相控陣?yán)走_(dá)周界探測(cè)技術(shù)在鐵路中的應(yīng)用探討

沙玉林

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

目前，為保障鐵路運(yùn)輸安全，在一些鐵路車(chē)站、段所、沿線(xiàn)機(jī)房、鐵路線(xiàn)路布有安全設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備，如采用防護(hù)柵欄作為攔截手段，以攝像機(jī)作為視頻復(fù)核手段，或者依靠線(xiàn)性報(bào)警系統(tǒng)（如振動(dòng)光纖技術(shù)或振動(dòng)傳感器技術(shù)）進(jìn)行鐵路周界安全防護(hù)措施。但由于鐵路機(jī)房及線(xiàn)路周界區(qū)域面積較大，周?chē)闆r復(fù)雜，面臨的入侵威脅多種多樣，既有周界告警系統(tǒng)具有工程量大、功能單一、誤報(bào)率高等局限性。

相控陣?yán)走_(dá)周界探測(cè)技術(shù)是利用相控陣微波對(duì)射雷達(dá)進(jìn)行車(chē)站及鐵路沿線(xiàn)周邊環(huán)境的實(shí)時(shí)探測(cè)監(jiān)視，對(duì)鐵路周界進(jìn)行無(wú)死角的立體防護(hù)，做到全天候工作。同時(shí)不受環(huán)境影響，從而為鐵路部門(mén)盡可能爭(zhēng)取時(shí)間部署防御力量以及為其行動(dòng)提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息。

2 鐵路安防系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

安防系統(tǒng)按照其作用范圍分為周界安防和區(qū)域安防。周界安防主要作用于圍界，為“線(xiàn)”式安防；而區(qū)域安防主要作用于一個(gè)平面，為“面”式安防。鐵路安防系統(tǒng)在周界安防和區(qū)域安防兩方面均有需求。

在現(xiàn)階段，鐵路周界安防系統(tǒng)主要有以下幾種周界安防措施。

1）采用防護(hù)柵欄作為攔截手段，采用攝像機(jī)作為視頻復(fù)核手段。這樣布置可以在一定程度上防護(hù)比較明顯的破壞行為，但對(duì)于一些緊急的、隱蔽的破壞行為就不會(huì)起到有效的監(jiān)視作用，同時(shí)這樣勢(shì)必帶來(lái)大量的挖溝埋管布線(xiàn)工作，造成新線(xiàn)工程量加大、既有線(xiàn)路施工不便的弊端。

2）紅外探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，運(yùn)用紅外技術(shù)探測(cè)移動(dòng)人體，紅外線(xiàn)報(bào)警器探測(cè)到入侵者后進(jìn)行報(bào)警。紅外線(xiàn)報(bào)警器對(duì)被探測(cè)物體的溫度進(jìn)行探測(cè)并跟環(huán)境溫度進(jìn)行對(duì)比，但在溫度異常的情況下也會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)警的情況。同時(shí)環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈。

3）線(xiàn)性報(bào)警系統(tǒng)（如振動(dòng)光纖技術(shù)或振動(dòng)傳感器技術(shù)等），因震動(dòng)、壓力導(dǎo)致光纖形態(tài)被干擾而產(chǎn)生光信號(hào)相位的改變來(lái)達(dá)到報(bào)警的目的。其可以有效的探知防護(hù)網(wǎng)被剪切以及圍欄被攀爬的入侵企圖，但根據(jù)目前國(guó)內(nèi)鐵路的實(shí)際使用情況，此種手段會(huì)產(chǎn)生大量的誤報(bào)警，飛鳥(niǎo)，昆蟲(chóng)，飄落的樹(shù)葉，擺動(dòng)的樹(shù)枝等都可能引起誤報(bào)，從而大大降低安防系統(tǒng)的效能。

