射頻與微波技術(shù)在安防上有什么可以展示的

0 引言

平安城市建設(shè)的迫切需求推動了安防產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，智慧城市、智能安防等字眼也逐漸成為流行，包括視頻監(jiān)控、身份識別、隱蔽物品探測、電子地圖、聯(lián)動報(bào)警等在內(nèi)的多技術(shù)融合管理體系已經(jīng)開始逐步代替之前單一的安保模式，這種新安防系統(tǒng)需要各種傳感器相互配合，而基于射頻與微波的傳感器因其獨(dú)特的優(yōu)勢構(gòu)成了其中不可或缺的一環(huán)［1-3］。

1 射頻與微波技術(shù)的優(yōu)勢

射頻與微波是指頻率為300 MHz~300 GHz的電磁波，是無線電波中一個(gè)有限頻帶。微波毫米波傳感器具有一系列獨(dú)特的特性。首先，這一頻段的大部分頻率的電磁波在大氣中傳播衰減很小，受到煙霧或不良天氣的影響也基本可以忽略，對于玻璃、塑料和瓷器等材料，以極微弱的損耗透過，而水和食物等會吸收微波而使自身發(fā)熱，對于金屬類材料，則會反射。載頻高、波長短、易實(shí)現(xiàn)大帶寬等特性也使得這類傳感器在尺寸和分辨率方面具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。上述的這些特點(diǎn)使得它極適合于透過墻壁、遮蔽物或衣物對人體或藏匿物品進(jìn)行探測和成像，加上幾乎全天候的探測能力以及對多普勒頻率的精細(xì)測量能力，推動了其在對人體的探測與行為識別方面的應(yīng)用。

2 在安防領(lǐng)域的主要應(yīng)用情景

射頻與微波傳感器通過發(fā)射一個(gè)電磁信號然后接收并分析從物體反射回來的信號，或者根據(jù)物體本身發(fā)射的信號，來獲取關(guān)于物體或場景的信息。結(jié)合前述微波毫米波的特點(diǎn)以及安防應(yīng)用需求，此類傳感器的應(yīng)用場景主要分為以下幾類。

2.1 出入口的人體安檢

在重要場所、重點(diǎn)單位（如機(jī)場、火車站、大型會議出入口）對可能攜帶危爆品的人員實(shí)施人體安全檢查是安防的基本環(huán)節(jié)，具有重大意義?，F(xiàn)有的基于成像的安檢技術(shù)主要有：X射線背向散射成像、紅外成像、毫米波成像等。X射線背向散射技術(shù)圖像清晰，分辨率高，但對人體存在潛在的輻射損傷，適合于對隨身行李等進(jìn)行精細(xì)檢查;紅外成像技術(shù)利用目標(biāo)溫差分布形成二維圖像，但不能穿透衣物，適合于特定地區(qū)長時(shí)間的監(jiān)控與身份識別;而毫米波可穿透人體衣物成像，檢測隱匿在人體衣物下的各種金屬危爆物品，以及陶瓷手槍、液體炸藥等非金屬危爆物品，有效解決前兩種無法實(shí)現(xiàn)的隨身隱藏物品的快速檢測。

根據(jù)成像體制，毫米波人體安檢技術(shù)主要分為主動式和被動式成像技術(shù)。主動式毫米波一般采用毫米波源進(jìn)行照射，圖像信噪比和對比度較高，圖像分辨率可達(dá)毫米量級，但由于收發(fā)過程的存在，成像時(shí)間較長，需要被檢人員配合做出舉手、轉(zhuǎn)身等動作，減慢人員通過速率，適合于包括機(jī)場在內(nèi)的需要精細(xì)檢查且人員流動相對較小的場合。美國等國家的部分機(jī)場已采用合作式毫米波人體安檢系統(tǒng)在安檢工作區(qū)內(nèi)對旅客進(jìn)行細(xì)檢。而對于人員密集且流動性大的場所，如地鐵、火車站等，這種安檢方式必然會對公共秩序造成影響，因而需要引入更加快速高效的人體安檢設(shè)備，即被動式毫米波成像技術(shù)。這種技術(shù)通過檢測人體和所攜帶物品自身輻射的毫米波來判斷是否攜帶違禁品，最大的優(yōu)點(diǎn)是成像速度快，理論上可達(dá)視頻速度，不影響被檢人員的正常行為，但由于輻射信號一般較弱，對應(yīng)輻射計(jì)溫度靈敏度不高，圖像信噪比不高，分辨率較低。

從上世紀(jì)90年代起，美國、歐洲部分國家已經(jīng)開始致力于用于人體安檢的毫米波成像系統(tǒng)的研究［4-10］。迄今為止，國外已開發(fā)出了一系列應(yīng)用于機(jī)場的合作安檢目標(biāo)毫米波系統(tǒng)，主要有美國L-3 Communications公司的Safeview毫米波人體安檢儀和德國的Smiths Heimann公司的Eqo毫米波成像人體安檢等。2012年，德國Rohde&Schwarz公司聯(lián)合Infineon公司和紐倫堡大學(xué)，利用主動多站稀疏陣列成像技術(shù)成功研制了QPS系列毫米波人體安檢儀，其工作頻率為70 GHz～80 GHz，每幅圖像成像時(shí)間約為4 s。這些系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是被檢人員需配合做出立正、舉手等動作，雖然分辨率高，但成像速度慢，主要用來機(jī)場低速細(xì)檢人體安檢應(yīng)用，無法滿足大客流、快速安檢需求。

