基于雷達技術實現(xiàn)機場周界入侵報警系統(tǒng)的設計

一、行業(yè)發(fā)展

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，航空運輸業(yè)也得到迅猛的發(fā)展。2000 年我國有民用機場121個，2011年底已有180個，預計到2015年我國運輸機場數(shù)量將達到230個。航空運輸業(yè)的快速發(fā)展，對機場的安全管理提出了更高的要求。

機場周界區(qū)域由于其面積非常大，人員構成復雜，監(jiān)控目標分散，因此一直是機場安防領域的一大難點，國內的廣州白云機場、昆明長水機場以及深圳寶安機場采用不同的方式在機場周界安防領域做出嘗試。

廣州白云機場飛行區(qū)周界總長30.5公里，由鋼制的柵欄以及跨越公路的4個飛機滑行橋組成，周界入侵探測報警系統(tǒng)主體采用的是振動電纜智能檢測技術輔以滑行橋位置的微波對射檢測技術。深圳寶安機場周界長度共計永久圍界約14.5km和臨時圍界4.2km，永久周界入侵探測報警系統(tǒng)主體采用的是振動光纜智能檢測技術，臨時圍界采用振動電纜檢測技術。云南昆明機場以航站樓安防系統(tǒng)專用網(wǎng)為基礎，逐步構筑起以航站樓安防系統(tǒng)為主干，周界飛行區(qū)報警系統(tǒng)為分支，逐步擴展接入航站樓外單體功能建筑安防分系統(tǒng)的模式。

由此可以看出，由于機場周界區(qū)域面積較大，周圍情況比較復雜，面臨的入侵威脅多種多樣，單一的系統(tǒng)功能再強大，總會因為它的專業(yè)性而有局限。通過多個功能子系統(tǒng)的有機集成，系統(tǒng)整體的功效將會在原單一孤立系統(tǒng)的基礎上以幾何級數(shù)方式增強。利用多層次、多技術的方式探測可能的入侵威脅，從而為機場盡可能爭取防御力量部署時間以及為其行動提供現(xiàn)場實時動態(tài)信息。

二、應用場景

2.1 所面對的威脅

通過與國內某機場溝通和探討，在掌握近年來該機場的入侵事件，我們進行總結，并對可能發(fā)生的周界入侵行為的發(fā)生概率以及可能產(chǎn)生的后果嚴重性進行判定，并由公式 “發(fā)生可能性 x 可能引發(fā)后果的嚴重性 = 風險等級”從而推導出相應的風險等級：

表1：入侵威脅分析表

注釋：1. 后果從1-5分別為，幾乎沒影響、影響很小、影響一般、影響很大、災難性影響；2. 發(fā)生可能性從1-5分別為，幾乎不可能、可能性很小、可能發(fā)生、可能性很大以及經(jīng)常發(fā)生。

2.2 解決方案提出

通過我們對表1中所述的周界入侵行為的風險等級進行評估之后，發(fā)現(xiàn)其中的4種行為“恐怖襲擊”、“空側（跑道）未經(jīng)授權的車輛進入”、“針對周界的入侵企圖（早期行為）”以及“對于入侵者場內的軌跡跟蹤”是高風險等級，可能對機場安全和運營造成很大的影響，因此機場周界的安防解決方案也需要基于這幾種事件進行研究。

通過對這幾種行為的分析，發(fā)現(xiàn)幾個共通點：

1.行為發(fā)生突然。空側入侵者，不管其想要做出何種危害行為，由于其意圖的主觀威脅性，行為都是經(jīng)過預謀，一旦實施，過程持續(xù)時間不會很長，為安防帶來很大的挑戰(zhàn)。

2.角色多樣化。入侵的主體不確定，有可能實施主體是人、車輛甚至于無人機，入侵點也很難預判，所以很難找到一種方式進行偵測。

3.軌跡不宜跟蹤。依照目前的安防技術，基本都是基于單點監(jiān)控或是線性監(jiān)控，一旦入侵者脫離防御區(qū)域進入到更廣泛的空側區(qū)域，該區(qū)域基本上是無法利用現(xiàn)有技術設防的，那么安保人員可能會丟失目標。

再者，如果采用現(xiàn)有的安防技術，也存在以下一些問題：

1.目前周界安防系統(tǒng)主要采用攝像機作為視頻復核手段，這樣勢必帶來大量的挖溝埋管布線（機場空測區(qū)域不允許明線），因而在機場要求不停航的情況下很難將工程付諸實現(xiàn)；

2.如果單純依靠線性報警系統(tǒng)（如振動光纖技術或是振動傳感器技術等），根據(jù)目前國內機場的使用實際，會產(chǎn)生大量的誤報警，從而大大降低技防系統(tǒng)的效能；

3.目前安防技術受到天氣影響因素大。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(huán)境，則所有常規(guī)視頻技術都將收到很大的影響。

