相控阵雷达周界探测技术在铁路中的应用探讨

沙玉林

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 概述

目前，为保障铁路运输安全，在一些铁路车站、段所、沿线机房、铁路线路布有安全设备和监测设备，如采用防护栅栏作为拦截手段，以摄像机作为视频复核手段，或者依靠线性报警系统（如振动光纤技术或振动传感器技术）进行铁路周界安全防护措施。但由于铁路机房及线路周界区域面积较大，周围情况复杂，面临的入侵威胁多种多样，既有周界告警系统具有工程量大、功能单一、误报率高等局限性。

相控阵雷达周界探测技术是利用相控阵微波对射雷达进行车站及铁路沿线周边环境的实时探测监视，对铁路周界进行无死角的立体防护，做到全天候工作。同时不受环境影响，从而为铁路部门尽可能争取时间部署防御力量以及为其行动提供现场实时动态信息。

2 铁路安防系统现状分析

安防系统按照其作用范围分为周界安防和区域安防。周界安防主要作用于围界，为“线”式安防；而区域安防主要作用于一个平面，为“面”式安防。铁路安防系统在周界安防和区域安防两方面均有需求。

在现阶段，铁路周界安防系统主要有以下几种周界安防措施。

1）采用防护栅栏作为拦截手段，采用摄像机作为视频复核手段。这样布置可以在一定程度上防护比较明显的破坏行为，但对于一些紧急的、隐蔽的破坏行为就不会起到有效的监视作用，同时这样势必带来大量的挖沟埋管布线工作，造成新线工程量加大、既有线路施工不便的弊端。

2）红外探测报警系统，运用红外技术探测移动人体，红外线报警器探测到入侵者后进行报警。红外线报警器对被探测物体的温度进行探测并跟环境温度进行对比，但在温度异常的情况下也会产生误报警的情况。同时环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。

3）线性报警系统（如振动光纤技术或振动传感器技术等），因震动、压力导致光纤形态被干扰而产生光信号相位的改变来达到报警的目的。其可以有效的探知防护网被剪切以及围栏被攀爬的入侵企图，但根据目前国内铁路的实际使用情况，此种手段会产生大量的误报警，飞鸟，昆虫，飘落的树叶，摆动的树枝等都可能引起误报，从而大大降低安防系统的效能。

另外，目前安防技术受到天气因素影响较大，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受到很大的影响。

3 相控阵雷达周界探测技术

雷达通过发射电磁波并对回波数据进行算法计算和数据对比，对被检测物进行检测。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，对反射能量进行采样，在各个方位角上，每隔一定面积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。同时，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，对移动方式符合可预测特点的目标对象进行连续探测。

相控阵雷达是以电磁波相位参数为变量的探测雷达，因为是通过电子发射器而不是传统雷达的机械扫描方式进行探测范围的扇面扫描，所以又称电子扫描雷达。相控阵雷达通过数千个电子天线全轴向的发射电磁波，任何一个天线都可收发雷达波，所以每一个单元的天线都具有一个雷达的功能。对目标物体探测时，模仿类似蜻蜓的复眼成像原理，通过每个电子天线的探测数据进行数据的整合和算法的优化，从而达到更加精准的探测值。另外，也因为采用电子扫描，使得相控阵雷达的全区域、全时域的探测性能更加优越，相较于传统的机械扫描雷达探测方位盲区更小，探测时间盲区基本消除。而有源相控阵雷达设备更是具备了分散的T/R模块装置，相较于无源相控阵雷达的集中式电磁波发射接收结构，其可靠性和探测性能更加优异。

4 相控阵雷达周界探测技术在铁路系统的应用

4.1 应用场景

铁路系统安防主要包括铁路车站、段所或机房等块状区域以及线路周界式的线型区域，针对这两种区域进行分析，应用相控阵雷达周界探测技术，可采用不同的配置方式。

4.1.1 块状区域（铁路车站、段所、机房等）

根据需要实时监测的区域面积大小，在固定位置配备一个或多个探测装置，形成蜂窝状组网，全面覆盖需要实时监测的区域。此雷达探测装置可实现360°全方位探测，拓扑如图1所示。