另外，目前安防技術(shù)受到天氣因素影響較大，如果受到大風(fēng)或者強(qiáng)降雨的影響，振動(dòng)探測(cè)技術(shù)的誤報(bào)率會(huì)上升，而如果是大霧或是夜間環(huán)境，則所有常規(guī)視頻技術(shù)都將受到很大的影響。

3 相控陣?yán)走_(dá)周界探測(cè)技術(shù)

雷達(dá)通過(guò)發(fā)射電磁波并對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行算法計(jì)算和數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)被檢測(cè)物進(jìn)行檢測(cè)。電磁波束發(fā)射路徑上的目標(biāo)對(duì)象將會(huì)把電磁能量反射回雷達(dá)，指示在此方向上存在“東西”。除非目標(biāo)對(duì)象非常大，否則，一部分電磁波將繞過(guò)目標(biāo)對(duì)象，繼續(xù)測(cè)量更遠(yuǎn)處的目標(biāo)對(duì)象。隨后，對(duì)反射能量進(jìn)行采樣，在各個(gè)方位角上，每隔一定面積計(jì)算一個(gè)反射能量值，從而得到超高分辨率的周?chē)h(huán)境數(shù)字圖像。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比周?chē)h(huán)境與移動(dòng)或靜止人員/車(chē)輛的連續(xù)反射信號(hào)強(qiáng)度創(chuàng)建追蹤，對(duì)移動(dòng)方式符合可預(yù)測(cè)特點(diǎn)的目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行連續(xù)探測(cè)。

相控陣?yán)走_(dá)是以電磁波相位參數(shù)為變量的探測(cè)雷達(dá)，因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)電子發(fā)射器而不是傳統(tǒng)雷達(dá)的機(jī)械掃描方式進(jìn)行探測(cè)范圍的扇面掃描，所以又稱(chēng)電子掃描雷達(dá)。相控陣?yán)走_(dá)通過(guò)數(shù)千個(gè)電子天線(xiàn)全軸向的發(fā)射電磁波，任何一個(gè)天線(xiàn)都可收發(fā)雷達(dá)波，所以每一個(gè)單元的天線(xiàn)都具有一個(gè)雷達(dá)的功能。對(duì)目標(biāo)物體探測(cè)時(shí)，模仿類(lèi)似蜻蜓的復(fù)眼成像原理，通過(guò)每個(gè)電子天線(xiàn)的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合和算法的優(yōu)化，從而達(dá)到更加精準(zhǔn)的探測(cè)值。另外，也因?yàn)椴捎秒娮訏呙瑁沟孟嗫仃嚴(yán)走_(dá)的全區(qū)域、全時(shí)域的探測(cè)性能更加優(yōu)越，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)探測(cè)方位盲區(qū)更小，探測(cè)時(shí)間盲區(qū)基本消除。而有源相控陣?yán)走_(dá)設(shè)備更是具備了分散的T/R模塊裝置，相較于無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)的集中式電磁波發(fā)射接收結(jié)構(gòu)，其可靠性和探測(cè)性能更加優(yōu)異。

4 相控陣?yán)走_(dá)周界探測(cè)技術(shù)在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用場(chǎng)景

鐵路系統(tǒng)安防主要包括鐵路車(chē)站、段所或機(jī)房等塊狀區(qū)域以及線(xiàn)路周界式的線(xiàn)型區(qū)域，針對(duì)這兩種區(qū)域進(jìn)行分析，應(yīng)用相控陣?yán)走_(dá)周界探測(cè)技術(shù)，可采用不同的配置方式。

4.1.1 塊狀區(qū)域（鐵路車(chē)站、段所、機(jī)房等）

根據(jù)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的區(qū)域面積大小，在固定位置配備一個(gè)或多個(gè)探測(cè)裝置，形成蜂窩狀組網(wǎng)，全面覆蓋需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的區(qū)域。此雷達(dá)探測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)360°全方位探測(cè)，拓?fù)淙鐖D1所示。

