CC BY
53
ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ, ФОРМИРУЮЩИЕ ПРОБЛЕМНУЮ ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ ОБСТАНОВКУ В СВЧ И КВЧ ДИАПАЗОНАХ
© Гарец П.Д.*
Юго-Западный государственный университет, г. Курск
В статье приводится характеристика основных источников электромагнитных излучений СВЧ и КВЧ диапазонов и анализ существующей системы территориального экологического мониторинга. Выявляется потребность в разработке структурно-функцональной организации, основанной на использовании акустооптической ячейки
Ключевые слова электромагнитное излучение, источник электромагнитного излучения, акустооптическая ячейка, биологический радиоконтроль, перестраиваемый акустооптический фильтр.
Важная особенность электромагнитного излучения (ЭМИ) - это деление его на так называемую «ближнюю» и «дальнюю» зоны. В «ближней» зоне, или зоне индукции, на расстоянии от источника не превышающей длины ЭМИ можно считать квазистатическим. В «ближней» зоне излучения электромагнитная волне еще не сформирована. Для характеристики ЭМП измерения переменного электрического поля Е и переменного магнитного поля Н производятся раздельно. Поле в зоне индукции служит для формирования бегущих составляющей полей (электромагнитной волны), ответственных за излучение. «Дальняя» зона - это зона сформировавшейся электромагнитной волны. В «дальней» зоне интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника.
В России на частотах выше 300 МГц обычно измеряется плотность потока электромагнитной энергии (ППЭ), или вектор Пойтинга. Обозначается как S, единица измерения Вт/м2. ППЭ характеризует количество энергии, переносимой электромагнитной волной в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны [1].
Далее приводится международная классификация электромагнитных волн по частотам в виде таблицы.
Среди основных источников ЭМИ можно перечислить:
- Электротранспорт (трамваи, троллейбусы, поезда).
- Линии электропередач (городского освещения, высоковольтные).
- Электропроводка (внутри зданий, телекоммуникации).
- Бытовые электроприборы.
- Теле- и радиостанции (транслирующие антенны).
- Спутниковая и сотовая связь (транслирующие антенны).
* Аспирант кафедры Биомедицинской инженерии.
- Радары.
- Персональные компьютеры.
Таблица 1
Международная классификация электромагнитных волн по частотам
Наименование частотного Границы Наименование Границы
диапазона диапазона волнового диапазона диапазона
Крайние низкие, КНЧ 3-30 Гц Декамегаметровые 100-10 Мм
Сверхнизкие, СНЧ 30-300 Гц Мегаметровые 10-1 Мм
Инфранизкие, ИНЧ 0,3-3 кГц Гектокилометровые 1000-100 км
Очень низкие, ОНЧ 3-30 кГц Мириаметровые 100-10 км
Низкие частоты, НЧ 30-300 кГц Километровые 10-1 км
Средние, СЧ 0,3-3 МГц Гектометровые 1-0,1 км
Высокие частоты, ВЧ 3-30 МГц Декаметровые 100-10 м
Очень высокие, ОВЧ 30-300 МГц Метровые 10-1 м
Ультравысокие,УВЧ 0,3-3 ГГц Дециметровые 1-0,1 м
Сверхвысокие, СВЧ 3-30 ГГц Сантиметровые 10-1 см
Крайне высокие, КВЧ 30-300 ГГц Миллиметровые 10-1 мм
Гипервысокие, ГВЧ 300-3000 ГГц Децимиллиметровые 1-0,1 мм
Среди перечисленных источников наиболее вредоносными в области территориального действия являются теле- и радиостанции, спутниковая и сотовая связь, а также радары.
На территории России в настоящее время размещается значительное количество передающих радиоцентров различной принадлежности. Передающие радиоцентры (ПРЦ) размещаются в специально отведенных для них зонах и могут занимать довольно большие территории (до 1000 га). По своей структуре они включают в себя одно или несколько технических зданий, где находятся радиопередатчики, и антенные поля, на которых располагаются до нескольких десятков антенно-фидерных систем (АФС). АФС включает в себя антенну, служащую для измерения радиоволн, и фидерную линию, подводящую к ней высокочастотную энергию, генерируемую передатчиком.
