车载式选频测量%2830 MHz-6 GHz%29在城市电磁环境水平监测的应用.pdf

第 43 卷第 4 期2023 年7 月辐射防护Radiation ProtectionVol.43No.4July2023辐射防护监测车载式选频测量(30 MHz6 GHz)在城市电磁环境水平监测的应用唐辉,高鹏,粟琨璞,唐研博,徐彬,谷洪,李元东,缪尔康(四川省辐射环境管理监测中心站,成都 611139)摘要:为更高效率、更准确的测量城市电磁环境水平,掌握电磁环境构成,使用与成都点阵科技公司联合研制的DZER100 车载式快速选频测量系统对成都市温江区涌泉街道部分城市区域电磁环境水平进行测量。该系统在30 MHz6 GHz 频段、100 kHz 分辨率条件下,全频带扫描时间为 300 ms,实现了行车速度 60 km/h 下测点间距5 m,可有效获取每个测量点位的场强总量、频谱及特定频段的电磁环境水平。5.3 km2区域测量得到有效点位数据 14 393 个,通过系统数据自动分析得到全区域电场强度平均值约 1.23 V/m,0 2 V/m 量级的占比达到了87.411%;占标率平均值为 1.41%,占标率超过 20%的点位仅为 0.24%;通过频谱可视化分析功能,可快速掌握关注点位的频谱构成及关注频段的贡献量。车载式选频测量(30 MHz6 GHz)可实现各点位场强总量和频谱的同时测量。关键词:车载式;选频测量;城市电磁环境水平;监测中图分类号:X837文献标识码:A收稿日期:2022-08-30作者简介:唐辉(1989),男,2013 年毕业于成都理工大学核工程与核技术专业,2016 年毕业于成都理工大学辐射防护及环境保护专业,获硕士学位,工程师。E-mail:tanghuijinhefuzhao 通信作者:缪尔康。E-mail:14917494 城市电磁环境又被称为一般电磁环境1-2,是指在较大的城市范围内由各种电磁辐射源,通过传播途径造成的电磁辐射的背景值,具有电磁辐射频谱非常宽、属于电磁辐射远区场两大特点。国内外均有对城市区域开展电磁环境测量的测量规范,主要有网格布点2-3和车载巡测3-4两种方式。网格布点方式通过将城市区域划分为等大的网格空间,并按一定的布点规则测量每个网格的电磁场数据,由于所有点位的测量均依靠人工,通常每个网格只测一个点位2,获取的数据量较少5-10。车载巡测方式通过整合监测仪器、卫星定位设备及数据采集设备11,利用自动监测技术对车辆行驶道路进行连续测量并记录数据12-13,相比网格测量方法,车载巡测方法在数据获取量、数据 代 表 性 以 及 监 测 效 率 上 优 于 网 格 测 量法14-15。目前车载巡测方法所使用的仪器主要为非选频监测仪器(综合场监测仪器)和选频监测仪器两大类。使用非选频监测仪器测量时,不区分被测点位电磁波的频率,只关心电磁波的大小,只要被测点位的电磁波频率在接收探头频率响应范围内,即可测得电磁场时域幅度大小,其缺点在于对一些测值较高的点位或要了解关注点位电磁辐射源项构成,则需要使用选频仪器进行复测13-14,多次反复测量降低了数据的时效性也让监测效率受限。使用选频监测仪器时,可以将时域状态下的电磁波解析为频域上的多个电磁波分量,将频率和幅值同时测出,可以解决非选频监测仪器巡测不区分电磁场频率的问题,进一步提升城市电磁环境监测和评估效率15-16。本文使用与成都点阵科技公司联合研制的DZER100 车载式快速选频测量系统对成都市温江区涌泉街道部分城市区域的电磁环境进行了测量和分析。1监测系统与方法1.1监测系统构成和主要设备选频式电磁辐射监测仪器是实现选频路测的113 辐射防护第 43 卷第 4 期关键,使用的路测系统主要由选频式电磁辐射监测仪器、卫星定位设备和数据采集设备构成,数据的采集、记录、处理和分析全部实现自动化,系统构成如图 1 所示。针对现有选频设备全频段扫描时间长、车辆巡测时速过低等制约性问题,新型选频测量设备 DZER100 在硬件性能上有较大的提升,可实现 100 kHz 分辨率条件下,30 MHz6 GHz频段,每 300 ms 一次的全频带扫描,1 s 内可获取3 个全频带测量数据;若按 5 m 一个点位间距获取数据,最快的行车速度可达 60 km/h。图 1系统构成示例Fig.1Example of system composition该设备配置了 30 MHz 6 GHz 全向探头,测量带宽更宽,覆盖了常用电磁辐射源的频率。其各向同性误差小于 2.5 dB,满足现行国内标准对选频仪器性能参数的要求16,可以较好地接收来自空间各个方向的电磁波;该仪器还使用了动态智能底噪滤除算法,系统在测量过程中可以根据行驶路径沿线电磁环境水平,实时调整量程并扣除底噪,实现各点位场强和频谱的准确记录,有效解决了非选频监测仪器测量后只能掌握各点位场强大小却无法及时追溯其贡献源的问题。在数据分析方面,配合 DZE10 数据分析系统,可以将大量数据进行可视化处理,监测人员可以快速掌握测试区域的电磁环境总体水平并实现电磁环境贡献来源分析,工作效率大幅提升。为便于拆卸安装且不破坏车体原有结构,系统采用了磁吸的方式将探头架设在车顶,探头与车顶的距离约 0.6 m,如图 2 所示。