基于雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)周界入侵報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一、行業(yè)發(fā)展

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，航空運(yùn)輸業(yè)也得到迅猛的發(fā)展。2000 年我國(guó)有民用機(jī)場(chǎng)121個(gè)，2011年底已有180個(gè)，預(yù)計(jì)到2015年我國(guó)運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)數(shù)量將達(dá)到230個(gè)。航空運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)機(jī)場(chǎng)的安全管理提出了更高的要求。

機(jī)場(chǎng)周界區(qū)域由于其面積非常大，人員構(gòu)成復(fù)雜，監(jiān)控目標(biāo)分散，因此一直是機(jī)場(chǎng)安防領(lǐng)域的一大難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)的廣州白云機(jī)場(chǎng)、昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)以及深圳寶安機(jī)場(chǎng)采用不同的方式在機(jī)場(chǎng)周界安防領(lǐng)域做出嘗試。

廣州白云機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)周界總長(zhǎng)30.5公里，由鋼制的柵欄以及跨越公路的4個(gè)飛機(jī)滑行橋組成，周界入侵探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主體采用的是振動(dòng)電纜智能檢測(cè)技術(shù)輔以滑行橋位置的微波對(duì)射檢測(cè)技術(shù)。深圳寶安機(jī)場(chǎng)周界長(zhǎng)度共計(jì)永久圍界約14.5km和臨時(shí)圍界4.2km，永久周界入侵探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主體采用的是振動(dòng)光纜智能檢測(cè)技術(shù)，臨時(shí)圍界采用振動(dòng)電纜檢測(cè)技術(shù)。云南昆明機(jī)場(chǎng)以航站樓安防系統(tǒng)專用網(wǎng)為基礎(chǔ)，逐步構(gòu)筑起以航站樓安防系統(tǒng)為主干，周界飛行區(qū)報(bào)警系統(tǒng)為分支，逐步擴(kuò)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(jī)場(chǎng)周界區(qū)域面積較大，周圍情況比較復(fù)雜，面臨的入侵威脅多種多樣，單一的系統(tǒng)功能再?gòu)?qiáng)大，總會(huì)因?yàn)樗膶I(yè)性而有局限。通過(guò)多個(gè)功能子系統(tǒng)的有機(jī)集成，系統(tǒng)整體的功效將會(huì)在原單一孤立系統(tǒng)的基礎(chǔ)上以幾何級(jí)數(shù)方式增強(qiáng)。利用多層次、多技術(shù)的方式探測(cè)可能的入侵威脅，從而為機(jī)場(chǎng)盡可能爭(zhēng)取防御力量部署時(shí)間以及為其行動(dòng)提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 所面對(duì)的威脅

通過(guò)與國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)溝通和探討，在掌握近年來(lái)該機(jī)場(chǎng)的入侵事件，我們進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)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(yán)重性進(jìn)行判定，并由公式 “發(fā)生可能性 x 可能引發(fā)后果的嚴(yán)重性 = 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)”從而推導(dǎo)出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：

表1：入侵威脅分析表

注釋：1. 后果從1-5分別為，幾乎沒(méi)影響、影響很小、影響一般、影響很大、災(zāi)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(guò)我們對(duì)表1中所述的周界入侵行為的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估之后，發(fā)現(xiàn)其中的4種行為“恐怖襲擊”、“空側(cè)（跑道）未經(jīng)授權(quán)的車輛進(jìn)入”、“針對(duì)周界的入侵企圖（早期行為）”以及“對(duì)于入侵者場(chǎng)內(nèi)的軌跡跟蹤”是高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，可能對(duì)機(jī)場(chǎng)安全和運(yùn)營(yíng)造成很大的影響，因此機(jī)場(chǎng)周界的安防解決方案也需要基于這幾種事件進(jìn)行研究。

通過(guò)對(duì)這幾種行為的分析，發(fā)現(xiàn)幾個(gè)共通點(diǎn)：

1.行為發(fā)生突然?？諅?cè)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(guò)預(yù)謀，一旦實(shí)施，過(guò)程持續(xù)時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)，為安防帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

2.角色多樣化。入侵的主體不確定，有可能實(shí)施主體是人、車輛甚至于無(wú)人機(jī)，入侵點(diǎn)也很難預(yù)判，所以很難找到一種方式進(jìn)行偵測(cè)。

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

再者，如果采用現(xiàn)有的安防技術(shù)，也存在以下一些問(wèn)題：

1.目前周界安防系統(tǒng)主要采用攝像機(jī)作為視頻復(fù)核手段，這樣勢(shì)必帶來(lái)大量的挖溝埋管布線（機(jī)場(chǎng)空測(cè)區(qū)域不允許明線），因而在機(jī)場(chǎng)要求不停航的情況下很難將工程付諸實(shí)現(xiàn)；

