核電廠低空空域安防系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用研究

沙 睿，潘 鋒，鄭 東

（1.中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)，北京100048；2大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司,廣東 深圳 518124）

1 概述

核電是高效、清潔、安全和經(jīng)濟(jì)的能源[1-2]。目前，我國(guó)共有60臺(tái)核電機(jī)組，其中47臺(tái)運(yùn)行機(jī)組，分布在17座核電廠中。為進(jìn)一步完善我國(guó)核與輻射安全法規(guī)體系，提高我國(guó)核安全監(jiān)管水平，國(guó)家核安全局組織修訂的核安全導(dǎo)則 《核設(shè)施實(shí)物保護(hù)》（HAD 501/02-2018）[3]對(duì)核設(shè)施實(shí)物保護(hù)提出明確要求。由國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局、生態(tài)環(huán)境部、國(guó)防科工局共同發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)核電運(yùn)行安全管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》（發(fā)改能源〔2018〕765號(hào)）等法規(guī)文件，強(qiáng)調(diào)要進(jìn)一步提高核電廠低空空域安全保障能力。明確提出核電廠要積極開(kāi)展防范低空空域飛行物入侵工作，建立有效防范低空空域飛行物入侵的感知、識(shí)別、處置、通報(bào)管理體系與技術(shù)手段，加強(qiáng)對(duì)核電廠低空空域的安全保衛(wèi)能力，建立涵蓋核電廠水下、水面、地面、低空的立體全面安全保衛(wèi)體系，保障核電安全。可見(jiàn)加強(qiáng)核電廠低空空域防范，是確保核安全的重要措施之一。

2 系統(tǒng)概述

2010年，國(guó)家啟動(dòng)低空空域管理改革[4]，試點(diǎn)區(qū)域低空空域開(kāi)放后，對(duì)核電廠低空空域安防帶來(lái)了新的威脅和挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)的威脅，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析，多方調(diào)研，根據(jù)某核電廠所處地理環(huán)境特點(diǎn)和實(shí)物保護(hù)工作需求，經(jīng)過(guò)近兩年的科研攻關(guān)，研制，設(shè)計(jì)了適用于沿海核電廠低空空域安防系統(tǒng)的整體系統(tǒng)功能、關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備研制、工程建設(shè)規(guī)范等一系列技術(shù)指標(biāo)，并成功建設(shè)、運(yùn)行了核電廠低空空域安防系統(tǒng)，效果顯著，相關(guān)成果獲得省部級(jí)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)。

該核電廠低空空域安防系統(tǒng)主要是由監(jiān)視、指揮控制、處置等子系統(tǒng)組成，是一個(gè)多系統(tǒng)多設(shè)備協(xié)同工作的綜合防御系統(tǒng)。其中監(jiān)視子系統(tǒng)包括雷達(dá)、電磁偵測(cè)、光電探測(cè)[5-7]、入侵取證等設(shè)備；指揮控制子系統(tǒng)包括信息綜合處理、通信網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備；處置子系統(tǒng)包括強(qiáng)光、電子對(duì)抗、高能物質(zhì)引導(dǎo)處置接口等設(shè)備。

系統(tǒng)主要用途是及時(shí)搜索發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識(shí)別、取證進(jìn)入核電廠飛行限制區(qū)及周邊低空空域的無(wú)人機(jī)、直升機(jī)、滑翔機(jī)等各類(lèi)低空飛行物；對(duì)其進(jìn)行威脅評(píng)估，并提供飛行物入侵告警；采取電子對(duì)抗手段將飛行物控制在限制區(qū)域外；采用聲光警告設(shè)備驅(qū)離非法進(jìn)入的飛行物；為攔截打擊恐怖襲擊飛行物提供目標(biāo)指示和引導(dǎo)信息。系統(tǒng)可有效應(yīng)對(duì)空中潛在安全隱患及恐怖威脅，為核電設(shè)施的安全提供信息保障及全面防護(hù)。

3 系統(tǒng)基本功能

系統(tǒng)具有以下基本功能：

1）發(fā)現(xiàn)和跟蹤功能：系統(tǒng)采用雷達(dá)探測(cè)、電磁偵測(cè)、光電輔助探測(cè)等手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)覆蓋區(qū)域內(nèi)的低空飛行物，并對(duì)其實(shí)施連續(xù)跟蹤。