图 2选频仪器探头车顶安装示例Fig.2Example of probe mounting on the roof of thefrequency selective instrument vehicle1.2巡测区域和布点对成都市温江区涌泉街道一处约 5.3 km2的城市区域开展了车载式选频测量,该区域以居住区为主。巡测路径尽量覆盖被测区域内的所有道路,测量时间为 10 时到 14 时,天气晴朗,通过严格控制车速不超过 60 km/h,以保证测量点位间距不大于 5 m,如图 3 所示。图 3测试区域示意图Fig.3Analysis of test area1.3测量参数区域电磁环境监测是对整个宏观大范围环境的监测而非针对电磁辐射设施监测,电磁环境是各种频率电磁波的总和,是电磁波脱离电磁辐射源向外传播并叠加的结果。宏观上看,其特点是频带宽,属于电磁波的远场区。路测是通过密集点位测试,从微观角度来采集整个区域的更多点位,必然会经过电磁设施临近位置,但所有测点都是整个区域局部电磁环境水平反映,所有点位均213唐辉等:车载式选频测量(30 MHz6 GHz)在城市电磁环境水平监测的应用 属于大范围电磁环境的远场。根据电磁波理论,远场区中的电磁波趋近于平面波,电场与磁场相互垂直,且比值恒定,即 E/H=120377,同时,波功率密度矢量(坡印廷矢量)S=EH17,带入电场与磁场的比值关系式可得 S=E2/377 或 S=H2377。可以看出,在电磁辐射的远区场,只需要测量其中一个指标即可得到另外两个指标。从仪器探头原理上看,仪器使用了三维正交偶极子电场探头,因此测量参数确定为电场强度。1.4监测读数各点位读取选频式电磁辐射监测仪器的实时值,包括电场强度、对应的占标率以及点位的坐标数据。电场强度是全频段的场强积分值,按式(1)1计算:电场强度=nj=1E2j(1)占标率为不同频率场强平方与其对应限值平方比率 之 和,按 式(2)18计 算,计 算 结 果 取 百分数:占标率=300 GHzj=100 kHzE2jE2L,j(2)式中,Ej表示第 j 个频率测得的电场强度,V/m;EL,j表示第 j 个频率对应的限值,V/m,均由选频式电磁辐射监测仪器自动计算并由数据采集设备自动记录18。测量过程中为避免监测数据受人为影响,监测人员避免使用移动电话等无线发射设备。1.5仪器校准与比对监测时使用的 DZER100 车载式快速选频测量系统的主机和探头经中国测试技术研究院检定,检定结果符合监测要求。测量过程中采用人工定点监测方式对车载巡测实时结果开展了验证工作,以巡测方式获取的一个点位的实时数据,其电场强度值为 2.931 V/m,人工定点测量电场强度值为 2.998 V/m,两次测量结果一致性较好,说明通过车载式选频测量(30 MHz 6 GHz)测量城市电磁环境水平是可行的。2结果与讨论2.1区域电磁环境总体水平与评估本次测量得到有效点位数据 14 393 个,电场强 度 平 均 值 约 1.23 V/m,占 标 率 平 均 值约 1.41%。2.1.1电场强度分析图 4 给 出了场强数 据累积分布 曲线,按照1 V/m 量级区间对测量数据进行统计,其中 0 1 V/m 和 1 2 V/m 两个量级的占比最高,分别达到了 43.81%和 43.6%,总共占比达到了 87.41%;从图 4 看出,3 V/m 测值以上的点位已经很少。将场强大小按照 1 V/m 为跨度对每个点位进行着色得到电场强度地图。可以看出在十字路口、交叉路口附近有一定数量的场强高值存在,如图 5 所示。出现这种情况的主要原因是在十字路口、交叉路口是布放基站的优选位置,这些位置基站出现的频率较一般情况高得多,故容易出现场强较大值。图 4场强累计分布图Fig.4Distribution diagram of field intensity cumulation图 5测量点位按场强大小的空间分布Fig.5Spatial distribution of measuringpoints according to field intensity2.1.2占标率分析参照现行标准辐射环境保护管理导则 电磁313 辐射防护第 43 卷第 4 期辐射环境 影响评价方 法与标准(HJ/T 10.31996)19对单个项目影响的限制规则,将占标率按大 小 划 分 得 到 0%20%、20%50%、50%100%及 100%以上 4 个区间,根据测量数据绘制占标率地图,如图 6 所示。图 6 更为直观地显示各点位多种频率电磁场所致曝露的水平,电磁环境水平偏高点位的分布更容易被观察到。从所有点位的占标率分布情况看,其中 99.76%点位的占标率小于 20%,超过 20%的仅为 0.24%,电磁环境总体占标率是远低于 100%。图 6测量点位按占标率大小的空间分布Fig.6Spatial distribution of measuring pointpositions according to scale occupancy ratio2.2电磁环境构成分析2.2.1关注点位电磁频谱分析以图 5 中测值较大的橙色点位为例,以往的工作方式需要再次使用选频设备到现场测量来了解该点主要电磁辐射贡献来源,而车载式选频系统记录了每个点位的频谱信息,可查阅任意感兴趣点位的频谱构成,如图 7 所示。