輻射環境保護管理導則 電磁輻射監測儀器和方法(HJ/T 10.2-1996)

2006/9/12 17:07:00

中華人民共和國環境保護行業標準    HJ/T 10.2-1996

輻射環境保護管理導則

電磁輻射監測儀器和方法

Guidline on Management of Radioactive Environmental Protection

Electromagnetic Radiation Monitoring Instruments and Methods

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  1 電磁輻射測量儀器
    本導則所稱電磁輻射限于非電離輻射。電磁輻射的測量按測量場所分為作業環境、特定公眾暴露環境、一般公眾暴露環境測量。按測量參數分為電場強度、磁場強度和電磁場功率通量密度等的測量。對于不同的測量應選用不同類型的儀器，以期獲取最佳的測量結果。測量儀器根據測量目的分為非選頻式寬帶輻射測量儀和選頻式輻射測量儀。
1.1 非選頻式寬帶輻射測量儀
1.1.1 工作原理
   偶極子和檢波二極管組成探頭
   這類儀器由三個正交的2~10cm長的偶極子天線，端接肖特基檢波二極管、RC濾波器組成。檢波后的直流電流經高阻傳輸線或光纜送入數據處理和顯示電路。當D≤h時（D偶極子直徑，h偶極子長度）偶極子互耦可忽略不計，由于偶極子相互正交，將不依賴場的極化方向。探頭尺寸很小，對場的擾動也小，能分辨場的細微變化。偶極子等效電容CA、電感LA根據雙錐天線理論求得：
CA= (π·ε0·L)/｛ln(L/a)+S/2L-1｝……………………………………（1.1）
LA = μ（ln 　 － 　）……………………………………（1.2）
式中：a --天線半徑；
      S --偶極子截面積；
      L --偶極子實際長度。
由于偶極子天線阻抗呈容性，輸出電壓是頻率的函數：

V= · ………………………………（1.3）
式中：ω--角頻率，ω=2·π·f ，f頻率；
CL--天線縫隙電容和負載電容；
RL--負載電阻。
國家環境保護局 1996-05-10批準 1996-05-10 實施
由于CA、CL基本不變，只要提高RL就可使頻響大為改善，使輸出電壓不受場源頻率影響，因此必須采用高阻傳輸線。
當三副正交偶極子組成探頭時，它可以分別接收x、y、z三個方向場分量，經理論分析得出：
Udc = C·|Ke|2·[|Ex(r·ω)|2 +|Ey(r·ω)|2+|Ez(r·ω)|2]
= C·|Ke|2·|E(r·ω)|2……………………………………（1.4）
式中：C --檢波器引入的常數；
Ke --偶極子與高頻感應電壓間比例系數；
Ex、Ey、Ez --分別對應于x、y、z方向的電場分量；
E --待測場的電場矢量。
（1.4）式為待測場的厄米特幅度（Hermitian）可見用端接平方律特性二極管的三維正交偶極子天線總的直流輸出正比于待測場的平方，而功率密度亦正比于待測場的平方，因此經過校準后，Udc的值就等于待測電場的功率密度。如果電路引入開平方電路，那么Udc值就等于待測電場強度值。偶極子的長度應遠小于被測頻率的半波長，以避免在被測頻率下諧振。這一特性決定了這類儀器只能在低于幾吉赫頻率范圍使用。熱電偶型探頭采取三條相互垂直的熱電偶結點陣作電場測量探頭，提供了和熱電偶元件切線方向場強平方成正比的直流輸出。待測場強為：
E = E2x+E2y+E2z ………………………………………（1.5）
與極化無關。沿熱電偶元件直線方向分布的熱電偶結點陣，保證了探頭有極寬的頻帶。沿x、y、z三個方向分布的熱電偶元件的最大尺寸應小于最高工作頻率波長的1/4，以避免產生諧振。整個探頭像一組串聯的低阻抗偶極子或像一個低Q值的諧振電路。磁場探頭由三個相互正交環天線和二極管、RC濾波元件、高阻線組成，從而保證其全向性和頻率響應。環天線感應電勢為：
ζ=μ0·N·π·b2·ω·H
式中：N --環匝數；
b --環半徑；
H --待測場的磁場強度。
1.1.2 對電性能的要求
  使用非選頻式寬帶輻射測量儀實施環境監測時，為了確保環境監測的質量，應對這類儀器電性能提出基本要求：
各向同性誤差≤±1dB
系統頻率響應不均勻度≤±3dB
靈敏度：0.5V/m
校準精度：±0.5dB
1.1.3 常用的非選頻式輻射測量儀
附錄A1為常用的非選頻式寬帶輻射測量儀的有關數據。實施環境電磁輻射監測時，可根據具體需要選用其中儀器。
1.2 選頻式輻射測量儀
這類儀器用于環境中低電平電場強度、電磁兼容、電磁干擾測量。除場強儀（或稱干擾場強儀）外，可用接收天線和頻譜儀或測試接收機組成的測量系統經校準后，用于環境電磁輻射測量。
工作原理
場強儀（干擾場強儀）
待測場的場強值：
E（dBμV/m）= K (dB)+Vr（dBμV）+L（dB）………………………………（2.1）
式中K是天線校正系數，它是頻率的函數，可由場強儀的附表中查得。場強儀的讀數Vr必須加上對應K值和電纜損耗L才能得出場強值。但近期生產的場強儀所附天線校正系數曲線所示K值已包括測量天線的電纜損耗L值。
當被測場是脈沖信號時，不同帶寬Vr值不同。此時需要歸一化于1MHz帶寬的場強值，即 ：