2）識(shí)別功能：系統(tǒng)根據(jù)飛行物運(yùn)動(dòng)特性結(jié)合紅外、可見(jiàn)光成像等方法，對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。

3）入侵取證功能：系統(tǒng)具有對(duì)非法進(jìn)入核電基地控制區(qū)范圍的低空飛行物進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄圖像和視頻功能，同屏顯示并記錄時(shí)間、日期和飛行物位置四維信息（空間+時(shí)間）。

4）威脅評(píng)估功能：系統(tǒng)根據(jù)飛行物屬性、分類(lèi)特征、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和與被保護(hù)目標(biāo)的距離等數(shù)據(jù)進(jìn)行威脅等級(jí)評(píng)定。

5）信息處理與分發(fā)功能：系統(tǒng)可對(duì)不同來(lái)源的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并視情將處理后的信息分發(fā)給相關(guān)單位、部門(mén)和人員。

6）電子對(duì)抗處置功能：系統(tǒng)對(duì)非法進(jìn)入的無(wú)人駕駛飛行物采取通信鏈路、GPS等干擾手段，將其阻擋在核電基地控制區(qū)外。

7）驅(qū)離處置功能：系統(tǒng)對(duì)非法進(jìn)入的直升機(jī)、滑翔機(jī)等有人駕駛飛行物采用強(qiáng)光警告等方式進(jìn)行驅(qū)離。

8）目標(biāo)指示和引導(dǎo)功能：系統(tǒng)可為攔截系統(tǒng)提供飛行物目標(biāo)位置信息以及引導(dǎo)信息。

4 系統(tǒng)組成

核電廠低空空域安防系統(tǒng)，主要由雷達(dá)、電磁偵測(cè)、光電探測(cè)、指揮控制中心、電子對(duì)抗、強(qiáng)光警告等設(shè)備（系統(tǒng)）以及通信網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備（系統(tǒng)）組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本組成圖

雷達(dá)采用三坐標(biāo)相控陣低空雷達(dá)[8]，主要負(fù)責(zé)核電廠及周邊低空飛行物目標(biāo)的全方位搜索探測(cè)，具有24h連續(xù)工作能力，在無(wú)人值守狀態(tài)下，全自動(dòng)錄取飛行物目標(biāo)的方位、距離和速度等信息。

電磁偵測(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)周邊電磁空間異常信號(hào)監(jiān)測(cè)報(bào)警。系統(tǒng)事先對(duì)管控區(qū)域進(jìn)行電磁頻譜全頻段、全方位掃描，建立本地?zé)o線信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)。平時(shí)可對(duì)無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，輔助雷達(dá)發(fā)現(xiàn)外來(lái)異常，如無(wú)人機(jī)等信號(hào)。

光電探測(cè)設(shè)備結(jié)合了可見(jiàn)光探測(cè)、紅外被動(dòng)探測(cè)的功能，在雷達(dá)信息的指引下對(duì)飛行物目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像識(shí)別。光電探測(cè)設(shè)備也可對(duì)近距離低空飛行物目標(biāo)進(jìn)行自主搜索探測(cè)，輔助雷達(dá)實(shí)施低空監(jiān)視。