綜合上述的兩類問題，機場周界安防需要的技術應當具有以下一些特征：

自動探測和跟蹤目標： 機場的周界系統(tǒng)需要適合于機場周界廣域大范圍的監(jiān)護系統(tǒng)，如果入侵者闖入防護區(qū)域，周界系統(tǒng)將產(chǎn)生報警信息，系統(tǒng)應當跟蹤入侵目標，并采用合適的視頻監(jiān)控設備，通過網(wǎng)絡傳送至上級管理者，歷史圖像記錄供將來分析參考或取證之用。

實時情景知曉和威脅感知：周界系統(tǒng)需配備全面地貌特征的地理信息系統(tǒng)（GIS）驅動引擎，顯示防護范圍內的鳥瞰圖，在單個操作界面上就能顯示整個場所的全貌，并顯示出所有傳感器的分布和目標物定位分布。該操作界面可以設置在中心控制室，或者設置在網(wǎng)絡中的任何一臺計算機上進行管理和操作。為了判斷將來的可疑場景，系統(tǒng)允許用戶點擊地圖上任意一點，自動查找最新的攝像機位置，并顯示該區(qū)域的實時視頻。

多種傳感器復合和響應方式：為了探測該機場不同類型的復雜環(huán)境下的入侵目標和潛在威脅，周界報警系統(tǒng)應結合各種技術的優(yōu)勢，對空曠區(qū)域和復雜區(qū)域進行不同形態(tài)的探測，還應采用適當?shù)募夹g手段過濾掉友好車輛和人員，從而減少誤報率。周界報警系統(tǒng)還可以非常方便地與其他第三方系統(tǒng)集成。

低成本的建設和運營：采用復合型周界防范系統(tǒng)實現(xiàn)大范圍的周邊防范，提供360°的全方位覆蓋，與其他的單一技術周界保護技術相比，應大幅減少現(xiàn)場前端探測設備的安裝，從而減少系統(tǒng)運行維護量，進而降低系統(tǒng)全生命周期的維護費用。

因此，最終采用了一種以雷達技術為核心的集成式周界入侵報警系統(tǒng)。雷達周界技術作為一種全新的周界技術，完全突破了周界的傳統(tǒng)思維模式。機場周界“點線面”管理真正實現(xiàn)了24小時全天候機場周界防范，而且其核心要義是將入侵行為的“瞬態(tài)”管理擴展到了“連續(xù)”管理，實現(xiàn)了入侵事件的事前、事中和事后管理。也包括全天候的安全管理，無論是在糟糕的大風或者大霧環(huán)境，還是夜晚的無光環(huán)境，安防系統(tǒng)都應該嚴密監(jiān)控被控區(qū)域的安全態(tài)勢。連續(xù)布防還意味著完全的靜態(tài)布防，也就是說，所選擇的偵測設備不會因為某個事件的發(fā)生而被牽扯走全部的注意力，該設備仍然具備完全的對該區(qū)域的監(jiān)控能力。為了配合雷達技術的使用，同時還采用一套先進的安防信息集成報警平臺作為依托，將多種技術集成在統(tǒng)一的信息交互框架下，通過多層次的偵測與復核，最大程度保證機場周界的安全。

三、雷達技術特點

3.1基本特性

3.1.1 探測基本原理

調頻連續(xù)波（FMCW）雷達探測技術通過測量目標對象與背景環(huán)境反射信號的強度差異（感興趣的目標對象與周圍環(huán)境及靜態(tài)目標的雷達反射信號存在差異）實現(xiàn)對目標對象的探測。為了可靠地探測豎直站立高1.8 m的人員并將誤報警率降到最低，建議信號強度差異為19 dB。

圖：雷達在設定的方位角發(fā)射并接收電磁波束

如圖所示，電磁波束發(fā)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(xù)測量更遠處的目標對象。隨后，我們的硬件將會對反射能量進行采樣，在各個方位角上，每隔30cm2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。

3.1.2 探測距離

不同的地理環(huán)境可以選擇不同的雷達型號，而雷達也分為地面周界警戒雷達、低空警戒雷達和對海警戒雷達。

下表僅對常用的雷達的探測距離進行列舉：

表2： 各種目的雷達的探測距離

3.1.3 追蹤

軟件可顯示“追蹤對象”（感興趣的探測目標對象）的位置。通過對比周圍環(huán)境與移動或靜止人員/車輛的連續(xù)反射信號強度創(chuàng)建追蹤。追蹤是指對移動方式符合預設可預測性特點的目標對象進行連續(xù)探測。

以某雷達系統(tǒng)為例，其基本的追蹤性能如下所示：

表3：雷達系統(tǒng)的物體追蹤性能

3.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

雷達系統(tǒng)具備以下一些優(yōu)勢功能。

3.2.1 大面積多目標探測能力

如果采用大范圍的雷達傳感器，則在雷達覆蓋區(qū)域應能實現(xiàn)入侵前預警和入侵后連續(xù)式追蹤。該技術應當能夠移動捕捉入侵移動物體，包括聲光電預警，視頻復核/跟蹤，能同時偵測復數(shù)個目標。

