基于雷达技术实现机场周界入侵报警系统的设计

一、行业发展

随着我国经济的高速发展，航空运输业也得到迅猛的发展。2000 年我国有民用机场121个，2011年底已有180个，预计到2015年我国运输机场数量将达到230个。航空运输业的快速发展，对机场的安全管理提出了更高的要求。

机场周界区域由于其面积非常大，人员构成复杂，监控目标分散，因此一直是机场安防领域的一大难点，国内的广州白云机场、昆明长水机场以及深圳宝安机场采用不同的方式在机场周界安防领域做出尝试。

广州白云机场飞行区周界总长30.5公里，由钢制的栅栏以及跨越公路的4个飞机滑行桥组成，周界入侵探测报警系统主体采用的是振动电缆智能检测技术辅以滑行桥位置的微波对射检测技术。深圳宝安机场周界长度共计永久围界约14.5km和临时围界4.2km，永久周界入侵探测报警系统主体采用的是振动光缆智能检测技术，临时围界采用振动电缆检测技术。云南昆明机场以航站楼安防系统专用网为基础，逐步构筑起以航站楼安防系统为主干，周界飞行区报警系统为分支，逐步扩展接入航站楼外单体功能建筑安防分系统的模式。

由此可以看出，由于机场周界区域面积较大，周围情况比较复杂，面临的入侵威胁多种多样，单一的系统功能再强大，总会因为它的专业性而有局限。通过多个功能子系统的有机集成，系统整体的功效将会在原单一孤立系统的基础上以几何级数方式增强。利用多层次、多技术的方式探测可能的入侵威胁，从而为机场尽可能争取防御力量部署时间以及为其行动提供现场实时动态信息。

二、应用场景

2.1 所面对的威胁

通过与国内某机场沟通和探讨，在掌握近年来该机场的入侵事件，我们进行总结，并对可能发生的周界入侵行为的发生概率以及可能产生的后果严重性进行判定，并由公式 “发生可能性 x 可能引发后果的严重性 = 风险等级”从而推导出相应的风险等级：

表1：入侵威胁分析表

注释：1. 后果从1-5分别为，几乎没影响、影响很小、影响一般、影响很大、灾难性影响；2. 发生可能性从1-5分别为，几乎不可能、可能性很小、可能发生、可能性很大以及经常发生。

2.2 解决方案提出

通过我们对表1中所述的周界入侵行为的风险等级进行评估之后，发现其中的4种行为“恐怖袭击”、“空侧（跑道）未经授权的车辆进入”、“针对周界的入侵企图（早期行为）”以及“对于入侵者场内的轨迹跟踪”是高风险等级，可能对机场安全和运营造成很大的影响，因此机场周界的安防解决方案也需要基于这几种事件进行研究。

通过对这几种行为的分析，发现几个共通点：

1.行为发生突然。空侧入侵者，不管其想要做出何种危害行为，由于其意图的主观威胁性，行为都是经过预谋，一旦实施，过程持续时间不会很长，为安防带来很大的挑战。

2.角色多样化。入侵的主体不确定，有可能实施主体是人、车辆甚至于无人机，入侵点也很难预判，所以很难找到一种方式进行侦测。

3.轨迹不宜跟踪。依照目前的安防技术，基本都是基于单点监控或是线性监控，一旦入侵者脱离防御区域进入到更广泛的空侧区域，该区域基本上是无法利用现有技术设防的，那么安保人员可能会丢失目标。

再者，如果采用现有的安防技术，也存在以下一些问题：

1.目前周界安防系统主要采用摄像机作为视频复核手段，这样势必带来大量的挖沟埋管布线（机场空测区域不允许明线），因而在机场要求不停航的情况下很难将工程付诸实现；

2.如果单纯依靠线性报警系统（如振动光纤技术或是振动传感器技术等），根据目前国内机场的使用实际，会产生大量的误报警，从而大大降低技防系统的效能；

3.目前安防技术受到天气影响因素大。如果受到大风或者强降雨的影响，振动探测技术的误报率会上升，而如果是大雾或是夜间环境，则所有常规视频技术都将收到很大的影响。

综合上述的两类问题，机场周界安防需要的技术应当具有以下一些特征：

自动探测和跟踪目标： 机场的周界系统需要适合于机场周界广域大范围的监护系统，如果入侵者闯入防护区域，周界系统将产生报警信息，系统应当跟踪入侵目标，并采用合适的视频监控设备，通过网络传送至上级管理者，历史图像记录供将来分析参考或取证之用。