綜合指揮控制中心主要由通用計(jì)算機(jī)設(shè)備及軟件組成，主要擔(dān)負(fù)探測(cè)情報(bào)處理、情報(bào)綜合顯示、目標(biāo)識(shí)別、輔助決策、指揮控制、取證及數(shù)據(jù)記錄等任務(wù)。綜合指揮控制中心收集來(lái)自雷達(dá)、光電探測(cè)和電磁偵測(cè)信息、ADS-B信息以及民航空管等外部情報(bào)源送來(lái)的情報(bào)，對(duì)其進(jìn)行信息融合和情報(bào)綜合，形成統(tǒng)一的核電廠及周邊低空空域空情態(tài)勢(shì)圖，實(shí)現(xiàn)探測(cè)情報(bào)處理功能；情報(bào)綜合顯示可以多種方式顯示空情態(tài)勢(shì)、地理信息、設(shè)備工作狀態(tài)等信息；目標(biāo)識(shí)別綜合利用雷達(dá)和光電進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別；雷達(dá)利用窄帶信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，窄帶目標(biāo)回波中包含有許多細(xì)節(jié)信息，例如RCS序列起伏特性、RCS序列變化特性、目標(biāo)多普勒譜特征、脈內(nèi)調(diào)制特征等，根據(jù)不同目標(biāo)之間的回波特性或差異，結(jié)合目標(biāo)回波的多個(gè)特征，結(jié)合目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行目標(biāo)的分類(lèi)判別；光電利用目標(biāo)與背景溫差形成的紅外圖像進(jìn)行識(shí)別，利用目標(biāo)形狀信息、目標(biāo)紋理信息、目標(biāo)亮度信息、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息等，融合雷達(dá)的目標(biāo)距離信息和目標(biāo)速度信息等進(jìn)一步提高識(shí)別概率；輔助決策依據(jù)空中態(tài)勢(shì)和目標(biāo)識(shí)別結(jié)果對(duì)飛行物進(jìn)行威脅評(píng)估，根據(jù)威脅等級(jí)給出相應(yīng)處理措施的建議。

電子對(duì)抗設(shè)備主要根據(jù)指控中心的指令，在雷達(dá)、電磁偵測(cè)設(shè)備的指引下對(duì)無(wú)人駕駛飛行物目標(biāo)施行定向通信鏈路、GPS、GNSS、北斗、圖像傳輸?shù)雀蓴_，將其阻擋在核電基地控制區(qū)外或使其迫降。多臺(tái)電子對(duì)抗設(shè)備布置在不同位置，當(dāng)多目標(biāo)來(lái)襲時(shí)，可極大提高系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)抗能力。

強(qiáng)光警告設(shè)備可根據(jù)指控中心的指令，在雷達(dá)信息的指引下對(duì)有人駕駛飛行物目標(biāo)施行定向強(qiáng)光警告，定向強(qiáng)光設(shè)備還可在夜間為可見(jiàn)光成像設(shè)備實(shí)施補(bǔ)光。

系統(tǒng)提供接口，必要時(shí)可將非法進(jìn)入飛行物信息通報(bào)給公安、武警、空管等部門(mén)，幫助其了解具體情況，并將相關(guān)取證、應(yīng)急處置措施等信息向上級(jí)有關(guān)部門(mén)報(bào)備。

5 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

1）雷達(dá)分系統(tǒng)是整個(gè)體系的核心，低空監(jiān)測(cè)雷達(dá)采用全相參、全固態(tài)、相控陣多功能雷達(dá)，主要負(fù)責(zé)核電廠及周邊低空飛行物目標(biāo)的全方位搜索探測(cè)，具有24h連續(xù)工作能力，在無(wú)人值守狀態(tài)下，全自動(dòng)錄取飛行物目標(biāo)的方位、距離和速度等信息。該型雷達(dá)采用國(guó)際先進(jìn)的方位、俯仰電掃相控陣體制，目標(biāo)探測(cè)反應(yīng)速度快。無(wú)伺服轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，可靠性高，隱蔽性強(qiáng)。可探測(cè)各種類(lèi)型低慢小目標(biāo)[9]，為指控中心提供準(zhǔn)確有效的空中預(yù)警信息。

雷達(dá)分系統(tǒng)主要由雷達(dá)天線陣面、天線罩、TR射頻收發(fā)組件、波控電路、信號(hào)產(chǎn)生和數(shù)字接收機(jī)、綜合信號(hào)處理模塊、顯控終端等部分組成，組成框圖如圖2所示。

圖2 雷達(dá)分系統(tǒng)組成框圖

電磁偵測(cè)設(shè)備是負(fù)責(zé)對(duì)周邊電磁空間異常信號(hào)監(jiān)測(cè)報(bào)警。系統(tǒng)事先對(duì)管控區(qū)域進(jìn)行電磁頻譜全頻段、全方位掃描，建立本地?zé)o線信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)。平時(shí)可對(duì)無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，輔助雷達(dá)發(fā)現(xiàn)外來(lái)異常如無(wú)人機(jī)等信號(hào)。系統(tǒng)總體組成如圖3所示。