Зону возможного неблагоприятного действия ЭМП, создаваемых ПРЦ, можно условно разделить на две части.
Первая часть зоны - это собственно территория ПРЦ, где размещены все службы, обеспечивающие работу радиопередатчиков и АФС. Это территория охраняется и на нее допускаются только лица, профессионально связанные с обслуживанием передатчиков, коммутаторов и АФС. Вторая часть зоны - это прилегающие к ПРЦ территории, доступ на которые не ограничен и где могут размещаться различные жилые постройки, в этом случае возникает угроза облучения населения, находящегося в этой части зоны.
Расположение РНЦ может быть различным, например, в Москве и московском регионе характерно размещение в непосредственной близости или среди жилой застройки.
Высокие уровни ЭМП наблюдаются на территориях, а нередко и за пределами размещения передающих радиоцентров низкой, средней и высокой частоты (ПРЦ НЧ, СЧ и ВЧ). Детальный анализ электромагнитной обстановки на территориях ПРЦ свидетельствует о ее крайней сложности, связанной с индивидуальным характером интенсивности и распределения ЭМП для каждого радиоцентра. В связи с этим специальные исследования такого рода проводятся для каждого отдельного ПРЦ.
Широко распространенными источниками ЭМП в населенных местах в настоящее время являются радиотехнические передающие центры (РТПЦ), излучающие в окружающую среду ультракороткие волны ОВЧ и УВЧ диапазонов.
Сравнительный анализ санитарно-защитных зон (СЗЗ) и зон ограничения застройки в зоне действия таких объектов показал, что наибольшие уровни облучения людей и окружающей среды наблюдаются в районе размещения РТПЦ «старой постройки» с высотой антенной опоры не более 180 м. Наибольший вклад в суммарную интенсивность воздействия вносят «уголковые» антенны ОВЧ частотно модулированного вещания [2].
Радиостанции длинных волн (ДВ, частоты 30-300 кГц). В этом диапазоне длина волн относительно большая (например, 2000 м для частоты 150 кГц). На расстоянии одной длины волны или меньше от антенны поле может быть достаточно большим, например, на расстоянии 30 м от антенны передатчика мощностью 500 кВт, работающего на частоте 145 кГц, электрическое поле может быть выше 630 В/м, а магнитное - выше 1,2 А/м.
Радиостанции средних волн (СВ, частоты 300 кГц - 3 МГц). Данные для радиостанций этого типа говорят, что напряженность электрического поля на расстоянии 200 м может достигать 10 В/м, на расстоянии 100 м - 25 В/м, на расстоянии 30 м - 275 В/м (приведены данные для передатчика мощностью 50 кВт).
Радиостанции коротких волн (КВ, частоты 3-30 МГц). Передатчики радиостанций КВ имеют обычно меньшую мощность. Однако они чаще размещаются в городах, могут быть размещены даже на крышах жилых зданий на высоте 10 - 100 м. Передатчик мощностью 100 кВт на расстоянии 100 м может создавать напряженность электрического поля 44 В/м и магнитного поля 0,12 А/м [3].
Телевизионные передатчики располагаются, как правило, в городах. Передающие антенны размещаются обычно на высоте выше 110 м. С точки зрения оценки влияния на здоровье интерес представляют уровни поля на расстоянии от нескольких десятков метров до нескольких километров. Типичные значения напряженности электрического поля могут достигать 15 В/м на расстоянии 1 км от передатчика мощностью 1 МВт. В России в настоящее время проблема оценки уровня ЭМП телевизионных передатчиков особенно актуальна в связи с резким ростом числа телевизионных каналов и передающих станций.
Основной принцип обеспечение безопасности - соблюдение установленных санитарными нормами и правилами предельно допустимых уровней электромагнитного поля. Каждый радиопередающий объект имеет санитарный паспорт, в котором определены границы санитарно-защитной зоны. Только при наличии этого документа территориальные органы Госсанэпиднадзора разрешают эксплуатировать радиопередающие объекты. Периодически они производят контроль электромагнитной обстановки на предмет её соответствия установленным ПДУ.
