雷達探測技術在核電站實物保護系統中的應用

陳春華

摘要：核電是重要的清潔能源，國務院提出要加快建設現代核電產業體系，打造核電強國。核電站實物保護系統作為核電安全防護的重要保障，隨著核電發展，對實物保護系統提出了更高的要求。雷達探測防護技術經過多年發展，已經從軍事領域延伸到民用領域。文章對雷達探測技術在核電站實物保護系統中的應用進行了探討。

關鍵詞：核電站；實物保護系統；雷達探測技術；核電安全保護；核安全 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM623 文章編號：1009-2374（2015）28-0058-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.028

1 概述

核安全事關核能與核技術利用事業發展，事關環境安全，事關公眾利益。日本福島核事故發生后，進一步保障核安全與防治放射性污染任務更加艱巨和緊迫，相關工作面臨新的形勢和挑戰。核電站實物保護是為防止入侵者盜竊、搶劫、非法轉移核材料或破壞核設施所采取的保護措施。實物保護系統是采用探測、延遲及反應的技術和能力，阻止破壞核設施的行為和防止盜竊、搶劫或非法轉移核材料活動的安全防范系統。國家核安全局《核設施實物保護》安全導則中提出實物保護系統應按設施級別設置多重實體屏障，應配置多層次和不同技術類型的探測報警系統。目前國內外核電站實物保護的探測系統多采用張力圍欄和微波對射等技術，這些技術主要是對邊界或者小范圍區域進行防護，但是普遍缺乏主動探測及低空防護能力。

雷達探測技術是成熟的探測報警技術，早先主要應用在軍事領域。雷達探測的優點是白天黑夜均能探測遠距離的目標，且不受霧、云、風和雨的阻擋，具有全天候、全天時的特點，并有一定的穿透能力。近年來，隨著雷達技術的發展及元器件制作水平的提高，雷達探測技術在工業和民用領域應用越來越廣泛。本文通過對雷達探測技術的研究及不同種類雷達的特點分析，結合核電站實物保護系統的現實需求，探討了雷達在核電站沿海探測預警、低空入侵探測及周界防護等應用場景。通過雷達探測技術，不但能夠對大面積區域進行主動探測和防護，而且能夠對沿海和低空進行入侵探測和預警，從而顯著提高核電站現有實物保護系統的技防水平。

2 雷達探測技術

雷達是英文Radar的音譯，源于Radio Detection and Ranging的縮寫，意為無線電檢測和測距。雷達是用無線電方法發現目標并測定它們在空間的位置的電子設備。雷達概念形成于20世紀初，在第二次世界大戰前后獲得飛速發展。雷達的工作原理是設備的發射機通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波；雷達天線接收此反射波，送至接收設備進行處理，提取該物體的相關信息，包括目標物體至雷達的距離、距離變化率或徑向速度、目標物體的方位、高度等。雷達不僅是軍事上必不可少的電子裝備，而且廣泛應用于社會經濟發展（如氣象預報、資源探測、環境監測等）、科學研究（天體研究、大氣物理、電離層結構研究等）及民用和工業領域（汽車測速、防碰撞、區域探測防護等）。雷達在洪水監測、海冰監測、土壤濕度調查、森林資源清查、地質調查等方面也都顯示了很好的應用潛力。

2.1 雷達工作原理

雷達是利用目標對電磁波的反射（二次散射）現象來發現目標并測定其位置的。圖1是典型的一次雷達工作流程框圖。雷達發射機產生電磁波經由環形器傳輸給天線，天線將電磁波定向輻射到空中，電磁波在空氣中以光速（約3×108m/s）傳播，電磁波碰到目標后會發生向各個方向發生散射，其中一部分散射的能量朝向雷達接收天線方向。雷達接收到反射回波后，經傳輸線和環形器發送給接收機，接收機具有很高的靈敏度，將接收到的微弱回波信號放大并進行信號處理后，將處理后的結果送至顯示器進行顯示。

測距是雷達的主要功能之一，電磁波在空氣中以固定的速度（光速）進行傳播，假設雷達發送雷達波到接收機接收到回波的延遲時間為tR，即電磁波往返一次所需要的時間，可以得到：

2.2 雷達頻率及分類

雷達發射的電磁波的頻率就是它的工作頻率。工作頻率對雷達起著至關重要的作用，直接影響雷達的探測距離、角分辨率、多普勒測速性能和雷達的尺寸、重量和造價等。常用的雷達工作頻率范圍為220MHz～35GHz，實際上隨著雷達技術的發展及雷達特性和功能的不同，許多雷達的工作頻率都超出了上述范圍。例如超視距雷達的工作頻率低至2～5MHz，而毫米波雷達工作頻率可能高達300GHz。對于一種特定的雷達，它的最佳工作頻率由它所要完成的任務決定。同時，工作頻率的選擇又是對雷達的尺寸、發射功率、天線波束寬度等的綜合考慮。通常利用表樣1給出的字符來標識雷達常用工作頻段。這些字符表示的波段名稱在雷達領域是通用的。它作為一種標準已被電氣和電子工程師協會（IEEE）正式接受。IEEE521-2002專門針對毫米波雷達波段做出了相關的說明，與ITU保持一致，即V波段、W波段及Ka波段的一部分也劃分到毫米波雷達波段范圍。雷達種類很多，分類方法也很復雜，例如：（1）按定位方法可分為有源雷達、半有源雷達和無源雷達；（2）按發射雷達信號形式可分為脈沖雷達和連續波雷達、脈沖壓縮雷達和頻率捷變雷達等；（3）按工作頻段可分為米波雷達、分米波雷達、厘米波雷達和其他波段雷達，包括超視距雷達、微波雷達、毫米波雷達以及激光雷達等。