雷達周界采用廣域的面式覆蓋探測，其覆蓋范圍不僅僅是周界線，而是包括周界線內外的連續(xù)區(qū)域，因此針對雷達覆蓋的范圍應能同時探測多個的入侵目標。

3.2.2 區(qū)域內連續(xù)跟蹤能力

雷達覆蓋范圍內的攝像機除了能進行基本的復核外，同時可以對入侵者入侵后的軌跡進行連續(xù)式追蹤，或者多目標間的切換追蹤（受限于攝像機數(shù)量的情況）。用戶可以選擇主要追蹤目標，但是攝像機對主要目標進行追蹤的同時，其他入侵目標不會因攝像機的數(shù)量問題而在地圖上丟失目標。

3.2.3 多地形適應能力

機場周界存在大面積的空曠區(qū)域，適合采用雷達布設，可以實現(xiàn)單一雷達最大半徑1km的檢測，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，雷達技術大致能夠覆蓋周界內絕大多數(shù)的面積。

3.2.4 高探測準確性

由于雷達技術不依賴于視頻影像，因此不會因為天氣狀況惡劣而無法探測；它也不采用振動傳感技術，因此也不會受到大風、大雨等的影響。雷達技術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確性。

3.3 使用局限性

雷達系統(tǒng)也會存在一定的使用局限性，某些特定情景會影響其探測性能。

3.3.1 視線不佳影響探測性能

為了能夠追蹤人員或車輛的移動，雷達要求目標對象必須能夠連續(xù)地反射電磁波束。為了保證穩(wěn)定的性能，雷達要求能夠觀測到人或車的全身，從而可以接收到來自人或車上半部分和下半部分的反射信號。如果目標對象的上半部分或下半部分被長草、不平坦的地形、人造水平面（即凸起的地面）、護欄及圍欄等遮掩，那么探測到目標對象的可能性將大大降低，最大探測范圍也會減小。

3.3.2 地面背景噪聲影響探測性能

采用地基雷達探測的最佳狀態(tài)是在平坦整潔的地面上。低噪聲是指草木植物向雷達連續(xù)反射的電磁波。這些低能量的反射電磁波增大了雷達探測的背景噪聲，從而降低了人員/車輛與周圍環(huán)境之間的信號強度差異。

四、其他技術的復核使用

正是因為雷達監(jiān)控系統(tǒng)也會具有一定的局限性，因此需要與其他技術配合使用。而配合使用需要做到以下兩點。

4.1 集成平臺

應采用先進的系統(tǒng)集成技術，將機場的周界報警系統(tǒng)本身基于一個開放式的集成平臺，該平臺需要采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構，能夠開放的集成眾多第三方的技術，而且能夠收斂到一個統(tǒng)一的界面中，通過對報警和事件的梳理，最大限度上給予中控室的安防操作員以決策支持。

4.2 基于防區(qū)的設計

雖然有雷達系統(tǒng)做大范圍的探測系統(tǒng)，在周界上我們仍然需要按照傳統(tǒng)防區(qū)的理念進行仔細的設計。單一防區(qū)內從一個入侵點到多個入侵點均應能引起報警，并聯(lián)動攝像機進行復核。如果多個防區(qū)同時發(fā)生入侵行為，則防區(qū)間的報警應該互不干擾，即每個防區(qū)在入侵的情況下應同時形成報警，且各個防區(qū)的攝像機均應獨立地形成復核動作，以防止多點突破的入侵行為。周界入侵報警系統(tǒng)在單一防區(qū)至少是傳感器和攝像機組成的一個復核系統(tǒng)，其中震動光纖需要按照防區(qū)分布，而視頻復核也是基本的要求。 　　4.3 效果初步展示

由于機場周界區(qū)域通常很大，環(huán)境比較復雜，難于用簡單文字信息進行表述，這樣其對于安保人員的壓力非常大。因此周界報警的電子地圖在工作中起到了很重要的作用，電子地圖是入侵報警系統(tǒng)的基本配置。電子地圖是一個可以縮放、平移的展示機場地理環(huán)境的基礎信息，所有的入侵報警信息將以圖點的形式顯示其上，并以醒目的顏色加以區(qū)分，以提供安保管理人員能夠清晰地辨別報警。電子地圖同時也是攝像機操作和控制的基本界面，包括：

1.針對入侵者的復核圖像應自動顯示在地圖上；

2.針對雷達追蹤的入侵者，攝像機應根據(jù)其行進位置自動追蹤目標，且能明晰地在地圖上自動標示當前攝像機做拍攝的位置的視場角覆蓋區(qū)域；

3.當操作人員需要用攝像機觀察某一個位置的圖像時，操作人員無需關注具體某一個攝像機的安裝位置，而僅僅需要在地圖上點擊其需要觀察的位置，系統(tǒng)能通過電子地圖的自動計算功能，自動選擇最合適的攝像機，并自動對準該目標位置提供操作人員觀察，同時地圖上將標示當前攝像機的觀察范圍視場角。

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