被動成像方面，英國QinetiQ公司與英國曼切斯特大學(xué)聯(lián)合研制出TRL-4微波人體安檢儀樣機(jī)，其基于陣列信號處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)24幀/s的成像速度，目前，由于應(yīng)用需求弱，投入不足，該樣機(jī)仍在實(shí)驗(yàn)研究階段。

同時(shí)，包括同方威視、中電38所等在內(nèi)的國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)參照國外主動式毫米波掃描成像安檢技術(shù)，先后研制出多套毫米波人體安檢儀。根據(jù)民航應(yīng)用部門的檢測，其成像性能指標(biāo)與國外安檢設(shè)備相當(dāng)［11-14］。

在被動式成像安檢技術(shù)方面，北京航空航天大學(xué)微波工程實(shí)驗(yàn)室自2003年就開始了毫米波陣列成像技術(shù)的研究，先后突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了多代毫米波成像原理樣機(jī)和系統(tǒng)樣機(jī)，推出了國內(nèi)首套攝像式毫米波人體安檢儀，目前已開發(fā)出兩款攝像式毫米波人體安檢工程樣機(jī)，如圖1所示。第一款樣機(jī)主要針對室外關(guān)卡應(yīng)用特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)每小時(shí)1 200人次的通關(guān)安檢速度，并已完成各類型危爆物品測試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但其系統(tǒng)靈敏度較差，僅適用于室外應(yīng)用。針對地鐵、火車站等室內(nèi)應(yīng)用環(huán)境，北航微波工程實(shí)驗(yàn)室推出了第二款工程樣機(jī)，其通過增加接收通道數(shù)量提高系統(tǒng)溫度靈敏度，實(shí)現(xiàn)大客流情況下不改變被檢人員行為模式的快速安檢［15-17］。

2.2 低慢小無人飛行器的電磁壓制與誘騙捕獲

科技的飛速發(fā)展使得民用小型無人機(jī)已經(jīng)成為一種被大眾熟知的電子產(chǎn)品，但這種高速普及趨勢為生活帶來便利的同時(shí)也產(chǎn)生了各種問題。2015年的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國無人機(jī)駕駛員合格證總數(shù)僅為2 142個(gè)，而無人機(jī)數(shù)量卻有數(shù)萬臺，大部分都是沒有培訓(xùn)、沒有申報(bào)的“黑飛”，這不僅影響人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，也會威脅公共安全、空防安全。因此，反無人機(jī)技術(shù)裝備和市場也在同步快速擴(kuò)展［18-21］。

目前，各國反無人機(jī)技術(shù)主要有聲波干擾、信號干擾、黑客技術(shù)、激光炮、“反無人機(jī)”無人機(jī)等，各種技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢，而現(xiàn)今的防范系統(tǒng)更趨向于結(jié)合上述兩種或多種技術(shù)建立管制系統(tǒng)，從多角度對小型無人機(jī)的使用進(jìn)行捕獲或正確引導(dǎo)。其中的信號干擾是捕獲系統(tǒng)較為核心的組成部分，主要是利用微波毫米波波段的電磁壓制作用，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況通過電磁信號干擾發(fā)射器選擇性地對“黑飛”無人機(jī)的遙控、GPS、圖傳信號進(jìn)行電磁壓制，奪取操控者的控制權(quán)，直接使“黑飛”無人機(jī)迫降。

美洲、歐洲等國家已經(jīng)相繼出現(xiàn)多種包含了電磁壓制作用的無人機(jī)捕獲系統(tǒng)，如美國DroneDefender電波槍，瑞典的近程和中程“長頸鹿”AMB多波束雷達(dá)系統(tǒng)等。其中比較突出的是以英國為主，幾家公司聯(lián)手開發(fā)的AUDS系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了電子掃描防空雷達(dá)、光電指示器、可見光/紅外相機(jī)和目標(biāo)跟蹤軟件以及定向射頻抑制/干擾系統(tǒng)，能夠?qū)? km范圍內(nèi)的無人機(jī)進(jìn)行探測、跟蹤、識別、干擾和制止，該系統(tǒng)對微型無人機(jī)的有效作用距離為1 km，對小型無人機(jī)的有效作用距離可達(dá)數(shù)千米。