Системы спутниковой связи состоят из приемопередающей станции на Земле и спутника, находящегося на орбите. Диаграмма направленности антенны станций спутниковой связи имеет ярко выраженной узконаправленный основной луч. Плотность потока энергии (ППЭ) в главном луче диаграммы направленности может достигать нескольких сотен Вт/м2 вблизи антенны, создавая также значительные уровни поля на большом удалении. Например, станция мощностью 225 кВт, работающая на частоте 2,38 ГГц, создает на расстоянии 100 км ППЭ равное 2,8 Вт/м2. Однако рассеяние энергии от основного луча очень небольшое и происходит больше всего в районе размещения антенны.
Сотовая радиотелефония является сегодня одной из наиболее интенсивно развивающихся телекоммуникационных систем. Основными элементами системы сотовой связи являются базовые станции (БС) и мобильные радиотелефоны (МРТ). Базовые станции поддерживают радиосвязь с мобильными радиотелефонами, вследствие чего БС и МРТ являются источниками электромагнитного излучения в УВЧ диапазоне. Важной особенностью системы сотовой радиосвязи является весьма эффективное использование выделяемого для работы системы радиочастотного спектра (многократное использование одних и тех же частот, применение различных методов доступа), что делает возможным обеспечение телефонной связью значительного числа абонентов. В работе системы применяется принцип деления некоторой территории на зоны, или «соты», радиусом обычно 0,5-10 километров.
Базовые станции поддерживают связь с находящимися в их зоне действия мобильными радиотелефонами и работают в режиме приема и передачи сигнала. В зависимости от стандарта, БС излучают электромагнитную энергию в диапазоне частот от 463 до 1880 МГц. Антенны БС устанавливаются на высоте 15-100 метров от поверхности земли на уже существующих постройках (общественных, служебных, производственных и жилых зданиях, дымовых трубах промышленных предприятий и т.д.) или на специально сооруженных мачтах. Среди установленных в одном месте антенн БС имеются как передающие (или приемопередающие), так и приемные антенны, которые не являются источниками ЭМП.
Исходя из технологических требований построения системы сотовой связи, диаграмма направленности антенн в вертикальной плоскости рассчи-
тана таким образом, что основная энергия излучения (более 90 %) сосредоточена в довольно узком «луче». Он всегда направлен в сторону от сооружений, на которых находятся антенны БС, и выше прилегающих построек, что является необходимым условием для нормального функционирования системы.
БС являются видом передающих радиотехнических объектов, мощность излучения которых (загрузка) не является постоянной 24 часа в сутки. Загрузка определяется наличием владельцев сотовых телефонов в зоне обслуживания конкретной базовой станции и их желанием воспользоваться телефоном для разговора, что, в свою очередь, коренным образом зависит от времени суток, места расположения БС, дня недели и др. В ночные часы загрузка БС практически равна нулю, т.е. станции в основном «молчат».
Исследования электромагнитной обстановки на территории, прилегающей к БС, были проведены специалистами разных стран, в том числе Швеции, Венгрии и России. По результатам измерений, проведенных в Москве и Московской области, можно констатировать, что в 100 % случаев электромагнитная обстановка в помещениях зданий, на которых установлены антенны БС, не отличалась от фоновой, характерной для данного района в данном диапазоне частот. На прилегающей территории в 91 % случаев зафиксированные уровни электромагнитного поля были в 50 раз меньше ПДУ, установленного для БС. Максимальное значение при измерениях, меньшее ПДУ в 10 раз, было зафиксировано вблизи здания на котором установлено сразу три базовые станции разных стандартов.
Имеющиеся научные данные и существующая система санитарно-гигиенического контроля при введения в эксплуатацию базовых станций сотовой связи позволяют отнести базовые станции сотовой связи к наиболее экологически и санитарно-гигиенически безопасным системам связи.
Мобильный радиотелефон (МРТ) представляет собой малогабаритный приемопередатчик. В зависимости от стандарта телефона, передача ведется в диапазоне частот 453-1785 МГц. Мощность излучения МРТ является величиной переменной, в значительной степени зависящей от состояния канала связи «мобильный радиотелефон - базовая станция», т.е. чем выше уровень сигнала БС в месте приема, тем меньше мощность излучения МРТ. Максимальная мощность находится в границах 0,125-1 Вт, однако в реальной обстановке она обычно не превышает 0,05-0,2 Вт. Вопрос о воздействии излучения МРТ на организм пользователя до сих пор остается открытым. Многочисленные исследования, проведенные учеными разных стран, включая Россию, на биологических объектах (в том числе, на добровольцах), привели к неоднозначным, иногда противоречащим друг другу, результатам.