2.如果單純依靠線性報(bào)警系統(tǒng)（如振動(dòng)光纖技術(shù)或是振動(dòng)傳感器技術(shù)等），根據(jù)目前國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)的使用實(shí)際，會(huì)產(chǎn)生大量的誤報(bào)警，從而大大降低技防系統(tǒng)的效能；

3.目前安防技術(shù)受到天氣影響因素大。如果受到大風(fēng)或者強(qiáng)降雨的影響，振動(dòng)探測(cè)技術(shù)的誤報(bào)率會(huì)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(shù)都將收到很大的影響。

綜合上述的兩類問(wèn)題，機(jī)場(chǎng)周界安防需要的技術(shù)應(yīng)當(dāng)具有以下一些特征：

自動(dòng)探測(cè)和跟蹤目標(biāo)： 機(jī)場(chǎng)的周界系統(tǒng)需要適合于機(jī)場(chǎng)周界廣域大范圍的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，如果入侵者闖入防護(hù)區(qū)域，周界系統(tǒng)將產(chǎn)生報(bào)警信息，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)跟蹤入侵目標(biāo)，并采用合適的視頻監(jiān)控設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至上級(jí)管理者，歷史圖像記錄供將來(lái)分析參考或取證之用。

實(shí)時(shí)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(qū)動(dòng)引擎，顯示防護(hù)范圍內(nèi)的鳥瞰圖，在單個(gè)操作界面上就能顯示整個(gè)場(chǎng)所的全貌，并顯示出所有傳感器的分布和目標(biāo)物定位分布。該操作界面可以設(shè)置在中心控制室，或者設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)中的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行管理和操作。為了判斷將來(lái)的可疑場(chǎng)景，系統(tǒng)允許用戶點(diǎn)擊地圖上任意一點(diǎn)，自動(dòng)查找最新的攝像機(jī)位置，并顯示該區(qū)域的實(shí)時(shí)視頻。

多種傳感器復(fù)合和響應(yīng)方式：為了探測(cè)該機(jī)場(chǎng)不同類型的復(fù)雜環(huán)境下的入侵目標(biāo)和潛在威脅，周界報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)空曠區(qū)域和復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行不同形態(tài)的探測(cè)，還應(yīng)采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段過(guò)濾掉友好車輛和人員，從而減少誤報(bào)率。周界報(bào)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(shè)和運(yùn)營(yíng)：采用復(fù)合型周界防范系統(tǒng)實(shí)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(shù)周界保護(hù)技術(shù)相比，應(yīng)大幅減少現(xiàn)場(chǎng)前端探測(cè)設(shè)備的安裝，從而減少系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)量，進(jìn)而降低系統(tǒng)全生命周期的維護(hù)費(fèi)用。

因此，最終采用了一種以雷達(dá)技術(shù)為核心的集成式周界入侵報(bào)警系統(tǒng)。雷達(dá)周界技術(shù)作為一種全新的周界技術(shù)，完全突破了周界的傳統(tǒng)思維模式。機(jī)場(chǎng)周界“點(diǎn)線面”管理真正實(shí)現(xiàn)了24小時(shí)全天候機(jī)場(chǎng)周界防范，而且其核心要義是將入侵行為的“瞬態(tài)”管理擴(kuò)展到了“連續(xù)”管理，實(shí)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(wú)論是在糟糕的大風(fēng)或者大霧環(huán)境，還是夜晚的無(wú)光環(huán)境，安防系統(tǒng)都應(yīng)該嚴(yán)密監(jiān)控被控區(qū)域的安全態(tài)勢(shì)。連續(xù)布防還意味著完全的靜態(tài)布防，也就是說(shuō)，所選擇的偵測(cè)設(shè)備不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)事件的發(fā)生而被牽扯走全部的注意力，該設(shè)備仍然具備完全的對(duì)該區(qū)域的監(jiān)控能力。為了配合雷達(dá)技術(shù)的使用，同時(shí)還采用一套先進(jìn)的安防信息集成報(bào)警平臺(tái)作為依托，將多種技術(shù)集成在統(tǒng)一的信息交互框架下，通過(guò)多層次的偵測(cè)與復(fù)核，最大程度保證機(jī)場(chǎng)周界的安全。

三、雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)