图 7点位的频谱图Fig.7Spectrum diagram of the points利用数据可视化分析20,将频谱图转换为柱状图显示电磁辐射贡献来源,如图 8 所示,可以看出该点的主要贡献来源是中国移动。同时,通过峰值频率自动解析,还可以从最大值列表中掌握更明细的频率贡献来源,如图 9 所示,中国移动 5G和 4G 信号在该点位的贡献明显。图 8点位的主要贡献源Fig.8Main contribuion sources of the points图 9点位的最大值频率列表Fig.9List of maximum frequency of the point2.2.2关注频段的贡献分析公众日常生活中常见的电磁辐射设施(设备)主要有移动通信基站、广播电视、调频广播、对讲机、Wifi、数字集群通信等,这些设施(设备)的工作频率在 30 MHz 6 GHz 频率范围内,其产生的电磁场构成了人们日常接触的电磁环境,其贡献量是我们关注的重点。通过选频路测,可以将测量区域内这些频段的贡献水平一次性获取并加以统计,数据获取量远超人工测量的数量21,数据统计更具代表性,如图 10 所示。可以看出,该区域内中国移动和中国电信的基站频段对电磁环境的贡献比较明显,而中国联通等其他频段的贡献值绝大多数在 1 V/m 以内。413唐辉等:车载式选频测量(30 MHz6 GHz)在城市电磁环境水平监测的应用 作为比较,将中国移动和中国联通的点位数据单独标记在地图上,如图 11 和图 12 所示,可以看到两个运营商对该区域的电磁环境贡献的空间分布和差异。图 10常见频段的贡献比较Fig.10Contribution comparison of common frequency bands图 11中国移动场强大小的空间分布Fig.11Spatial distribution of fieldstrength of China Mobile图 12中国联通场强大小的空间分布Fig.12Spatial distribution of fieldstrength of China Unicom3结论通过车载式选频测量(30 MHz 6 GHz)显示该区域电磁辐射环境总体处于较低的水平,远低于限值标准。车载式选频测量(30 MHz 6 GHz)可实现各测量点位场强总量和频谱的同时测量,有效解决了使用非选频式监测仪器巡测时不区分电磁场频率的问题,是一种更高效的区域环境电磁 辐 射 监 测 方 法。使 用 车 载 式 选 频 测 量(30 MHz6 GHz),获取的数据量远多于传统网格测量方法,数据代表性更强,可更全面地反应区域内的电磁环境情况,满足区域电磁环境总水平的测量与评估,电磁环境源项构成分析等多种需求,为电磁环境管理提供更详细、更精准的基础数据。参考文献:1 邹澎.环境电磁场测量M.北京:中国计量出版社,1992:12-17.2 国家环境保护局.辐射环境保护管理导则 电磁辐射监测仪器与方法:HJ/T 10.21996S.北京:中国环境科学出版社,1996.3 International Telecommunication Union.Generation of radiofrequency electromagnetic field level maps(Study Group 5):513 辐射防护第 43 卷第 4 期ITU-T K.113 NOTE2015S.Geneva:The ITUs Press,2015.4 International Telecommunication Union.Guidance for assessment,evaluation and monitoring of human exposure to radio frequency electromagnetic fields(Study Group 5):ITU-T K.91 NOTE2020S.Geneva:The ITUs Press,2020.5 陆利通,刘芳君,邹亚玲,等.珠海市电磁辐射污染现况调查与对策探讨J.实用预防医学,2012,19(6):817-819.6 罗立邦.深圳市电磁环境质量调查浅析J.广东化工,2016,43(18):235-236.7 易丹.基于网格法的福州市射频电磁环境调查与分析J.能源与环境,2018(06):65-67.8 张龙辉,许卓,李光,等.无锡市主城区环境电磁辐射水平现状调查C/2015 年中国环境科学学会学术年会论文集.2015:1377-1380.9 Stefu N,Solyom I,Arama A.Radiofrequency electromagnetic field map of timisoaraJ.Annals of West University of TimisoaraPhysics,2015,58(1):72-80.10段临林,杨传俊,唐超,等.厦门市电磁环境解析J.中国环境监测,2018,34(02):122-129.11周睿东,杨旭富,孔令丰,等.基于 GIS 的车载环境电磁辐射监测系统的设计与应用J.移动通信,2009,33(24):19-22.12武攀峰,王国旗,陆炜,等.