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

沙玉林

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

目前，為保障鐵路運輸安全，在一些鐵路車站、段所、沿線機(jī)房、鐵路線路布有安全設(shè)備和監(jiān)測設(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，或者依靠線性報警系統(tǒng)（如振動光纖技術(shù)或振動傳感器技術(shù)）進(jìn)行鐵路周界安全防護(hù)措施。但由于鐵路機(jī)房及線路周界區(qū)域面積較大，周圍情況復(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、誤報率高等局限性。

相控陣?yán)走_(dá)周界探測技術(shù)是利用相控陣微波對射雷達(dá)進(jìn)行車站及鐵路沿線周邊環(huán)境的實時探測監(jiān)視，對鐵路周界進(jìn)行無死角的立體防護(hù)，做到全天候工作。同時不受環(huán)境影響，從而為鐵路部門盡可能爭取時間部署防御力量以及為其行動提供現(xiàn)場實時動態(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”式安防；而區(qū)域安防主要作用于一個平面，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，但對于一些緊急的、隱蔽的破壞行為就不會起到有效的監(jiān)視作用，同時這樣勢必帶來大量的挖溝埋管布線工作，造成新線工程量加大、既有線路施工不便的弊端。

2）紅外探測報警系統(tǒng)，運用紅外技術(shù)探測移動人體，紅外線報警器探測到入侵者后進(jìn)行報警。紅外線報警器對被探測物體的溫度進(jìn)行探測并跟環(huán)境溫度進(jìn)行對比，但在溫度異常的情況下也會產(chǎn)生誤報警的情況。同時環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈。

3）線性報警系統(tǒng)（如振動光纖技術(shù)或振動傳感器技術(shù)等），因震動、壓力導(dǎo)致光纖形態(tài)被干擾而產(chǎn)生光信號相位的改變來達(dá)到報警的目的。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)目前國內(nèi)鐵路的實際使用情況，此種手段會產(chǎn)生大量的誤報警，飛鳥，昆蟲，飄落的樹葉，擺動的樹枝等都可能引起誤報，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，振動探測技術(shù)的誤報率會上升，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)周界探測技術(shù)

雷達(dá)通過發(fā)射電磁波并對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行算法計算和數(shù)據(jù)對比，對被檢測物進(jìn)行檢測。電磁波束發(fā)射路徑上的目標(biāo)對象將會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)對象非常大，否則，一部分電磁波將繞過目標(biāo)對象，繼續(xù)測量更遠(yuǎn)處的目標(biāo)對象。隨后，對反射能量進(jìn)行采樣，在各個方位角上，每隔一定面積計算一個反射能量值，從而得到超高分辨率的周圍環(huán)境數(shù)字圖像。同時，通過對比周圍環(huán)境與移動或靜止人員/車輛的連續(xù)反射信號強(qiáng)度創(chuàng)建追蹤，對移動方式符合可預(yù)測特點的目標(biāo)對象進(jìn)行連續(xù)探測。

相控陣?yán)走_(dá)是以電磁波相位參數(shù)為變量的探測雷達(dá)，因為是通過電子發(fā)射器而不是傳統(tǒng)雷達(dá)的機(jī)械掃描方式進(jìn)行探測范圍的扇面掃描，所以又稱電子掃描雷達(dá)。相控陣?yán)走_(dá)通過數(shù)千個電子天線全軸向的發(fā)射電磁波，任何一個天線都可收發(fā)雷達(dá)波，所以每一個單元的天線都具有一個雷達(dá)的功能。對目標(biāo)物體探測時，模仿類似蜻蜓的復(fù)眼成像原理，通過每個電子天線的探測數(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)的探測值。另外，也因為采用電子掃描，使得相控陣?yán)走_(dá)的全區(qū)域、全時域的探測性能更加優(yōu)越，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)探測方位盲區(qū)更小，探測時間盲區(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)，其可靠性和探測性能更加優(yōu)異。

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

4.1 應(yīng)用場景

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

4.1.1 塊狀區(qū)域（鐵路車站、段所、機(jī)房等）

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

4.1.2 線型區(qū)域（鐵路沿線等）

鐵路沿線等線型區(qū)域應(yīng)用相控陣?yán)走_(dá)探測技術(shù)，需沿鐵路線一側(cè)每隔一段距離安置一個雷達(dá)探測裝置，此裝置沿鐵路線方向進(jìn)行實時探測，實現(xiàn)對鐵路兩側(cè)沿線的周界監(jiān)測。

