相控陣雷達周界探測技術在鐵路中的應用探討

沙玉林

(中國鐵路設計集團有限公司，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、沿線機房、鐵路線路布有安全設備和監測設備，如采用防護柵欄作為攔截手段，以攝像機作為視頻復核手段，或者依靠線性報警系統（如振動光纖技術或振動傳感器技術）進行鐵路周界安全防護措施。但由于鐵路機房及線路周界區域面積較大，周圍情況復雜，面臨的入侵威脅多種多樣，既有周界告警系統具有工程量大、功能單一、誤報率高等局限性。

相控陣雷達周界探測技術是利用相控陣微波對射雷達進行車站及鐵路沿線周邊環境的實時探測監視，對鐵路周界進行無死角的立體防護，做到全天候工作。同時不受環境影響，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場實時動態信息。

2 鐵路安防系統現狀分析

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

在現階段，鐵路周界安防系統主要有以下幾種周界安防措施。

1）采用防護柵欄作為攔截手段，采用攝像機作為視頻復核手段。這樣布置可以在一定程度上防護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，運用紅外技術探測移動人體，紅外線報警器探測到入侵者后進行報警。紅外線報警器對被探測物體的溫度進行探測并跟環境溫度進行對比，但在溫度異常的情況下也會產生誤報警的情況。同時環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（如振動光纖技術或振動傳感器技術等），因震動、壓力導致光纖形態被干擾而產生光信號相位的改變來達到報警的目的。其可以有效的探知防護網被剪切以及圍欄被攀爬的入侵企圖，但根據目前國內鐵路的實際使用情況，此種手段會產生大量的誤報警，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的效能。

另外，目前安防技術受到天氣因素影響較大，如果受到大風或者強降雨的影響，振動探測技術的誤報率會上升，而如果是大霧或是夜間環境，則所有常規視頻技術都將受到很大的影響。

3 相控陣雷達周界探測技術

雷達通過發射電磁波并對回波數據進行算法計算和數據對比，對被檢測物進行檢測。電磁波束發射路徑上的目標對象將會把電磁能量反射回雷達，指示在此方向上存在“東西”。除非目標對象非常大，否則，一部分電磁波將繞過目標對象，繼續測量更遠處的目標對象。隨后，對反射能量進行采樣，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境數字圖像。同時，通過對比周圍環境與移動或靜止人員/車輛的連續反射信號強度創建追蹤，對移動方式符合可預測特點的目標對象進行連續探測。

相控陣雷達是以電磁波相位參數為變量的探測雷達，因為是通過電子發射器而不是傳統雷達的機械掃描方式進行探測范圍的扇面掃描，所以又稱電子掃描雷達。相控陣雷達通過數千個電子天線全軸向的發射電磁波，任何一個天線都可收發雷達波，所以每一個單元的天線都具有一個雷達的功能。對目標物體探測時，模仿類似蜻蜓的復眼成像原理，通過每個電子天線的探測數據進行數據的整合和算法的優化，從而達到更加精準的探測值。另外，也因為采用電子掃描，使得相控陣雷達的全區域、全時域的探測性能更加優越，相較于傳統的機械掃描雷達探測方位盲區更小，探測時間盲區基本消除。而有源相控陣雷達設備更是具備了分散的T/R模塊裝置，相較于無源相控陣雷達的集中式電磁波發射接收結構，其可靠性和探測性能更加優異。

4 相控陣雷達周界探測技術在鐵路系統的應用

4.1 應用場景

鐵路系統安防主要包括鐵路車站、段所或機房等塊狀區域以及線路周界式的線型區域，針對這兩種區域進行分析，應用相控陣雷達周界探測技術，可采用不同的配置方式。

4.1.1 塊狀區域（鐵路車站、段所、機房等）

根據需要實時監測的區域面積大小，在固定位置配備一個或多個探測裝置，形成蜂窩狀組網，全面覆蓋需要實時監測的區域。此雷達探測裝置可實現360°全方位探測，拓撲如圖1所示。