实时情景知晓和威胁感知：周界系统需配备全面地貌特征的地理信息系统（GIS）驱动引擎，显示防护范围内的鸟瞰图，在单个操作界面上就能显示整个场所的全貌，并显示出所有传感器的分布和目标物定位分布。该操作界面可以设置在中心控制室，或者设置在网络中的任何一台计算机上进行管理和操作。为了判断将来的可疑场景，系统允许用户点击地图上任意一点，自动查找最新的摄像机位置，并显示该区域的实时视频。

多种传感器复合和响应方式：为了探测该机场不同类型的复杂环境下的入侵目标和潜在威胁，周界报警系统应结合各种技术的优势，对空旷区域和复杂区域进行不同形态的探测，还应采用适当的技术手段过滤掉友好车辆和人员，从而减少误报率。周界报警系统还可以非常方便地与其他第三方系统集成。

低成本的建设和运营：采用复合型周界防范系统实现大范围的周边防范，提供360°的全方位覆盖，与其他的单一技术周界保护技术相比，应大幅减少现场前端探测设备的安装，从而减少系统运行维护量，进而降低系统全生命周期的维护费用。

因此，最终采用了一种以雷达技术为核心的集成式周界入侵报警系统。雷达周界技术作为一种全新的周界技术，完全突破了周界的传统思维模式。机场周界“点线面”管理真正实现了24小时全天候机场周界防范，而且其核心要义是将入侵行为的“瞬态”管理扩展到了“连续”管理，实现了入侵事件的事前、事中和事后管理。也包括全天候的安全管理，无论是在糟糕的大风或者大雾环境，还是夜晚的无光环境，安防系统都应该严密监控被控区域的安全态势。连续布防还意味着完全的静态布防，也就是说，所选择的侦测设备不会因为某个事件的发生而被牵扯走全部的注意力，该设备仍然具备完全的对该区域的监控能力。为了配合雷达技术的使用，同时还采用一套先进的安防信息集成报警平台作为依托，将多种技术集成在统一的信息交互框架下，通过多层次的侦测与复核，最大程度保证机场周界的安全。

三、雷达技术特点

3.1基本特性

3.1.1 探测基本原理

调频连续波（FMCW）雷达探测技术通过测量目标对象与背景环境反射信号的强度差异（感兴趣的目标对象与周围环境及静态目标的雷达反射信号存在差异）实现对目标对象的探测。为了可靠地探测竖直站立高1.8 m的人员并将误报警率降到最低，建议信号强度差异为19 dB。

图：雷达在设定的方位角发射并接收电磁波束

如图所示，电磁波束发射路径上的目标对象将会把电磁能量反射回雷达，指示在此方向上存在“东西”。除非目标对象非常大，否则一部分电磁波将绕过目标对象，继续测量更远处的目标对象。随后，我们的硬件将会对反射能量进行采样，在各个方位角上，每隔30cm2计算一个反射能量值，从而得到超高分辨率的周围环境数字图像。

3.1.2 探测距离

不同的地理环境可以选择不同的雷达型号，而雷达也分为地面周界警戒雷达、低空警戒雷达和对海警戒雷达。

下表仅对常用的雷达的探测距离进行列举：

表2： 各种目的雷达的探测距离

3.1.3 追踪

软件可显示“追踪对象”（感兴趣的探测目标对象）的位置。通过对比周围环境与移动或静止人员/车辆的连续反射信号强度创建追踪。追踪是指对移动方式符合预设可预测性特点的目标对象进行连续探测。

以某雷达系统为例，其基本的追踪性能如下所示：

表3：雷达系统的物体追踪性能

3.2 系统优势

雷达系统具备以下一些优势功能。

3.2.1 大面积多目标探测能力

如果采用大范围的雷达传感器，则在雷达覆盖区域应能实现入侵前预警和入侵后连续式追踪。该技术应当能够移动捕捉入侵移动物体，包括声光电预警，视频复核/跟踪，能同时侦测复数个目标。

