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.中國核能行業(yè)協(xié)會，北京100048；2大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(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，我國共有60臺核電機(jī)組，其中47臺運(yùn)行機(jī)組，分布在17座核電廠中。為進(jìn)一步完善我國核與輻射安全法規(guī)體系，提高我國核安全監(jiān)管水平，國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]對核設(shè)施實(shí)物保護(hù)提出明確要求。由國家發(fā)展改革委、國家能源局、生態(tài)環(huán)境部、國防科工局共同發(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》（發(fā)改能源〔2018〕765號）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、識別、處置、通報(bào)管理體系與技術(shù)手段，加強(qiáng)對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?？梢娂訌?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，國家啟動低空空域管理改革[4]，試點(diǎn)區(qū)域低空空域開放后，對核電廠低空空域安防帶來了新的威脅和挑戰(zhàn)。為應(yīng)對現(xiàn)實(shí)的威脅，經(jīng)過系統(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)成果獲得省部級科學(xué)技術(shù)獎勵。

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、光電探測[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、識別、取證進(jìn)入核電廠飛行限制區(qū)及周邊低空空域的無人機(jī)、直升機(jī)、滑翔機(jī)等各類低空飛行物；對其進(jìn)行威脅評估，并提供飛行物入侵告警；采取電子對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、電磁偵測、光電輔助探測等手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)覆蓋區(qū)域內(nèi)的低空飛行物，并對其實(shí)施連續(xù)跟蹤。

2）識別功能：系統(tǒng)根據(jù)飛行物運(yùn)動特性結(jié)合紅外、可見光成像等方法，對空中目標(biāo)進(jìn)行分類識別。

3）入侵取證功能：系統(tǒng)具有對非法進(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）威脅評估功能：系統(tǒng)根據(jù)飛行物屬性、分類特征、運(yùn)動參數(shù)和與被保護(hù)目標(biāo)的距離等數(shù)據(jù)進(jìn)行威脅等級評定。

5）信息處理與分發(fā)功能：系統(tǒng)可對不同來源的有關(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、部門和人員。

6）電子對抗處置功能：系統(tǒng)對非法進(jìn)入的無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、光電探測、指揮控制中心、電子對抗、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，具有24h連續(xù)工作能力，在無人值守狀態(tài)下，全自動錄取飛行物目標(biāo)的方位、距離和速度等信息。

電磁偵測設(shè)備負(fù)責(zé)對周邊電磁空間異常信號監(jiān)測報(bào)警。系統(tǒng)事先對管控區(qū)域進(jìn)行電磁頻譜全頻段、全方位掃描，建立本地?zé)o線信號數(shù)據(jù)庫。平時(shí)可對無線電信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，輔助雷達(dá)發(fā)現(xiàn)外來異常，如無人機(jī)等信號。

光電探測設(shè)備結(jié)合了可見光探測、紅外被動探測的功能，在雷達(dá)信息的指引下對飛行物目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并對目標(biāo)進(jìn)行成像識別。光電探測設(shè)備也可對近距離低空飛行物目標(biāo)進(jìn)行自主搜索探測，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)探測情報(bào)處理、情報(bào)綜合顯示、目標(biāo)識別、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自雷達(dá)、光電探測和電磁偵測信息、ADS-B信息以及民航空管等外部情報(bào)源送來的情報(bào)，對其進(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)勢圖，實(shí)現(xiàn)探測情報(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、地理信息、設(shè)備工作狀態(tài)等信息；目標(biāo)識別綜合利用雷達(dá)和光電進(jìn)行分類識別；雷達(dá)利用窄帶信號進(jìn)行識別，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)動特征進(jìn)行目標(biāo)的分類判別；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)一步提高識別概率；輔助決策依據(jù)空中態(tài)勢和目標(biāo)識別結(jié)果對飛行物進(jìn)行威脅評估，根據(jù)威脅等級給出相應(yīng)處理措施的建議。

電子對抗設(shè)備主要根據(jù)指控中心的指令，在雷達(dá)、電磁偵測設(shè)備的指引下對無人駕駛飛行物目標(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。多臺電子對抗設(shè)備布置在不同位置，當(dāng)多目標(biāo)來襲時(shí)，可極大提高系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下對抗能力。

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，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有關(guān)部門報(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，具有24h連續(xù)工作能力，在無人值守狀態(tài)下，全自動錄取飛行物目標(biāo)的方位、距離和速度等信息。該型雷達(dá)采用國際先進(jìn)的方位、俯仰電掃相控陣體制，目標(biāo)探測反應(yīng)速度快。無伺服轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，可靠性高，隱蔽性強(qiáng)。可探測各種類型低慢小目標(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、信號產(chǎn)生和數(shù)字接收機(jī)、綜合信號處理模塊、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

電磁偵測設(shè)備是負(fù)責(zé)對周邊電磁空間異常信號監(jiān)測報(bào)警。系統(tǒng)事先對管控區(qū)域進(jìn)行電磁頻譜全頻段、全方位掃描，建立本地?zé)o線信號數(shù)據(jù)庫。平時(shí)可對無線電信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，輔助雷達(dá)發(fā)現(xiàn)外來異常如無人機(jī)等信號。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，估計(jì)信號個(gè)數(shù)。首先通過方位進(jìn)行信號預(yù)分選，選定某一方向信號，用零陷與最大信噪比結(jié)合方法將有用信號逐一分離，對單個(gè)信號使用單信號處理方法進(jìn)行信號分選識別和參數(shù)估計(jì)；然后對超出方位分辨率的同一波束中的多個(gè)信號從時(shí)域、頻域進(jìn)行信號分選識別和參數(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

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

光電探測分系統(tǒng)主要由高清攝像機(jī)、中波紅外探測器、陀螺穩(wěn)定平臺、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人機(jī)（如電視臺航拍等）必須進(jìn)行登記申報(bào)并通過系統(tǒng)解除限制，否則無法正常起飛和飛行。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)能自動跟蹤并記錄軌跡和錄像。

7 改進(jìn)與展望

下一階段，主要對系統(tǒng)的光電設(shè)備進(jìn)行升級改造，實(shí)現(xiàn)非制冷紅外成像設(shè)備[10]進(jìn)行無人機(jī)跟蹤與掃描，以提高系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度和觀測精度，并將對系統(tǒng)綜合低空飛行器數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行擴(kuò)充與應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提高對入侵目標(biāo)的快速準(zhǔn)確識別率。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?；繁Ｐl(wèi)區(qū)域，用于提升低空空域安全防護(hù)水平。本系統(tǒng)是在國家低空空域準(zhǔn)備開放的背景下研制實(shí)現(xiàn)的，對制定重點(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作用，同時(shí)也為國家低空空域安全管控和保障提供十分有益的借鑒。