接收機(jī)將收到的多路輸出進(jìn)行幅相補(bǔ)償，計(jì)算數(shù)據(jù)相關(guān)矩陣，進(jìn)行特征分解，用波束處理算法從輸出波束中發(fā)現(xiàn)微弱信號(hào)，估計(jì)信號(hào)個(gè)數(shù)。首先通過(guò)方位進(jìn)行信號(hào)預(yù)分選，選定某一方向信號(hào)，用零陷與最大信噪比結(jié)合方法將有用信號(hào)逐一分離，對(duì)單個(gè)信號(hào)使用單信號(hào)處理方法進(jìn)行信號(hào)分選識(shí)別和參數(shù)估計(jì)；然后對(duì)超出方位分辨率的同一波束中的多個(gè)信號(hào)從時(shí)域、頻域進(jìn)行信號(hào)分選識(shí)別和參數(shù)估計(jì)。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

圖4 系統(tǒng)工作流程

光電探測(cè)分系統(tǒng)采用紅外被動(dòng)探測(cè)和可見(jiàn)光攝像目標(biāo)探測(cè)相結(jié)合的設(shè)備，主要在雷達(dá)信息的指引下對(duì)飛行物目標(biāo)進(jìn)行搜索跟蹤，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像識(shí)別、錄像取證。光電探測(cè)設(shè)備也可對(duì)近距離低空飛行物目標(biāo)進(jìn)行搜索探測(cè)，輔助雷達(dá)實(shí)施低空監(jiān)視。

光電探測(cè)分系統(tǒng)主要由高清攝像機(jī)、中波紅外探測(cè)器、陀螺穩(wěn)定平臺(tái)、視頻跟蹤器、任務(wù)計(jì)算機(jī)及軟件、搜索和控制模塊、接口模塊、顯控終端、操縱桿、控制盒等部分組成，組成框圖如圖5所示。

圖5 光電分系統(tǒng)組成框圖

6 系統(tǒng)初步應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)一年多的建設(shè)與調(diào)試及試運(yùn)行，低空空域安全防護(hù)系統(tǒng)已在某核電廠成功投入運(yùn)行，提升了核電廠的整體安全防范水平。系統(tǒng)投運(yùn)后，在核電廠合法使用無(wú)人機(jī)（如電視臺(tái)航拍等）必須進(jìn)行登記申報(bào)并通過(guò)系統(tǒng)解除限制，否則無(wú)法正常起飛和飛行。系統(tǒng)投運(yùn)至今，尚未發(fā)生未經(jīng)允許的“低慢小”飛行器進(jìn)入核電廠造成滋擾的事件。曾經(jīng)有小型飛機(jī)在距核電廠10km左右空域飛行，系統(tǒng)能自動(dòng)跟蹤并記錄軌跡和錄像。

7 改進(jìn)與展望

下一階段，主要對(duì)系統(tǒng)的光電設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)非制冷紅外成像設(shè)備[10]進(jìn)行無(wú)人機(jī)跟蹤與掃描，以提高系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度和觀測(cè)精度，并將對(duì)系統(tǒng)綜合低空飛行器數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行擴(kuò)充與應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提高對(duì)入侵目標(biāo)的快速準(zhǔn)確識(shí)別率。后期也希望能移植到其他核電廠應(yīng)用。除核電廠外，該系統(tǒng)也可以推廣到其他非核電重點(diǎn)目標(biāo)、重點(diǎn)區(qū)域，如化工企業(yè)及危化品保衛(wèi)區(qū)域，用于提升低空空域安全防護(hù)水平。本系統(tǒng)是在國(guó)家低空空域準(zhǔn)備開(kāi)放的背景下研制實(shí)現(xiàn)的，對(duì)制定重點(diǎn)目標(biāo)、重點(diǎn)區(qū)域低空空域防范標(biāo)準(zhǔn)，提升重點(diǎn)目標(biāo)、重點(diǎn)區(qū)域空域安全防范水平將起到極大推動(dòng)作用，同時(shí)也為國(guó)家低空空域安全管控和保障提供十分有益的借鑒。