4.1.2 線(xiàn)型區(qū)域（鐵路沿線(xiàn)等）

鐵路沿線(xiàn)等線(xiàn)型區(qū)域應(yīng)用相控陣?yán)走_(dá)探測(cè)技術(shù)，需沿鐵路線(xiàn)一側(cè)每隔一段距離安置一個(gè)雷達(dá)探測(cè)裝置，此裝置沿鐵路線(xiàn)方向進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路兩側(cè)沿線(xiàn)的周界監(jiān)測(cè)。

圖1 塊狀區(qū)域監(jiān)測(cè)拓?fù)銯ig.1 Monitoring topology in block area

圖2 線(xiàn)型區(qū)域監(jiān)測(cè)拓?fù)銯ig.2 Monitoring topology in linear area

如圖2所示，相比較于塊狀區(qū)域，線(xiàn)型區(qū)域不再是360°全方位雷達(dá)探測(cè)方式，而是控制相控陣?yán)走_(dá)向軌道兩側(cè)雙方向以一定角度進(jìn)行發(fā)散探測(cè)，更好保證對(duì)防區(qū)（即鐵路沿線(xiàn)周界）內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)防區(qū)內(nèi)有可疑物體移動(dòng)或未經(jīng)通知私自動(dòng)工等情況，則立即在網(wǎng)管側(cè)生成告警信息，并通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)中源數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，最終生成具體告警報(bào)告反饋給用戶(hù)。

4.2 與其他安防系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)

相控陣?yán)走_(dá)周界探測(cè)技術(shù)所集成的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的、準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)可與其他安防系統(tǒng)（如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、音頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、語(yǔ)音預(yù)警機(jī)等）進(jìn)行友好聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的定位告警源并針對(duì)該告警源回傳音、視頻信息。其可設(shè)置在鐵路沿線(xiàn)易被動(dòng)土或防護(hù)薄弱區(qū)域，當(dāng)雷達(dá)探測(cè)裝置探測(cè)到防區(qū)內(nèi)具有可疑物體移動(dòng)或動(dòng)工等情況時(shí)，報(bào)警主機(jī)產(chǎn)生報(bào)警，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)喊話(huà)喇叭警告其停止違規(guī)行為，將報(bào)警信息同時(shí)上傳到監(jiān)控中心，并彈出報(bào)警電子地圖，聯(lián)動(dòng)視頻圖像，并可在多個(gè)指定的監(jiān)視器上同時(shí)彈出報(bào)警位置視頻畫(huà)面，在監(jiān)控中心語(yǔ)音電子屏上顯示和語(yǔ)音自動(dòng)播報(bào)警情信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)勤區(qū)域、目標(biāo)周界等要害部位的“一點(diǎn)觸警、多點(diǎn)顯示、多級(jí)聯(lián)運(yùn)”，電子地圖準(zhǔn)確定位，處置方案視頻圖像自動(dòng)顯示，輔助設(shè)備自動(dòng)開(kāi)啟，電子音播報(bào)警情，如圖3所示。

圖3 與其他安防系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)方式拓?fù)銯ig.3 Linkage topology with other security systems

4.3 相控陣?yán)走_(dá)周界探測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

相控陣?yán)走_(dá)周界探測(cè)技術(shù)在鐵路安防系統(tǒng)主要具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。

4.3.1 多目標(biāo)探測(cè)能力及區(qū)域內(nèi)連續(xù)跟蹤能力

相控陣?yán)走_(dá)因?yàn)椴捎枚帱c(diǎn)探測(cè)技術(shù)，不僅在探測(cè)邊緣可以偵測(cè)到目標(biāo)物體，在探測(cè)扇區(qū)內(nèi)的連續(xù)區(qū)域都可以實(shí)時(shí)監(jiān)控探測(cè)物體，也因此可以同時(shí)探測(cè)多個(gè)入侵目標(biāo)。