E（dBμV/m）= K (dB)+Vr（dBμV）+20lg +L（dB） …………………………（2.2）

BW為選用帶寬，單位MHz。測量寬帶信號環境輻射峰值場強時，要選用盡量寬的帶寬。相應平均功率密度為：

Pd（μW/cm2）= ……………………………（2.3）

上式中q為脈沖信號占空比，K、L值查表可得，Vr為場強值讀數，于是E和Pd可以方便地計算出來。
頻譜儀測量系統
這種測量系統工作原理和場強儀一致，只是用頻譜儀作接收機，此外頻譜儀的dBm讀數須換算
dBμV。對50Ω系統，場強值為：
E（dBμV/m）= K (dB)+A（ABm）+107（dBμV）+L（dB）………………………………（2.4）
頻譜儀的類型不受限制，頻譜儀天線系統必須校準。
微波測試接收機
用微波接收機、接收天線也可以組成環境監測系統。扣除電纜損耗，功率密度Pd按下式計算：
Pd = ·10 （mW/cm2）…………………………………………（2.5）
式中：G --天線增益（倍數）；
λ--工作波長（cm）；
A--數字幅度計讀數（dBm）；
B--0dB輸入功率（dBm）。
由上述測試接收機組成的監測裝置的靈敏度取決于接收機靈敏度。天線系統應校準。用于環境電磁輻射測量的儀器種類較多，凡是用于EMC（電磁兼容）、EMI（電磁干擾）目的的測試接收機都可用于環境電磁輻射監測。專用的環境電磁輻射監測儀器，也可用上面介紹的方法組成測量裝置實施環境監測。常用的常用輻射測量儀器見附錄A2。

2 電磁輻射污染源監測方法
2.1 環境條件
  應符合行業標準和儀器標準中規定的使用條件。測量記錄表應注明環境溫度、相對濕度。
2.2 測量儀器
   可使用各向同性響應或有方向性電場探頭或磁場探頭的寬帶輻射測量儀。采用有方向性探頭時，應在測量點調整探頭方向以測出測量點最大輻射電平。測量儀器工作頻帶應滿足待測場要求，儀器應經計量標準定期鑒定。
2.3 測量時間
   在輻射體正常工作時間內進行測量，每個測點連續測5次，每次測量時間不應小于15秒，并讀取穩定狀態的最大值。若測量讀數起伏較大時，應適當延長測量時間。
2.4 測量位置
2.4.1 測量位置取作業人員操作位置，距地面0.5、1、1.7m三個部位。
2.4.2 輻射體各輔助設施（計算機房、供電室等）作業人員經常操作的位置，測量部位距地面0.5、1、1.7m。
2.4.3 輻射體附近的固定哨位、值班位置等。
2.5 數據處理
  求出每個測量部位平均場強值（若有幾次讀數）。
2.6 評價
   根據各操作位置的E值（H、Pd）按國家標準《電磁輻射防護規定》（GB 8702-88）或其它部委制定的"安全限值"作出分析評價。
3 一般環境電磁輻射測量方法
3.1 測量條件
3.1.1 氣候條件
   氣候條件應符合行業標準和儀器標準中規定的使用條件。測量記錄表應注明環境溫度、相對濕度。
3.1.2 測量高度
   取離地面1.7m~2m高度。也可根據不同目的，選擇測量高度。
3.1.3 測量頻率
   取電場強度測量值＞50dBμV/m的頻率作為測量頻率。
3.1.4 測量時間
  基本測量時間為5：00~9：00，11：00~14：00，18：00~23：00城市環境電磁輻射的高峰期。若24小時晝夜測量，晝夜測量點不應少于10點。
測量間隔時間為1h，每次測量觀察時間不應小于15s，若指針擺動過大，應適當延長觀察時間。
3.2 布點方法
3.2.1 典型輻射體環境測量布點
   對典型輻射體，比如某個電視發射塔周圍環境實施監測時，則以輻射體為中心，按間隔45°的八個方位為測量線，每條測量線上選取距場源分別30、50、100m等不同距離定點測量，測量范圍根據實際情況確定。
3.2.2 一般環境測量布點
   對整個城市電磁輻射測量時，根據城市測繪地圖，將全區劃分為1×1km2或2×2km2小方格，取方格中心為測量位置。
3.2.3 按上述方法在地圖上布點后，應對實際測點進行考察。考慮地形地物影響，實際測點應避開高層建筑物、樹木、高壓線以及金屬結構等，盡量選擇空曠地方測試。允許對規定測點調整，測點調整最大為方格邊長的1/4，對特殊地區方格允許不進行測量。需要對高層建筑測量時，應在各層陽臺或室內選點測量。
3.3 測量儀器
3.3.1 非選頻式輻射測量儀
   具有各向同性響應或有方向性探頭的寬帶輻射測量儀屬于非選頻式輻射測量儀。用有方向性探頭時，應調整探頭方向以測出最大輻射電平。
3.3.2 選頻式輻射測量儀
   各種專門用于EMI測量的場強儀，干擾測試接收機，以及用頻譜儀、接收機、天線自行組成測量系統經標準場校準后可用于此目的。測量誤差應小于±3dB,頻率誤差應小于被測頻率的10-3數量級。該測量系統經模/數轉換與微機聯接后，通過編制專用測量軟件可組成自動測試系統，達到數據自動采集和統計。自動測試系統中，測量儀可設置于平均值（適用于較平穩的輻射測量）或準峰值（適用于脈沖輻射測量）檢波方式。每次測試時間為8~10min，數據采集取樣率為2次/s，進行連續取樣。
3.4 數據處理
3.4.1 如果測量儀器讀出的場強瞬時值的單位為分貝（dBμV/m），則先按下列公式換算成以V/m為單位的場強：
Ei=10 （V/m） ………………………………（3.1）
x --場強儀讀數（dBμv/m），然后依次按下列各公式計算：