3.1基本特性

3.1.1 探測(cè)基本原理

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)探測(cè)技術(shù)通過(guò)測(cè)量目標(biāo)對(duì)象與背景環(huán)境反射信號(hào)的強(qiáng)度差異（感興趣的目標(biāo)對(duì)象與周圍環(huán)境及靜態(tài)目標(biāo)的雷達(dá)反射信號(hào)存在差異）實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的探測(cè)。為了可靠地探測(cè)豎直站立高1.8 m的人員并將誤報(bào)警率降到最低，建議信號(hào)強(qiáng)度差異為19 dB。

圖：雷達(dá)在設(shè)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(biāo)對(duì)象將會(huì)把電磁能量反射回雷達(dá)，指示在此方向上存在“東西”。除非目標(biāo)對(duì)象非常大，否則一部分電磁波將繞過(guò)目標(biāo)對(duì)象，繼續(xù)測(cè)量更遠(yuǎn)處的目標(biāo)對(duì)象。隨后，我們的硬件將會(huì)對(duì)反射能量進(jìn)行采樣，在各個(gè)方位角上，每隔30cm2計(jì)算一個(gè)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(cè)距離

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

下表僅對(duì)常用的雷達(dá)的探測(cè)距離進(jìn)行列舉：

表2： 各種目的雷達(dá)的探測(cè)距離

3.1.3 追蹤

軟件可顯示“追蹤對(duì)象”（感興趣的探測(cè)目標(biāo)對(duì)象）的位置。通過(guò)對(duì)比周圍環(huán)境與移動(dòng)或靜止人員/車輛的連續(xù)反射信號(hào)強(qiáng)度創(chuàng)建追蹤。追蹤是指對(duì)移動(dòng)方式符合預(yù)設(shè)可預(yù)測(cè)性特點(diǎn)的目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行連續(xù)探測(cè)。

以某雷達(dá)系統(tǒng)為例，其基本的追蹤性能如下所示：

表3：雷達(dá)系統(tǒng)的物體追蹤性能

3.2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

雷達(dá)系統(tǒng)具備以下一些優(yōu)勢(shì)功能。

3.2.1 大面積多目標(biāo)探測(cè)能力

如果采用大范圍的雷達(dá)傳感器，則在雷達(dá)覆蓋區(qū)域應(yīng)能實(shí)現(xiàn)入侵前預(yù)警和入侵后連續(xù)式追蹤。該技術(shù)應(yīng)當(dāng)能夠移動(dòng)捕捉入侵移動(dòng)物體，包括聲光電預(yù)警，視頻復(fù)核/跟蹤，能同時(shí)偵測(cè)復(fù)數(shù)個(gè)目標(biāo)。

雷達(dá)周界采用廣域的面式覆蓋探測(cè)，其覆蓋范圍不僅僅是周界線，而是包括周界線內(nèi)外的連續(xù)區(qū)域，因此針對(duì)雷達(dá)覆蓋的范圍應(yīng)能同時(shí)探測(cè)多個(gè)的入侵目標(biāo)。

3.2.2 區(qū)域內(nèi)連續(xù)跟蹤能力

雷達(dá)覆蓋范圍內(nèi)的攝像機(jī)除了能進(jìn)行基本的復(fù)核外，同時(shí)可以對(duì)入侵者入侵后的軌跡進(jìn)行連續(xù)式追蹤，或者多目標(biāo)間的切換追蹤（受限于攝像機(jī)數(shù)量的情況）。用戶可以選擇主要追蹤目標(biāo)，但是攝像機(jī)對(duì)主要目標(biāo)進(jìn)行追蹤的同時(shí)，其他入侵目標(biāo)不會(huì)因攝像機(jī)的數(shù)量問(wèn)題而在地圖上丟失目標(biāo)。

3.2.3 多地形適應(yīng)能力

機(jī)場(chǎng)周界存在大面積的空曠區(qū)域，適合采用雷達(dá)布設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)單一雷達(dá)最大半徑1km的檢測(cè)，且能形成線式周界技術(shù)無(wú)法完成的入侵后追蹤功能，且具有較強(qiáng)的抗自然干擾能力，雷達(dá)技術(shù)大致能夠覆蓋周界內(nèi)絕大多數(shù)的面積。

3.2.4 高探測(cè)準(zhǔn)確性

由于雷達(dá)技術(shù)不依賴于視頻影像，因此不會(huì)因?yàn)樘鞖鉅顩r惡劣而無(wú)法探測(cè)；它也不采用振動(dòng)傳感技術(shù)，因此也不會(huì)受到大風(fēng)、大雨等的影響。雷達(dá)技術(shù)能夠通過(guò)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(dòng)物或是其他干擾物體，從而大大增加探測(cè)的準(zhǔn)確性。