Радиолокационные станции оснащены, как правило, антеннами зеркального типа и имеют узконаправленную диаграмму излучения в виде луча, направленного вдоль оптической оси.
Радиолокационные системы работают на частотах от 500 МГц до 15 ГГц, однако отдельные системы могут работать на частотах до 100 ГГц. Создаваемый ими электромагнитный сигнал принципиально отличается от излучения иных источников. Связано это с тем, что периодическое перемещение антенны в пространстве приводит к пространственной прерывистости облучения. Временная прерывистость облучения обусловлена цикличностью работы радиолокатора на излучение. Время наработки в различных режимах работы радиотехнических средств может исчисляться от нескольких часов до суток. Так у метеорологических радиолокаторов с временной прерывистостью 30 мин - излучение, 30 мин - пауза суммарная наработка не превышает 12 ч, в то время как радиолокационные станции аэропортов в большинстве случаев работают круглосуточно. Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости обычно составляет несколько градусов, а длительность облучения за период обзора составляет десятки миллисекунд.
Радары метрологические могут создавать на удалении 1 км ППЭ ~ 100 Вт/м2 за каждый цикл облучения. Радиолокационные станции аэропортов создают ППЭ ~ 0,5 Вт/м2 на расстоянии 60 м. Морское радиолокационное оборудование устанавливается на всех кораблях, обычно оно имеет мощность передатчика на порядок меньшую, чем у аэродромных радаров, поэтому в обычном режиме сканирование ППЭ, создаваемое на расстоянии нескольких метров, не превышает 10 Вт/м2.
Возрастание мощности радиолокаторов различного назначения и использование остронаправленных антенн кругового обзора приводит к значительному увеличению интенсивности ЭМИ СВЧ диапазона и создает на местности зоны большой протяженности с высокой плотностью потока энергии. Наиболее неблагоприятные условия отмечаются в жилых районах городов, в черте которых размещаются аэропорты [4].
В настоящее время к современным измерителям ЭМИ можно отнести измеритель П3-41. Измеритель П3-41 разработан с целью обнаружения и контроля биологически опасных уровней электромагнитных излучений напряженности, плотности потока энергии для обеспечения выполнения требований Общего Технического Регламента об электромагнитной совместимости и безопасности, действующего в странах Европейского Союза и РФ. Измеритель П3-41 предназначен для выполнения измерений в соответствии с действующими правовыми и нормативными документами Госкомэпиднадзора РФ: ГОСТ 12.1.006-84, ГН2.1.8/2.2.4.019-90, СанПиН 2.2.4/2/1/8055-96, СанПиН 2.1.2.1002-00, СанПиН 2.1.8/2.2.41190-03, СанПиН 2.2.4.1191-03 [5].
Далее приводится таблица характеристики антенн-преобразователей измерителя.
Таблица 2
Характеристики антенн-преобразователей ПЗ-41
Тип антенны преобразователя (АП) АП-1 (ППЭ) АП-2 (ППЭ) АП-3 (Е) АП-4 (Е) АП-5 (Н)
Рабочий диапазон частот (0,3-40) ГГц (0,3-40) ГГц (0,03-300) МГц (0,03-300) МГц (0,03-50) МГц
Пределы измерения электрической составляющей напряженности (Е) (В/м) 1-615 61,4-1940 0,5-300 10-1500 -
Пределы измерения магнитной составляющей напряженности (Н) (А/м) - - - - 0,05-8
Пределы измерения плотности потока энергии (ППЭ) (мкВт/см2 0,26-100000 1000-1000000 0,066-23800 26,5-600000 -
Неравномерность коэффициента преобразования в рабочем диапазоне частот не более: 9 дБ 9 дБ 12 дБ 8 дБ 7 дБ
Приемным устройством данного измерителя является антенный преобразователь. Для того, чтобы осуществлять долговременное измерение электромагнитного загрязнения окружающей среды, необходимо переключать АП под интересующий диапазон частот ЭМИ. Такой род деятельности не всегда может обеспечить эффективный мониторинг в области наиболее интенсивного ЭМИ на различных диапазонах частот, в частности СВЧ и КВЧ полей.