2.3 FMCW毫米波雷達技術

雷達探測技術應用在核電站實物保護系統的主要任務是能夠對要害區、海面、低空等防護區域實施掃描，探測到人或者車等入侵目標，并能夠實時顯示其位置、行進方向和規矩。雷達探測設備至少需要滿足以下要求：（1）尺寸較小，易于安裝；（2）最大探測距離1千米至數千米；（3）能夠同時目標距離、方位和相對速度；（4）具有低空防護能力；（5）受天氣影響較小，能夠全天候工作；（6）有足夠的目標分辨能力，能夠區分人、車等目標。電磁波頻率越高，波長越短，通常情況下所需要天線尺寸越小，因此高頻雷達能夠做到較小尺寸。采用FMCW技術的毫米波雷達能夠很好地滿足上述要求。毫米波雷達頻率為30～300GHz，毫米波雷達波束窄、角分辨力高、頻帶寬、隱蔽性好、抗干擾能力強、體積小、重量輕。毫米波雷達系統有調頻連續波（FMCW）雷達和脈沖雷達兩種。對于脈沖雷達系統，當目標距離很近時，發射脈沖和接收脈沖之間的時間差非常小，這就要求系統采用高速信號處理技術，近距離脈沖雷達系統變得十分復雜，成本也大幅上升。因而核電站實物保護系統采用結構簡單、成本較低、適合做近距離探測的調頻連續波雷達比較適宜。

3 毫米波雷達在核電站的應用

3.1 核電站實物保護系統現狀及挑戰

目前國內多數核電站的實物保護系統對于保護區、要害區等都會采用多種技術手段進行防護，通常采用圍網作為防護的物理實體屏障，保護區和要害區域采用張力圍欄、振動光纜、振動電纜、微波、紅外對射等周界入侵報警系統。目前常用的周界防范系統包括主動紅外報警系統、微波報警系統、泄露電纜式周界探測報警系統、振動電纜報警系統、光纖傳感器周界報警系統等，這些技術各有特點，但都面臨如下挑戰：（1）只能對周界進行被動防護，對采用其他方式繞過周界進入核電站內部的入侵目標無法探測和跟蹤；（2）缺乏低空防護能力；（3）無法對周界之外的潛在威脅進行探測和預警；（4）缺乏海面防護能力。FMCW毫米波雷達技術能夠較好地應對上述挑戰。

3.2 核電站雷達防護系統設計

核電站雷達防護系統，首先要保證能夠對保護區、要害區進行防護，一旦有入侵者突破周界或者闖入保護區域，雷達系統能夠第一時間發現并發出告警。雷達系統使用高頻雷達掃描防護區域，實時將雷達掃描結果回傳到保衛控制中心，通過智能探測綜合管理系統軟件對雷達掃描數據進行分析，判斷防護區域內是否有入侵行為，一旦發現有人員或者車輛入侵，系統自動發出警告，并且在區域地圖上實時顯示入侵目標所在的位置及其行進方向和速度。同時系統能夠自動調用CCTV系統對目標進行跟蹤。雷達系統可以探測一系列的目標，包括人、車或水上的船。根據特定防護的需求，在智能探測綜合管理系統軟件上配置防護區和探測區，同一個雷達的掃描區域內，可以劃分不同的防護區域，不同的防區可以設定不通過的防護級別。系統軟件應具有完備的第三方接口，方便與第三方安防系統進行聯動。典型的核電站雷達防護系統由三部分組成，包括數據采集前端、服務端及客戶端。

核電站雷達防護系統設計時還應當考慮到低空入侵的威脅，動力傘、滑翔傘或者熱氣球等低空飛行物都可能會被不法分子利用進行入侵，從而對核電站的安全造成一定的威脅，傳統的周界防護系統無法很好地應對這些來自低空的威脅。而雷達探測技術從軍事應用發展而來，對于低空防護和預警有非常成熟的設備和手段。在實際應用中可以將雷達探測與CCTV系統結合，當雷達探測到低空入侵目標后，自動控制聯動的攝像機進行跟蹤，并發出聲音告警，方便安保人員進行視頻復核，并采取相應的應對措施。

4 結語

本文對雷達探測技術及其特性做了相關介紹，特別針對核電站實物保護系統的特點和應用需求，分析了適用于核電應用場景的雷達防護技術，即FMCW毫米波雷達技術，介紹了典型雷達防護系統的組成部分及其應用示意。隨著雷達探測防護技術在民用和工業領域的迅速發展和應用，可以預見，雷達探測防護技術將會在核電站的實物保護系統中得到積極的拓展，有效地提升實物保護系統的大范圍防護及立體防護能力。

參考文獻

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[4] IEEE Standard Letter Designations for Radar-Frequency Bands，IEEE 521-2002.

（責任編輯：陳 倩）