3.3 使用局限性

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

3.3.1 視線不佳影響探測(cè)性能

為了能夠追蹤人員或車輛的移動(dòng)，雷達(dá)要求目標(biāo)對(duì)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(dá)要求能夠觀測(cè)到人或車的全身，從而可以接收到來(lái)自人或車上半部分和下半部分的反射信號(hào)。如果目標(biāo)對(duì)象的上半部分或下半部分被長(zhǎng)草、不平坦的地形、人造水平面（即凸起的地面）、護(hù)欄及圍欄等遮掩，那么探測(cè)到目標(biāo)對(duì)象的可能性將大大降低，最大探測(cè)范圍也會(huì)減小。

3.3.2 地面背景噪聲影響探測(cè)性能

采用地基雷達(dá)探測(cè)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(dá)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(dá)探測(cè)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(hào)強(qiáng)度差異。

四、其他技術(shù)的復(fù)核使用

正是因?yàn)槔走_(dá)監(jiān)控系統(tǒng)也會(huì)具有一定的局限性，因此需要與其他技術(shù)配合使用。而配合使用需要做到以下兩點(diǎn)。

4.1 集成平臺(tái)

應(yīng)采用先進(jìn)的系統(tǒng)集成技術(shù)，將機(jī)場(chǎng)的周界報(bào)警系統(tǒng)本身基于一個(gè)開放式的集成平臺(tái)，該平臺(tái)需要采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構(gòu)，能夠開放的集成眾多第三方的技術(shù)，而且能夠收斂到一個(gè)統(tǒng)一的界面中，通過(guò)對(duì)報(bào)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(shè)計(jì)

雖然有雷達(dá)系統(tǒng)做大范圍的探測(cè)系統(tǒng)，在周界上我們?nèi)匀恍枰凑諅鹘y(tǒng)防區(qū)的理念進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)。單一防區(qū)內(nèi)從一個(gè)入侵點(diǎn)到多個(gè)入侵點(diǎn)均應(yīng)能引起報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)進(jìn)行復(fù)核。如果多個(gè)防區(qū)同時(shí)發(fā)生入侵行為，則防區(qū)間的報(bào)警應(yīng)該互不干擾，即每個(gè)防區(qū)在入侵的情況下應(yīng)同時(shí)形成報(bào)警，且各個(gè)防區(qū)的攝像機(jī)均應(yīng)獨(dú)立地形成復(fù)核動(dòng)作，以防止多點(diǎn)突破的入侵行為。周界入侵報(bào)警系統(tǒng)在單一防區(qū)至少是傳感器和攝像機(jī)組成的一個(gè)復(fù)核系統(tǒng)，其中震動(dòng)光纖需要按照防區(qū)分布，而視頻復(fù)核也是基本的要求。 　　4.3 效果初步展示

由于機(jī)場(chǎng)周界區(qū)域通常很大，環(huán)境比較復(fù)雜，難于用簡(jiǎn)單文字信息進(jìn)行表述，這樣其對(duì)于安保人員的壓力非常大。因此周界報(bào)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(bào)警系統(tǒng)的基本配置。電子地圖是一個(gè)可以縮放、平移的展示機(jī)場(chǎng)地理環(huán)境的基礎(chǔ)信息，所有的入侵報(bào)警信息將以圖點(diǎn)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(bào)警。電子地圖同時(shí)也是攝像機(jī)操作和控制的基本界面，包括：

1.針對(duì)入侵者的復(fù)核圖像應(yīng)自動(dòng)顯示在地圖上；

2.針對(duì)雷達(dá)追蹤的入侵者，攝像機(jī)應(yīng)根據(jù)其行進(jìn)位置自動(dòng)追蹤目標(biāo)，且能明晰地在地圖上自動(dòng)標(biāo)示當(dāng)前攝像機(jī)做拍攝的位置的視場(chǎng)角覆蓋區(qū)域；

3.當(dāng)操作人員需要用攝像機(jī)觀察某一個(gè)位置的圖像時(shí)，操作人員無(wú)需關(guān)注具體某一個(gè)攝像機(jī)的安裝位置，而僅僅需要在地圖上點(diǎn)擊其需要觀察的位置，系統(tǒng)能通過(guò)電子地圖的自動(dòng)計(jì)算功能，自動(dòng)選擇最合適的攝像機(jī)，并自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)該目標(biāo)位置提供操作人員觀察，同時(shí)地圖上將標(biāo)示當(dāng)前攝像機(jī)的觀察范圍視場(chǎng)角。

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