基于车载监测法的型大城市射频公众曝露探讨J.环境监测管理与技术,2017,29(05):60-63.13Kurnaz C,Mutlu M.Comprehensive radiofrequency electromagnetic field measurements and assessments:A city center exampleJ.Environmental Monitoring and Assessment,2020,192(6):334.14武攀峰,王国旗,陆炜,等.基于车载移动的区域射频电磁辐射监测方法比较研究J.辐射防护,2017,37(05):374-379.15徐辉,李飞,李苗,等.车载巡测在区域射频电磁环境质量监测与表征中的应用分析J.环境监控与预警,2020,12(06):32-37.16生态环境部.5G 移动通信基站电磁辐射环境监测方法:HJ 11512020S.北京:中国环境科学出版社,2020.17谢处方.电磁场与电磁波M.北京:高等教育出版社,2006:206.18环境保护部.电磁环境控制限制:GB 87022014S.北京:中国环境科学出版社,2014.19国家环境保护局.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:HJ/T 10.31996S.北京:中国环境科学出版社,1996.20陈为.数据可视化M.北京:电子工业出版社,2019:305-337.21Zhu G,Gong X,Luo R.Characterizing and mapping of exposure to radiofrequency electromagnetic fields(20-3,000 MHz)in Chengdu,ChinaJ.Health Physics,2017,112(3):266.Application of vehicle-mounted frequency-selection measurementin urban electromagnetic environment monitoringTANG Hui,GAO Peng,SU Kunpu,TANG Yanbo,XU Bin,GU Hong,LI Yuandong,MIAO Erkang(Sichuan Management and Monitoring Center Station of Radioactive Environment,Chengdu 611139)Abstract:Objective:To measure the level of urban electromagnetic environment more efficiently and accurately and master the composition of electromagnetic environment.Methods:The DZER100 vehicle-mounted fast frequency selection measurement system was developed jointly with Chengdu Dot Matrix Technology Co.,LTD.The full-band scanning time of the system was 300 ms under the condition of 30 MHz-6 GHz frequency band and 100 kHz resolution.With a driving speed of 60 km/h and a distance of 5 m between measuring points,the total field intensity,spectrum and electromagnetic environment of specific frequency band of each measuring 613唐辉等:车载式选频测量(30 MHz6 GHz)在城市电磁环境水平监测的应用 point can be effectively obtained.Results:14 393 effective point data were obtained for 5.3 km2 area.Through automatic analysis of system data,the average electric field intensity of the whole area was about 1.23 V/m,and the ratio of 0 V/m-2 V/m reached 87.411%.The average value of standard ratio was 1.41%,and only 0.24%of the sites accounted for more than 20%.Through the spectrum visualization analysis function,the spectrum composition of the