Эффективность измерения и сбора информации о параметрах ЭМИ, загрязняющих экологическую обстановку, можно достичь путем использования акустооптического преобразователя в структурно функциональной организации устройства.
Развитие измерительной техники требует качественной обработки результатов, получаемых при мониторинге за ЭМИ. Существенная часть информации содержится в спектральных распределениях исследуемых объектов. Эта информация может быть выделена путем многоспектральной обработки с помощью перестраиваемых акустооптических фильтров (ПАОФ). Информация, полученная с помощью ПАОФ, является эффективным средством исследования и радиоконтроля биологически опасных для здоровья населения ЭМИ, позволяя одновременно регистрировать как их спектры отражения и излучения.
В данном случае удается реализовать селекцию компонентов поля внутри самого акустооптического устройства, что повышает селективные свойства акустооптического устройства с помощью весьма простых и доступных средств.
По сравнению с существующими преобразователями в системах радиоконтроля, акустооптическая система (АОС) обладает следующими достоинствами:
- АОС может перестраиваться по длинам волн в произвольной последовательности. При этом время перестройки спектрометра с одной
длины волны на другую произвольную длину волны принципиально ограничено лишь временем пробега звука через кристалл. Это свойство произвольного спектрального доступа, недоступное аналогичным приборам, позволяет качественно по новому строить алгоритмы измерения и анализа спектров, сделав их наиболее оптимальными. Более того, поскольку эта последовательность может определяться непосредственно в процессе измерения, то АОС позволяет реализовать адаптивные (самонастраивающиеся) режимы измерений.
- АОС устойчива в отношении толчков, ударов и вибрации, что делает такие системы идеально подходящим измерителем для полевых или производственных условий эксплуатации.
- Существует возможность управления аппаратной функцией АОС за счет управления характеристиками ультразвуковой волны. Это свойство, не имеющее аналогов, позволяет строить на основе аку-стооптической ячейки адаптивные системы мониторинга и анализа.
Таким образом, существует противоречие между современными требованиями эффективного получения и обработки получаемой информации о территориальном распределении ЭМИ высоких и сверхвысоких частот и возможностями существующих методов и средств приема и обработки радиоизлучений применительно к экологическому мониторингу ЭМИ (ЭМЭМИ).
Повышение уровня сложности систем, осуществляющих обширный территориальный мониторинг ЭМИ, обусловливает значительное увеличение точности результатов и характеристик процессов их функционирования. Поэтому полнота, достоверность, своевременность получения, преобразования и доставки измерительной информации зависит от структурно-функциональной организации (СФО) систем мониторинга ЭМИ.
Поэтому новой возможной научной технической задачей может является разработка и исследование моделей, методов, алгоритмов функционирования систем территориального экологического мониторинга ЭМИ СВЧ и КВЧ на основе акустооптических (АО) спектроанализаторов.
Применение акустооптических фильтров для спектроскопии дает возможность создания малогабаритных высоконадежных устройств с большим временем работы при относительно высоком спектральном разрешении и возможности фильтрации исследований. Поэтому применение таких устройств в радиоконтроле и радиобиологии обещает большие преимущества по сравнению с классическими спектральными схемами.
Список литературы:
1. Интегральная медицина XXI века / АНО «НИИЦ «Радиофизические Тестовые Технологии». - М.
2. ФБУ «ФЦАО», Федеральное Государственное бюджетное учреждение, Федеральный центр анализа и оценки техногенного воздействия.
3. Степанов Б.Г. Справочник коротковолновика. - М., ДОСААФ, 1986.
4. Михайлов Л.А., Соломин В.П., Беспамятных Т.А. и др. Безопасность жизнедеятельности. - 2-е изд. - СПб.: Питер, 2012. - С. 342-347.
5. Исследовано в России [Электронный ресурс] / Измеритель уровней электромагнитных излучений П3-41 с расширенным выводом информации. -Режим доступа: www.piton.nnov.ru/p3-41.php (дата обращения: 15.01.2016).
