核電廠低空空域安防系統建設與應用研究

沙 睿，潘 鋒，鄭 東

（1.中國核能行業協會，北京100048；2大亞灣核電運營管理有限責任公司,廣東 深圳 518124）

1 概述

核電是高效、清潔、安全和經濟的能源[1-2]。目前，我國共有60臺核電機組，其中47臺運行機組，分布在17座核電廠中。為進一步完善我國核與輻射安全法規體系，提高我國核安全監管水平，國家核安全局組織修訂的核安全導則 《核設施實物保護》（HAD 501/02-2018）[3]對核設施實物保護提出明確要求。由國家發展改革委、國家能源局、生態環境部、國防科工局共同發布的《關于進一步加強核電運行安全管理的指導意見》（發改能源〔2018〕765號）等法規文件，強調要進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、通報管理體系與技術手段，加強對核電廠低空空域的安全保衛能力，建立涵蓋核電廠水下、水面、地面、低空的立體全面安全保衛體系，保障核電安全。可見加強核電廠低空空域防范，是確保核安全的重要措施之一。

2 系統概述

2010年，國家啟動低空空域管理改革[4]，試點區域低空空域開放后，對核電廠低空空域安防帶來了新的威脅和挑戰。為應對現實的威脅，經過系統分析，多方調研，根據某核電廠所處地理環境特點和實物保護工作需求，經過近兩年的科研攻關，研制，設計了適用于沿海核電廠低空空域安防系統的整體系統功能、關鍵技術、設備研制、工程建設規范等一系列技術指標，并成功建設、運行了核電廠低空空域安防系統，效果顯著，相關成果獲得省部級科學技術獎勵。

該核電廠低空空域安防系統主要是由監視、指揮控制、處置等子系統組成，是一個多系統多設備協同工作的綜合防御系統。其中監視子系統包括雷達、電磁偵測、光電探測[5-7]、入侵取證等設備；指揮控制子系統包括信息綜合處理、通信網絡等設備；處置子系統包括強光、電子對抗、高能物質引導處置接口等設備。

系統主要用途是及時搜索發現、跟蹤、識別、取證進入核電廠飛行限制區及周邊低空空域的無人機、直升機、滑翔機等各類低空飛行物；對其進行威脅評估，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域外；采用聲光警告設備驅離非法進入的飛行物；為攔截打擊恐怖襲擊飛行物提供目標指示和引導信息。系統可有效應對空中潛在安全隱患及恐怖威脅，為核電設施的安全提供信息保障及全面防護。

3 系統基本功能

系統具有以下基本功能：

1）發現和跟蹤功能：系統采用雷達探測、電磁偵測、光電輔助探測等手段，及時發現覆蓋區域內的低空飛行物，并對其實施連續跟蹤。

2）識別功能：系統根據飛行物運動特性結合紅外、可見光成像等方法，對空中目標進行分類識別。

3）入侵取證功能：系統具有對非法進入核電基地控制區范圍的低空飛行物進行實時記錄圖像和視頻功能，同屏顯示并記錄時間、日期和飛行物位置四維信息（空間+時間）。

4）威脅評估功能：系統根據飛行物屬性、分類特征、運動參數和與被保護目標的距離等數據進行威脅等級評定。

5）信息處理與分發功能：系統可對不同來源的有關數據進行融合處理，并視情將處理后的信息分發給相關單位、部門和人員。

6）電子對抗處置功能：系統對非法進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外。

7）驅離處置功能：系統對非法進入的直升機、滑翔機等有人駕駛飛行物采用強光警告等方式進行驅離。

8）目標指示和引導功能：系統可為攔截系統提供飛行物目標位置信息以及引導信息。

4 系統組成

核電廠低空空域安防系統，主要由雷達、電磁偵測、光電探測、指揮控制中心、電子對抗、強光警告等設備（系統）以及通信網絡等設備（系統）組成，如圖1所示。

圖1 系統基本組成圖

雷達采用三坐標相控陣低空雷達[8]，主要負責核電廠及周邊低空飛行物目標的全方位搜索探測，具有24h連續工作能力，在無人值守狀態下，全自動錄取飛行物目標的方位、距離和速度等信息。

電磁偵測設備負責對周邊電磁空間異常信號監測報警。系統事先對管控區域進行電磁頻譜全頻段、全方位掃描，建立本地無線信號數據庫。平時可對無線電信號進行實時監測和分析，輔助雷達發現外來異常，如無人機等信號。

光電探測設備結合了可見光探測、紅外被動探測的功能，在雷達信息的指引下對飛行物目標進行跟蹤，并對目標進行成像識別。光電探測設備也可對近距離低空飛行物目標進行自主搜索探測，輔助雷達實施低空監視。