focus point and the contribution of the focus frequency band can be quickly grasped.Conclusion:The vehicle-mounted frequency selection measurement(30 MHz-6 GHz)can realize the simultaneous measurement of the total field intensity and spectrum of each point,which effectively solves the remaining pain points caused by the use of non-frequency monitoring instruments.The obtained data amount is far more than that of the traditional grid measurement method,and the data are more representative,which can reflect the electromagnetic environment in the region more comprehensively.The vehicle-mounted frequency selection measurement can meet various requirements such as the measurement and evaluation of the overall level of regional electromagnetic environment and the analysis of the composition of the electromagnetic environment source terms,and provide more detailed and accurate basic data for the management of electromagnetic environment through visualized data.Key words:vehicle type;frequency selection measurement;urban electromagnetic environment level;monitoring出版物介绍ICRU 的辐射防护出版物国际辐射单位与测量委员会(ICRU)的最初和持续目标是对放射科医生和患者的辐射防护,最初只针对 X 射线和伽马射线。自 20 世纪 50 年代以来,辐射防护领域已扩大到其他辐射工作者的职业照射和一般公众的环境照射以及其他类型的电离辐射照射。ICRU 一直坚持对辐射防护领域概念和计量问题的关注。ICRU 在辐射防护概念方面的工作包括 1962 年采用剂量当量,以便说明辐射质量。在国际放射防护委员会(ICRP)采用有效剂量当量作为核心但不可测量的辐射防护量之后,ICRU 制定并采用了可测量的实用量,以便能够评估外照射的防护量。ICRU 报告 39(1985 年)和 ICRU 报告 43(1988 年)介绍了 ICRU 的实用量。测量这些实用量的指南报告 47(光子)(1992 年)和第 66 号报告(中子)(2001 年)。关于实用量概念和实际实施的修订和更新,请参见关于外照射辐射防护实用量的第 95(2020)号报告(与 ICRP 联合发布)。关于概念方面,ICRU 发布了关于低剂量和其他特殊照射的量和报告的第 86 号报告(2011 年)。作为其职权范围的一部分,ICRU 公布了用于实际辐射防护的基本数据。1998 年,ICRU 发表了第 57 号报告,“外照射的辐射防护的转换系数”(也作为 ICRP 第 74 号出版物出版)。与 ICRP 联合编写了最新资料外照射辐射防护量的剂量转换系数,并作为 ICRP 第 116 号出版物(2010 年)出版。机组人员宇宙辐射照射剂量的参考数据的有效性与 ICRU 联合发布在第 84 号报告(2010 年)中。在辐射防护测量领域,ICRU 就具体技术和程序提供了指导和建议的下列报告:关于环境中伽马射线能谱法的第 53号报告(1994 年)、关于辐射防护外部 射线剂量测定的第 56 号报告(1997 年)、关于直接测定放射性核素体内含量的第69 号报告(2003 年)、关于测量和报告氡暴露的第 88 号报告(2012 年)。关于电离辐射照射回顾性评估的第 68 号报告(2002 年)已更新,并由关于急性照射后初始阶段人员剂量评估方法的第 94 号报告(2019 年)加以补充。在环境照射领域,ICRU 发表了关于放射生态学的量、单位和术语的第 65 号报告(2001 年)、关于环境中放射性核素采样的第 75 号报告(2006 年)和关于环境中伽马射线能谱法的第 53 号报告(1994 年)。根据切尔诺贝利和福岛核事故后的经验教训,ICRU 发布了关于放射性核素大量释放到环境中后保护公众的辐射监测的第 92 号报告(2015)。(来源:ICRU 网站)713