圖2所示為我國青島國數(shù)科技公司自主研發(fā)的JAM系列電磁壓制系統(tǒng)，通過機(jī)載瞄準(zhǔn)系統(tǒng)準(zhǔn)確鎖定目標(biāo)無人機(jī)，并將空中實(shí)時(shí)影像畫面回傳至地面控制中心，同時(shí)在空中發(fā)射一張16 m2的大網(wǎng)，將“黑飛”無人機(jī)捕獲并運(yùn)送至指定安全區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步處理。該套系統(tǒng)在2016年12月31日上海市跨年倒計(jì)時(shí)的安保工作中起到關(guān)鍵作用，先后成功驅(qū)離、迫降20余架次無人機(jī)，消除外灘區(qū)域范圍內(nèi)的低空公共安全隱患。

2.3 周界防衛(wèi)中的毫米波雷達(dá)

智能主動型區(qū)域安防是近些年提出的一種集合多種安防技術(shù)與產(chǎn)品，建立在大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析基礎(chǔ)上的新興安防解決方案。傳統(tǒng)的周界安全防范系統(tǒng)（物理防范的圍欄、圍墻以及電子圍欄、震動傳感器、視頻等）或受光學(xué)能見度影響，或受惡劣天氣影響（風(fēng)、雨、雪、霧、冰雹、沙塵等），或受復(fù)雜環(huán)境影響（小動物、雜草叢生、樹木等），以致安全防范系統(tǒng)漏報(bào)率高、誤報(bào)率高、無法準(zhǔn)確探測運(yùn)動目標(biāo)的距離、角度、速度等信息，形同虛設(shè)。

區(qū)域型智能主動安全警戒在傳統(tǒng)視頻監(jiān)控設(shè)備的基礎(chǔ)上，加入新型區(qū)域型毫米波技術(shù)相控陣?yán)走_(dá)［1-3，22］以及行業(yè)內(nèi)火熱的機(jī)器視覺智能視頻分析兩種技術(shù)手段，使用多重傳感器復(fù)合校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域安全防范報(bào)警。

圖3所示為國內(nèi)某企業(yè)的區(qū)域型相控陣?yán)走_(dá)傳感器安防實(shí)現(xiàn)過程，在目標(biāo)進(jìn)入防區(qū)后進(jìn)行探測預(yù)警，同時(shí)通過對目標(biāo)的距離、角度和速度的測量來判斷目標(biāo)的準(zhǔn)確位置，再融合機(jī)器視覺視頻分析技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)復(fù)核，通過算法過濾功能確定是否是人的運(yùn)動，最大可能地減少誤報(bào)警［22-24］。

區(qū)域安防雷達(dá)采用可靠的一體化技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于軍事防御檢測、監(jiān)獄區(qū)域防范、油庫區(qū)域監(jiān)控、機(jī)場區(qū)域安防、多傳感器融合等場合，它建立在軍用雷達(dá)這一成熟技術(shù)基礎(chǔ)之上，在探測距離、抗干擾能力、監(jiān)測區(qū)域、準(zhǔn)確性等方面都具有保障。此外，結(jié)合視頻分析技術(shù)的發(fā)展，多目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)定位識別等也成為這類產(chǎn)品的優(yōu)勢。

2.4 電子射頻身份識別

除了對目標(biāo)輻射或反射的探測與識別，微波與毫米波在安防方面一個(gè)較為普遍的應(yīng)用就是電子射頻識別（RFID），這是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。

RFID技術(shù)本身已經(jīng)非常成熟并廣泛應(yīng)用于多種安防場景。在公共區(qū)域，例如景區(qū)、劇場影院等的入口和通道處，可以使用這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)開放式的門禁系統(tǒng)，當(dāng)來訪人員配有的電子標(biāo)簽出入，RFID 系統(tǒng)自動感應(yīng)人員身份是否合法［25-33］。

同時(shí)RFID標(biāo)簽可以解決短距離尤其是室內(nèi)物體的定位，可以彌補(bǔ)GPS等定位系統(tǒng)只能適用于室外大范圍的不足。GPS定位、手機(jī)定位再加上RFID短距離定位手段與無線通信手段一起可以實(shí)現(xiàn)物品位置的全程跟蹤與監(jiān)視。因而除了人員識別，還可以在居民區(qū)或單位出入口進(jìn)行車輛識別，通常稱作射頻門禁，如圖4所示［34］。門禁系統(tǒng)應(yīng)用射頻識別技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)持有效電子標(biāo)簽的車不停車，方便通行又節(jié)約時(shí)間，提高路口的通行效率，更重要的是可以對小區(qū)或停車場的車輛出入進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，準(zhǔn)確驗(yàn)證出人車輛和車主身份，維護(hù)區(qū)域治安，使小區(qū)或停車場的安防管理更加人性化、信息化、智能化、高效化。

3 總結(jié)

在眾多對公共安全的威脅因素變得日益復(fù)雜的今天，微波毫米波安防相關(guān)技術(shù)因其穿透煙霧及多種遮蔽物并鑒別人與物的能力等多種優(yōu)勢，在安防方面的地位逐漸提高。隨著器件設(shè)計(jì)制造、信號處理方式、多傳感器融合等相關(guān)科技的不斷進(jìn)步，這種技術(shù)將成為安防領(lǐng)域不可或缺的組成部分。

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