E = ∑Ei (V/m) ……………………………………（3.2）

Es = ∑E2 (V/m) ……………………………………（3.3）

EG = ∑Es (V/m) ……………………………………（3.4）

上述各式中：Ei --在某測量位、某頻段中被測頻率i的測量場強瞬時值（V/m）；
n --Ei值的讀數個數；
E --在某測量位、某頻段中各被測頻率i的場強平均值（V/m）；
Es--在某測量位、某頻段中各被測頻率的綜合場強（V/m）；
EG--在某測量位、在24h（或一定時間內）內測量某頻段后的總的平均綜合場強（V/m）；
M--在24h（或一定時間內）內測量某頻段的測量次數。
測量的標準誤差仍用通常公式計算。如果測量儀器的是非選頻式的，不用（3.3）式。

3.4.2 對于自動測量系統的實測數據，可編制數據處理軟件，分別統計每次測量中測值的最大值Emax、最小值Emin、中值、95%和80%時間概率的不超過場強值E（95%）、E（80%），上述統計值均以（dBμV/m）表示。還應給出標準差值σ(以dB表示)。
如系多次重復測量，則將每次測量值統計后，再按4.4.1進行數據處理。
3.5 繪制污染圖
3.5.1 繪制：頻率-場強、時間-場強、時間-頻率、測量位-總場強值等各組對應曲線。
3.5.2 典型輻射體環境污染圖    以典型輻射體為圓心，標注等場強值線圖（參見附錄B1），或以典型輻射體為圓心，標注根據（4.5）式或(4.6)式得出的計算值的等值線圖。
3.5.3 居民區環境污染圖
   在有比例的測繪地圖上標注等場強值線圖，或標注根據（4.5）式或(4.6)式得出的計算值的等值線圖。根據需要亦可在各地區地圖上做好方格，用顏色或各種形狀圖線表示不同的場強值（參見附錄B2），或根據（4.5）式或（4.6）式得出的計算值。
3.6 質量保證
3.6.1 測量方案必須嚴格審議。
3.6.2 充分考慮測量的代表性。
3.6.3 測量結果準確可靠、有比對性。
3.6.4 數據處理方法正確。
3.7 環境質量評價
3.7.1 用非選頻寬帶輻射測量儀時，由于測量位測得的場強（功率密度）值，是所有頻率的綜合場強值，24h內每次測量綜合場強值的平均值即總場強值亦是所有頻率的總場強值。由于環境中輻射體頻率主要在超短波頻段（30~300MHz），測量值和超短波頻段安全限值的比值≤1,基本上對居民無影響,如果評價典型輻射體,則測量結果應和輻射體工作頻率對應的安全限值比較。

≤1 ……………………………………（3.5）
式中：EG--某測量位置總場強值（V/m）；
L --典型輻射體工作頻率對應的安全限值或超短波頻段安全限值（V/m）。
3.7.2 用選頻式場強儀時：
∑ ≤1 …………………………………………（3.6）