雷达周界采用广域的面式覆盖探测，其覆盖范围不仅仅是周界线，而是包括周界线内外的连续区域，因此针对雷达覆盖的范围应能同时探测多个的入侵目标。

3.2.2 区域内连续跟踪能力

雷达覆盖范围内的摄像机除了能进行基本的复核外，同时可以对入侵者入侵后的轨迹进行连续式追踪，或者多目标间的切换追踪（受限于摄像机数量的情况）。用户可以选择主要追踪目标，但是摄像机对主要目标进行追踪的同时，其他入侵目标不会因摄像机的数量问题而在地图上丢失目标。

3.2.3 多地形适应能力

机场周界存在大面积的空旷区域，适合采用雷达布设，可以实现单一雷达最大半径1km的检测，且能形成线式周界技术无法完成的入侵后追踪功能，且具有较强的抗自然干扰能力，雷达技术大致能够覆盖周界内绝大多数的面积。

3.2.4 高探测准确性

由于雷达技术不依赖于视频影像，因此不会因为天气状况恶劣而无法探测；它也不采用振动传感技术，因此也不会受到大风、大雨等的影响。雷达技术能够通过采样得到人体以及车辆的外形特征值，以区分其与周界附近出现动物或是其他干扰物体，从而大大增加探测的准确性。

3.3 使用局限性

雷达系统也会存在一定的使用局限性，某些特定情景会影响其探测性能。

3.3.1 视线不佳影响探测性能

为了能够追踪人员或车辆的移动，雷达要求目标对象必须能够连续地反射电磁波束。为了保证稳定的性能，雷达要求能够观测到人或车的全身，从而可以接收到来自人或车上半部分和下半部分的反射信号。如果目标对象的上半部分或下半部分被长草、不平坦的地形、人造水平面（即凸起的地面）、护栏及围栏等遮掩，那么探测到目标对象的可能性将大大降低，最大探测范围也会减小。

3.3.2 地面背景噪声影响探测性能

采用地基雷达探测的最佳状态是在平坦整洁的地面上。低噪声是指草木植物向雷达连续反射的电磁波。这些低能量的反射电磁波增大了雷达探测的背景噪声，从而降低了人员/车辆与周围环境之间的信号强度差异。

四、其他技术的复核使用

正是因为雷达监控系统也会具有一定的局限性，因此需要与其他技术配合使用。而配合使用需要做到以下两点。

4.1 集成平台

应采用先进的系统集成技术，将机场的周界报警系统本身基于一个开放式的集成平台，该平台需要采用统一的数据架构，能够开放的集成众多第三方的技术，而且能够收敛到一个统一的界面中，通过对报警和事件的梳理，最大限度上给予中控室的安防操作员以决策支持。

4.2 基于防区的设计

虽然有雷达系统做大范围的探测系统，在周界上我们仍然需要按照传统防区的理念进行仔细的设计。单一防区内从一个入侵点到多个入侵点均应能引起报警，并联动摄像机进行复核。如果多个防区同时发生入侵行为，则防区间的报警应该互不干扰，即每个防区在入侵的情况下应同时形成报警，且各个防区的摄像机均应独立地形成复核动作，以防止多点突破的入侵行为。周界入侵报警系统在单一防区至少是传感器和摄像机组成的一个复核系统，其中震动光纤需要按照防区分布，而视频复核也是基本的要求。 　　4.3 效果初步展示

由于机场周界区域通常很大，环境比较复杂，难于用简单文字信息进行表述，这样其对于安保人员的压力非常大。因此周界报警的电子地图在工作中起到了很重要的作用，电子地图是入侵报警系统的基本配置。电子地图是一个可以缩放、平移的展示机场地理环境的基础信息，所有的入侵报警信息将以图点的形式显示其上，并以醒目的颜色加以区分，以提供安保管理人员能够清晰地辨别报警。电子地图同时也是摄像机操作和控制的基本界面，包括：

1.针对入侵者的复核图像应自动显示在地图上；

2.针对雷达追踪的入侵者，摄像机应根据其行进位置自动追踪目标，且能明晰地在地图上自动标示当前摄像机做拍摄的位置的视场角覆盖区域；

3.当操作人员需要用摄像机观察某一个位置的图像时，操作人员无需关注具体某一个摄像机的安装位置，而仅仅需要在地图上点击其需要观察的位置，系统能通过电子地图的自动计算功能，自动选择最合适的摄像机，并自动对准该目标位置提供操作人员观察，同时地图上将标示当前摄像机的观察范围视场角。

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