结语

雷达架设时需根据周围地形、地势及建筑物,对电磁辐射环境做出评估,合理布设雷达天线,减轻电磁辐射对人体和电子设备的不良影响,确保人员健康及设备安全。本文根据某型号雷达的技术参数和环境电磁辐射防护安全要求,估算出该雷达电磁辐射的安全防护距离,供雷达阵地选择和雷达架设时参考。