綜合指揮控制中心主要由通用計算機設備及軟件組成，主要擔負探測情報處理、情報綜合顯示、目標識別、輔助決策、指揮控制、取證及數據記錄等任務。綜合指揮控制中心收集來自雷達、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源送來的情報，對其進行信息融合和情報綜合，形成統一的核電廠及周邊低空空域空情態勢圖，實現探測情報處理功能；情報綜合顯示可以多種方式顯示空情態勢、地理信息、設備工作狀態等信息；目標識別綜合利用雷達和光電進行分類識別；雷達利用窄帶信號進行識別，窄帶目標回波中包含有許多細節信息，例如RCS序列起伏特性、RCS序列變化特性、目標多普勒譜特征、脈內調制特征等，根據不同目標之間的回波特性或差異，結合目標回波的多個特征，結合目標的運動特征進行目標的分類判別；光電利用目標與背景溫差形成的紅外圖像進行識別，利用目標形狀信息、目標紋理信息、目標亮度信息、目標運動信息等，融合雷達的目標距離信息和目標速度信息等進一步提高識別概率；輔助決策依據空中態勢和目標識別結果對飛行物進行威脅評估，根據威脅等級給出相應處理措施的建議。

電子對抗設備主要根據指控中心的指令，在雷達、電磁偵測設備的指引下對無人駕駛飛行物目標施行定向通信鏈路、GPS、GNSS、北斗、圖像傳輸等干擾，將其阻擋在核電基地控制區外或使其迫降。多臺電子對抗設備布置在不同位置，當多目標來襲時，可極大提高系統在復雜環境下對抗能力。

強光警告設備可根據指控中心的指令，在雷達信息的指引下對有人駕駛飛行物目標施行定向強光警告，定向強光設備還可在夜間為可見光成像設備實施補光。

系統提供接口，必要時可將非法進入飛行物信息通報給公安、武警、空管等部門，幫助其了解具體情況，并將相關取證、應急處置措施等信息向上級有關部門報備。

5 系統關鍵技術研究

1）雷達分系統是整個體系的核心，低空監測雷達采用全相參、全固態、相控陣多功能雷達，主要負責核電廠及周邊低空飛行物目標的全方位搜索探測，具有24h連續工作能力，在無人值守狀態下，全自動錄取飛行物目標的方位、距離和速度等信息。該型雷達采用國際先進的方位、俯仰電掃相控陣體制，目標探測反應速度快。無伺服轉動結構，可靠性高，隱蔽性強。可探測各種類型低慢小目標[9]，為指控中心提供準確有效的空中預警信息。

雷達分系統主要由雷達天線陣面、天線罩、TR射頻收發組件、波控電路、信號產生和數字接收機、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 雷達分系統組成框圖

電磁偵測設備是負責對周邊電磁空間異常信號監測報警。系統事先對管控區域進行電磁頻譜全頻段、全方位掃描，建立本地無線信號數據庫。平時可對無線電信號進行實時監測和分析，輔助雷達發現外來異常如無人機等信號。系統總體組成如圖3所示。

接收機將收到的多路輸出進行幅相補償，計算數據相關矩陣，進行特征分解，用波束處理算法從輸出波束中發現微弱信號，估計信號個數。首先通過方位進行信號預分選，選定某一方向信號，用零陷與最大信噪比結合方法將有用信號逐一分離，對單個信號使用單信號處理方法進行信號分選識別和參數估計；然后對超出方位分辨率的同一波束中的多個信號從時域、頻域進行信號分選識別和參數估計。系統工作流程如圖4所示。

圖3 系統組成框圖

圖4 系統工作流程

光電探測分系統采用紅外被動探測和可見光攝像目標探測相結合的設備，主要在雷達信息的指引下對飛行物目標進行搜索跟蹤，并對目標進行成像識別、錄像取證。光電探測設備也可對近距離低空飛行物目標進行搜索探測，輔助雷達實施低空監視。

光電探測分系統主要由高清攝像機、中波紅外探測器、陀螺穩定平臺、視頻跟蹤器、任務計算機及軟件、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 光電分系統組成框圖

6 系統初步應用效果

經過一年多的建設與調試及試運行，低空空域安全防護系統已在某核電廠成功投入運行，提升了核電廠的整體安全防范水平。系統投運后，在核電廠合法使用無人機（如電視臺航拍等）必須進行登記申報并通過系統解除限制，否則無法正常起飛和飛行。系統投運至今，尚未發生未經允許的“低慢小”飛行器進入核電廠造成滋擾的事件。曾經有小型飛機在距核電廠10km左右空域飛行，系統能自動跟蹤并記錄軌跡和錄像。

7 改進與展望

下一階段，主要對系統的光電設備進行升級改造，實現非制冷紅外成像設備[10]進行無人機跟蹤與掃描，以提高系統的整體響應速度和觀測精度，并將對系統綜合低空飛行器數據庫信息進行擴充與應用大數據分析技術提高對入侵目標的快速準確識別率。后期也希望能移植到其他核電廠應用。除核電廠外，該系統也可以推廣到其他非核電重點目標、重點區域，如化工企業及危化品保衛區域，用于提升低空空域安全防護水平。本系統是在國家低空空域準備開放的背景下研制實現的，對制定重點目標、重點區域低空空域防范標準，提升重點目標、重點區域空域安全防范水平將起到極大推動作用，同時也為國家低空空域安全管控和保障提供十分有益的借鑒。