4.3.2 探測(cè)準(zhǔn)確性高

由于相控陣?yán)走_(dá)的工作原理運(yùn)用了電磁波的波粒二象性，因此有效的規(guī)避了震動(dòng)探測(cè)的誤報(bào)特征、圖像監(jiān)控的盲區(qū)特性和紅外監(jiān)控的非實(shí)時(shí)性，有效規(guī)避了惡劣天氣的影響和偶然事件造成的誤報(bào)。相控陣?yán)走_(dá)探測(cè)技術(shù)能夠通過(guò)采樣得到人體以及車(chē)輛的外形特征值，以區(qū)分其與周界附近出現(xiàn)動(dòng)物或是其他干擾物體，從而大大增加探測(cè)的準(zhǔn)確性。在工作人員有施工任務(wù)時(shí)，可在探測(cè)系統(tǒng)中提前進(jìn)行設(shè)置，將施工方式、人數(shù)、工具等錄入，當(dāng)探測(cè)雷達(dá)掃描到施工人員時(shí)，將自行進(jìn)行過(guò)濾，最后將探測(cè)到的其他非法入侵事件進(jìn)行告警上報(bào)。

4.3.3 無(wú)信號(hào)干擾、維護(hù)簡(jiǎn)單

相控陣?yán)走_(dá)周界系統(tǒng)具有人性化的網(wǎng)管系統(tǒng)，其界面簡(jiǎn)潔、層次清晰、功能齊全，使得維護(hù)人員可以輕松、準(zhǔn)確進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)。同時(shí)，系統(tǒng)可以對(duì)探測(cè)天線(xiàn)所發(fā)射信號(hào)進(jìn)行波長(zhǎng)設(shè)置，只要將生活和鐵路信息傳輸中所使用的波段避開(kāi)，將不會(huì)對(duì)既有通信系統(tǒng)具有任何影響。

4.3.4 多地形適應(yīng)能力、施工方便

鐵路系統(tǒng)周界存在大面積的空曠區(qū)域，適合采用雷達(dá)布設(shè)，且能形成線(xiàn)式周界技術(shù)無(wú)法完成的入侵后追蹤功能，且具有較強(qiáng)的抗自然干擾能力，雷達(dá)探測(cè)技術(shù)大致能夠覆蓋周界內(nèi)絕大多數(shù)的面積。

5 總結(jié)

相控陣?yán)走_(dá)周界探測(cè)技術(shù)在技術(shù)、精度、質(zhì)量等方面都能達(dá)到軍事應(yīng)用級(jí)別，其在鐵路安防系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠發(fā)揮其大面積多目標(biāo)探測(cè)能力、區(qū)域內(nèi)連續(xù)跟蹤能力、多地形適應(yīng)能力、高探測(cè)準(zhǔn)確性等優(yōu)勢(shì)，符合軍品民用的大趨勢(shì)，大幅增加鐵路沿線(xiàn)和車(chē)站周界告警的科技含量，可實(shí)時(shí)、高效、全面的完成鐵路沿線(xiàn)和車(chē)站周邊的環(huán)境監(jiān)測(cè)以及周界告警工作，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和前景。

相控陣?yán)走_(dá)周界探測(cè)技術(shù)現(xiàn)在處于一個(gè)高速發(fā)展期，在機(jī)場(chǎng)、監(jiān)獄等場(chǎng)所已有應(yīng)用實(shí)例，但其在鐵路上應(yīng)用甚少。由于每個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景均有大量的客觀及主觀因素在內(nèi)，因此，鐵路應(yīng)用相控陣?yán)走_(dá)周界探測(cè)技術(shù)需要經(jīng)過(guò)實(shí)地考察研究，結(jié)合鐵路沿線(xiàn)和車(chē)站的環(huán)境狀況，才能把這項(xiàng)技術(shù)很好地用于鐵路現(xiàn)場(chǎng)，并有效彌補(bǔ)當(dāng)前鐵路安防系統(tǒng)的不足之處。