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

圖2 線型區(qū)域監(jiān)測拓?fù)銯ig.2 Monitoring topology in linear area

如圖2所示，相比較于塊狀區(qū)域，線型區(qū)域不再是360°全方位雷達(dá)探測方式，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，更好保證對防區(qū)（即鐵路沿線周界）內(nèi)的實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)防區(qū)內(nèi)有可疑物體移動或未經(jīng)通知私自動工等情況，則立即在網(wǎng)管側(cè)生成告警信息，并通過與數(shù)據(jù)庫中源數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，最終生成具體告警報告反饋給用戶。

4.2 與其他安防系統(tǒng)的聯(lián)動

相控陣?yán)走_(dá)周界探測技術(shù)所集成的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)大范圍的、準(zhǔn)確的實時監(jiān)測，同時可與其他安防系統(tǒng)（如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、音頻監(jiān)測系統(tǒng)、語音預(yù)警機(jī)等）進(jìn)行友好聯(lián)動，實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的定位告警源并針對該告警源回傳音、視頻信息。其可設(shè)置在鐵路沿線易被動土或防護(hù)薄弱區(qū)域，當(dāng)雷達(dá)探測裝置探測到防區(qū)內(nèi)具有可疑物體移動或動工等情況時，報警主機(jī)產(chǎn)生報警，通過現(xiàn)場喊話喇叭警告其停止違規(guī)行為，將報警信息同時上傳到監(jiān)控中心，并彈出報警電子地圖，聯(lián)動視頻圖像，并可在多個指定的監(jiān)視器上同時彈出報警位置視頻畫面，在監(jiān)控中心語音電子屏上顯示和語音自動播報警情信息，實現(xiàn)對執(zhí)勤區(qū)域、目標(biāo)周界等要害部位的“一點觸警、多點顯示、多級聯(lián)運”，電子地圖準(zhǔn)確定位，處置方案視頻圖像自動顯示，輔助設(shè)備自動開啟，電子音播報警情，如圖3所示。

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

4.3 相控陣?yán)走_(dá)周界探測技術(shù)的優(yōu)勢

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

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

相控陣?yán)走_(dá)因為采用多點探測技術(shù)，不僅在探測邊緣可以偵測到目標(biāo)物體，在探測扇區(qū)內(nèi)的連續(xù)區(qū)域都可以實時監(jiān)控探測物體，也因此可以同時探測多個入侵目標(biāo)。

4.3.2 探測準(zhǔn)確性高

由于相控陣?yán)走_(dá)的工作原理運用了電磁波的波粒二象性，因此有效的規(guī)避了震動探測的誤報特征、圖像監(jiān)控的盲區(qū)特性和紅外監(jiān)控的非實時性，有效規(guī)避了惡劣天氣的影響和偶然事件造成的誤報。相控陣?yán)走_(dá)探測技術(shù)能夠通過采樣得到人體以及車輛的外形特征值，以區(qū)分其與周界附近出現(xiàn)動物或是其他干擾物體，從而大大增加探測的準(zhǔn)確性。在工作人員有施工任務(wù)時，可在探測系統(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)探測雷達(dá)掃描到施工人員時，將自行進(jìn)行過濾，最后將探測到的其他非法入侵事件進(jìn)行告警上報。

4.3.3 無信號干擾、維護(hù)簡單

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)的運轉(zhuǎn)和維護(hù)。同時，系統(tǒng)可以對探測天線所發(fā)射信號進(jìn)行波長設(shè)置，只要將生活和鐵路信息傳輸中所使用的波段避開，將不會對既有通信系統(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)，且能形成線式周界技術(shù)無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、高探測準(zhǔn)確性等優(yōu)勢，符合軍品民用的大趨勢，大幅增加鐵路沿線和車站周界告警的科技含量，可實時、高效、全面的完成鐵路沿線和車站周邊的環(huán)境監(jiān)測以及周界告警工作，具有重要的應(yīng)用價值和前景。

相控陣?yán)走_(dá)周界探測技術(shù)現(xiàn)在處于一個高速發(fā)展期，在機(jī)場、監(jiān)獄等場所已有應(yīng)用實例，但其在鐵路上應(yīng)用甚少。由于每個應(yīng)用場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)周界探測技術(shù)需要經(jīng)過實地考察研究，結(jié)合鐵路沿線和車站的環(huán)境狀況，才能把這項技術(shù)很好地用于鐵路現(xiàn)場，并有效彌補(bǔ)當(dāng)前鐵路安防系統(tǒng)的不足之處。