4.1.2 線型區域（鐵路沿線等）

鐵路沿線等線型區域應用相控陣雷達探測技術，需沿鐵路線一側每隔一段距離安置一個雷達探測裝置，此裝置沿鐵路線方向進行實時探測，實現對鐵路兩側沿線的周界監測。

圖1 塊狀區域監測拓撲Fig.1 Monitoring topology in block area

圖2 線型區域監測拓撲Fig.2 Monitoring topology in linear area

如圖2所示，相比較于塊狀區域，線型區域不再是360°全方位雷達探測方式，而是控制相控陣雷達向軌道兩側雙方向以一定角度進行發散探測，更好保證對防區（即鐵路沿線周界）內的實時監測，一旦發現防區內有可疑物體移動或未經通知私自動工等情況，則立即在網管側生成告警信息，并通過與數據庫中源數據進行比對，最終生成具體告警報告反饋給用戶。

4.2 與其他安防系統的聯動

相控陣雷達周界探測技術所集成的系統，可以實現大范圍的、準確的實時監測，同時可與其他安防系統（如視頻監控系統、音頻監測系統、語音預警機等）進行友好聯動，實現準確、快速的定位告警源并針對該告警源回傳音、視頻信息。其可設置在鐵路沿線易被動土或防護薄弱區域，當雷達探測裝置探測到防區內具有可疑物體移動或動工等情況時，報警主機產生報警，通過現場喊話喇叭警告其停止違規行為，將報警信息同時上傳到監控中心，并彈出報警電子地圖，聯動視頻圖像，并可在多個指定的監視器上同時彈出報警位置視頻畫面，在監控中心語音電子屏上顯示和語音自動播報警情信息，實現對執勤區域、目標周界等要害部位的“一點觸警、多點顯示、多級聯運”，電子地圖準確定位，處置方案視頻圖像自動顯示，輔助設備自動開啟，電子音播報警情，如圖3所示。

圖3 與其他安防系統的聯動方式拓撲Fig.3 Linkage topology with other security systems

4.3 相控陣雷達周界探測技術的優勢

相控陣雷達周界探測技術在鐵路安防系統主要具有以下幾個優勢。

4.3.1 多目標探測能力及區域內連續跟蹤能力

相控陣雷達因為采用多點探測技術，不僅在探測邊緣可以偵測到目標物體，在探測扇區內的連續區域都可以實時監控探測物體，也因此可以同時探測多個入侵目標。

4.3.2 探測準確性高

由于相控陣雷達的工作原理運用了電磁波的波粒二象性，因此有效的規避了震動探測的誤報特征、圖像監控的盲區特性和紅外監控的非實時性，有效規避了惡劣天氣的影響和偶然事件造成的誤報。相控陣雷達探測技術能夠通過采樣得到人體以及車輛的外形特征值，以區分其與周界附近出現動物或是其他干擾物體，從而大大增加探測的準確性。在工作人員有施工任務時，可在探測系統中提前進行設置，將施工方式、人數、工具等錄入，當探測雷達掃描到施工人員時，將自行進行過濾，最后將探測到的其他非法入侵事件進行告警上報。

4.3.3 無信號干擾、維護簡單

相控陣雷達周界系統具有人性化的網管系統，其界面簡潔、層次清晰、功能齊全，使得維護人員可以輕松、準確進行系統的運轉和維護。同時，系統可以對探測天線所發射信號進行波長設置，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具有任何影響。

4.3.4 多地形適應能力、施工方便

鐵路系統周界存在大面積的空曠區域，適合采用雷達布設，且能形成線式周界技術無法完成的入侵后追蹤功能，且具有較強的抗自然干擾能力，雷達探測技術大致能夠覆蓋周界內絕大多數的面積。

5 總結

相控陣雷達周界探測技術在技術、精度、質量等方面都能達到軍事應用級別，其在鐵路安防系統中的應用能夠發揮其大面積多目標探測能力、區域內連續跟蹤能力、多地形適應能力、高探測準確性等優勢，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境監測以及周界告警工作，具有重要的應用價值和前景。

相控陣雷達周界探測技術現在處于一個高速發展期，在機場、監獄等場所已有應用實例，但其在鐵路上應用甚少。由于每個應用場景均有大量的客觀及主觀因素在內，因此，鐵路應用相控陣雷達周界探測技術需要經過實地考察研究，結合鐵路沿線和車站的環境狀況，才能把這項技術很好地用于鐵路現場，并有效彌補當前鐵路安防系統的不足之處。