4.1.2 线型区域（铁路沿线等）

铁路沿线等线型区域应用相控阵雷达探测技术，需沿铁路线一侧每隔一段距离安置一个雷达探测装置，此装置沿铁路线方向进行实时探测，实现对铁路两侧沿线的周界监测。

图1 块状区域监测拓扑Fig.1 Monitoring topology in block area

图2 线型区域监测拓扑Fig.2 Monitoring topology in linear area

如图2所示，相比较于块状区域，线型区域不再是360°全方位雷达探测方式，而是控制相控阵雷达向轨道两侧双方向以一定角度进行发散探测，更好保证对防区（即铁路沿线周界）内的实时监测，一旦发现防区内有可疑物体移动或未经通知私自动工等情况，则立即在网管侧生成告警信息，并通过与数据库中源数据进行比对，最终生成具体告警报告反馈给用户。

4.2 与其他安防系统的联动

相控阵雷达周界探测技术所集成的系统，可以实现大范围的、准确的实时监测，同时可与其他安防系统（如视频监控系统、音频监测系统、语音预警机等）进行友好联动，实现准确、快速的定位告警源并针对该告警源回传音、视频信息。其可设置在铁路沿线易被动土或防护薄弱区域，当雷达探测装置探测到防区内具有可疑物体移动或动工等情况时，报警主机产生报警，通过现场喊话喇叭警告其停止违规行为，将报警信息同时上传到监控中心，并弹出报警电子地图，联动视频图像，并可在多个指定的监视器上同时弹出报警位置视频画面，在监控中心语音电子屏上显示和语音自动播报警情信息，实现对执勤区域、目标周界等要害部位的“一点触警、多点显示、多级联运”，电子地图准确定位，处置方案视频图像自动显示，辅助设备自动开启，电子音播报警情，如图3所示。

图3 与其他安防系统的联动方式拓扑Fig.3 Linkage topology with other security systems

4.3 相控阵雷达周界探测技术的优势

相控阵雷达周界探测技术在铁路安防系统主要具有以下几个优势。

4.3.1 多目标探测能力及区域内连续跟踪能力

相控阵雷达因为采用多点探测技术，不仅在探测边缘可以侦测到目标物体，在探测扇区内的连续区域都可以实时监控探测物体，也因此可以同时探测多个入侵目标。

4.3.2 探测准确性高

由于相控阵雷达的工作原理运用了电磁波的波粒二象性，因此有效的规避了震动探测的误报特征、图像监控的盲区特性和红外监控的非实时性，有效规避了恶劣天气的影响和偶然事件造成的误报。相控阵雷达探测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。在工作人员有施工任务时，可在探测系统中提前进行设置，将施工方式、人数、工具等录入，当探测雷达扫描到施工人员时，将自行进行过滤，最后将探测到的其他非法入侵事件进行告警上报。

4.3.3 无信号干扰、维护简单

相控阵雷达周界系统具有人性化的网管系统，其界面简洁、层次清晰、功能齐全，使得维护人员可以轻松、准确进行系统的运转和维护。同时，系统可以对探测天线所发射信号进行波长设置，只要将生活和铁路信息传输中所使用的波段避开，将不会对既有通信系统具有任何影响。

4.3.4 多地形适应能力、施工方便

铁路系统周界存在大面积的空旷区域，适合采用雷达布设，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，雷达探测技术大致能够覆盖周界内绝大多数的面积。

5 总结

相控阵雷达周界探测技术在技术、精度、质量等方面都能达到军事应用级别，其在铁路安防系统中的应用能够发挥其大面积多目标探测能力、区域内连续跟踪能力、多地形适应能力、高探测准确性等优势，符合军品民用的大趋势，大幅增加铁路沿线和车站周界告警的科技含量，可实时、高效、全面的完成铁路沿线和车站周边的环境监测以及周界告警工作，具有重要的应用价值和前景。

相控阵雷达周界探测技术现在处于一个高速发展期，在机场、监狱等场所已有应用实例，但其在铁路上应用甚少。由于每个应用场景均有大量的客观及主观因素在内，因此，铁路应用相控阵雷达周界探测技术需要经过实地考察研究，结合铁路沿线和车站的环境状况，才能把这项技术很好地用于铁路现场，并有效弥补当前铁路安防系统的不足之处。