式中：EGi--測量位置某頻段總的平均綜合場強值（V/m）；
Li--對應頻段的安全限值（V/m）。
4 環境質量預測的場強計算
為了估算輻射體對環境的影響，對于典型的中波、短波、超短波發射臺站的發射天線在環境中輻射
場強按（4.1）式至(4.6)式計算。對正方形、圓口面微波天線在環境中輻射場功率密度按（4.7）式和（4.8）式計算：
4.1 中波(垂直極化波)
理論公式：
E = P·η·G·F（h）·F（△· ф）·A……………………（4.1）
近似公式：

E = P· G· A （mV/m）………………………………………（4.2）
式中：
A = 1.41 ………………………………………………（4.3）

X= · …………………………………………（4.4）

上述各式中：d--被測位置與發射天線水平距離（km）；
P--發射機標稱功率（kW）；
η--天線效率（%）；
G--相對于接地基本振子（點源天線G=1）的天線增益（倍數）；
F（h）--發射天線高度因子，
F（h）=1~1.43;
F(△·ф)--發射天線垂直面（△仰角）、水平面（方位角φ）方向性函數，△max=0；
A--地面衰減因子；
X--數量距離；
λ--波長（m）；
ε--大地的介電常數（無量綱）；
σ--大地的導電系數，1/（Ω·m）。
(4.2)近似公式是：η≈1、F（h）≈1.2、F（△· φ）=1得出的，即舒來依金-范德波爾公式。
4.2 短波（水平極化波）
短波（水平極化波）場強計算公式同(4.2)、(4.3)，但水平極化波的X按（4.5）計算。各量綱同前。

X = · ……………………………………（4.5）

4.3 超短波(電視、調頻)
E = F（θ） (mW/cm2) ………………………………（4.6）

式中：P --發射機標稱功率（kW）；
G --相對于半波偶極子（G0.5λ=1.64）天線增益(倍數)；
r --測量位置與天線水平距離（km）；
F（θ）--天線垂直面方向性函數（視天線型式和層數而異）。
4.4 微波
近場最大功率密度Pdmax：
Pdmax= (mW/cm2) ………………………………（4.7）
式中：PT --送入天線凈功率（mW）；
S --天線實際幾何面積（cm2）。
（4.7）式給出的預測值,是對于具有正方形口面和圓錐形口面天線的情況(其精度＜±3dB)下天線近場區內最大功率密度值。
遠場軸向功率密度Pd：
Pd = (mW/cm2) ………………………………（4.8）

式中：P --雷達發射機平均功率（mW）；
G --天線增益（倍數）；
r --測量位置與天線軸向距離（cm）。

附錄A1 常用非選頻式輻射測量儀

名 稱 頻 帶 量 程 各向同性 探頭類型
微波漏能儀 0.915~12.4GHz 0.005~30mW/cm2 無 熱偶結點陣
微波輻射測量儀 1~10GHz 0.2~20mW/cm2 有 肖特基二極管偶極子
電磁輻射監測儀 0.5~1000MHz 1~1000V/m 有 偶極子
全向寬帶近區場強儀 0.2~1000MHz 1~1000V/m 有 偶極子
寬帶電磁場強計 E：0.1~3000MHzH：0.5~30MHz E：0.5~1000V/mH：1~2000A/m 有 偶極子環天線
寬帶電磁場強計 E：20~105HzH：50~60Hz E：1~20000V/mH：1~2000A/m 有 偶極子環天線
輻射危害計 0.3~18GHz 0. 1~200 mW/cm2 有 熱偶結點陣
輻射危害計 200kHz~26GHz 0.001~20 mW/cm2 有 熱偶結點陣
寬帶全向輻射監測儀 0.3~26GHz 8621B探頭:0.005~20 mW/cm28623探頭:0.05~100 mW/cm2 有 熱偶結點陣
寬帶全向輻射監測儀 10~300MHz 8631:0.005~200 mW/cm28633:0.05~100 mW/cm2 有 熱偶結點陣
寬帶全向輻射監測儀 0.3~26GHz10~300MHz 8621B:0.005~20 mW/cm28631:0.05~100 mW/cm2 有 熱偶結點陣
寬帶全向輻射監測儀 8635、863310~3000MHz864410~3000MHz 8633:0.05~100 mW/cm28644：0.0005~2W/cm28635：0.0025~10W/cm2 有 熱偶結點陣環天線
寬帶全向輻射監測儀 由決定選用探頭 由決定選用探頭 有 熱偶結點陣環天線
全向寬帶場強儀 E：5×10-4~6GHzH：0.3~3000MHz E：0.1~30V/mH：0.1~1000A2/m2 有 偶極子磁環天線