雷達探測技術(shù)在核電站實物保護系統(tǒng)中的應用

陳春華

摘要：核電是重要的清潔能源，國務院提出要加快建設現(xiàn)代核電產(chǎn)業(yè)體系，打造核電強國。核電站實物保護系統(tǒng)作為核電安全防護的重要保障，隨著核電發(fā)展，對實物保護系統(tǒng)提出了更高的要求。雷達探測防護技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)從軍事領(lǐng)域延伸到民用領(lǐng)域。文章對雷達探測技術(shù)在核電站實物保護系統(tǒng)中的應用進行了探討。

關(guān)鍵詞：核電站；實物保護系統(tǒng)；雷達探測技術(shù)；核電安全保護；核安全 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM623 文章編號：1009-2374（2015）28-0058-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.028

1 概述

核安全事關(guān)核能與核技術(shù)利用事業(yè)發(fā)展，事關(guān)環(huán)境安全，事關(guān)公眾利益。日本福島核事故發(fā)生后，進一步保障核安全與防治放射性污染任務更加艱巨和緊迫，相關(guān)工作面臨新的形勢和挑戰(zhàn)。核電站實物保護是為防止入侵者盜竊、搶劫、非法轉(zhuǎn)移核材料或破壞核設施所采取的保護措施。實物保護系統(tǒng)是采用探測、延遲及反應的技術(shù)和能力，阻止破壞核設施的行為和防止盜竊、搶劫或非法轉(zhuǎn)移核材料活動的安全防范系統(tǒng)。國家核安全局《核設施實物保護》安全導則中提出實物保護系統(tǒng)應按設施級別設置多重實體屏障，應配置多層次和不同技術(shù)類型的探測報警系統(tǒng)。目前國內(nèi)外核電站實物保護的探測系統(tǒng)多采用張力圍欄和微波對射等技術(shù)，這些技術(shù)主要是對邊界或者小范圍區(qū)域進行防護，但是普遍缺乏主動探測及低空防護能力。

雷達探測技術(shù)是成熟的探測報警技術(shù)，早先主要應用在軍事領(lǐng)域。雷達探測的優(yōu)點是白天黑夜均能探測遠距離的目標，且不受霧、云、風和雨的阻擋，具有全天候、全天時的特點，并有一定的穿透能力。近年來，隨著雷達技術(shù)的發(fā)展及元器件制作水平的提高，雷達探測技術(shù)在工業(yè)和民用領(lǐng)域應用越來越廣泛。本文通過對雷達探測技術(shù)的研究及不同種類雷達的特點分析，結(jié)合核電站實物保護系統(tǒng)的現(xiàn)實需求，探討了雷達在核電站沿海探測預警、低空入侵探測及周界防護等應用場景。通過雷達探測技術(shù)，不但能夠?qū)Υ竺娣e區(qū)域進行主動探測和防護，而且能夠?qū)ρ睾：偷涂者M行入侵探測和預警，從而顯著提高核電站現(xiàn)有實物保護系統(tǒng)的技防水平。

2 雷達探測技術(shù)

雷達是英文Radar的音譯，源于Radio Detection and Ranging的縮寫，意為無線電檢測和測距。雷達是用無線電方法發(fā)現(xiàn)目標并測定它們在空間的位置的電子設備。雷達概念形成于20世紀初，在第二次世界大戰(zhàn)前后獲得飛速發(fā)展。雷達的工作原理是設備的發(fā)射機通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波；雷達天線接收此反射波，送至接收設備進行處理，提取該物體的相關(guān)信息，包括目標物體至雷達的距離、距離變化率或徑向速度、目標物體的方位、高度等。雷達不僅是軍事上必不可少的電子裝備，而且廣泛應用于社會經(jīng)濟發(fā)展（如氣象預報、資源探測、環(huán)境監(jiān)測等）、科學研究（天體研究、大氣物理、電離層結(jié)構(gòu)研究等）及民用和工業(yè)領(lǐng)域（汽車測速、防碰撞、區(qū)域探測防護等）。雷達在洪水監(jiān)測、海冰監(jiān)測、土壤濕度調(diào)查、森林資源清查、地質(zhì)調(diào)查等方面也都顯示了很好的應用潛力。

2.1 雷達工作原理

雷達是利用目標對電磁波的反射（二次散射）現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)目標并測定其位置的。圖1是典型的一次雷達工作流程框圖。雷達發(fā)射機產(chǎn)生電磁波經(jīng)由環(huán)形器傳輸給天線，天線將電磁波定向輻射到空中，電磁波在空氣中以光速（約3×108m/s）傳播，電磁波碰到目標后會發(fā)生向各個方向發(fā)生散射，其中一部分散射的能量朝向雷達接收天線方向。雷達接收到反射回波后，經(jīng)傳輸線和環(huán)形器發(fā)送給接收機，接收機具有很高的靈敏度，將接收到的微弱回波信號放大并進行信號處理后，將處理后的結(jié)果送至顯示器進行顯示。

測距是雷達的主要功能之一，電磁波在空氣中以固定的速度（光速）進行傳播，假設雷達發(fā)送雷達波到接收機接收到回波的延遲時間為tR，即電磁波往返一次所需要的時間，可以得到：

2.2 雷達頻率及分類

雷達發(fā)射的電磁波的頻率就是它的工作頻率。工作頻率對雷達起著至關(guān)重要的作用，直接影響雷達的探測距離、角分辨率、多普勒測速性能和雷達的尺寸、重量和造價等。常用的雷達工作頻率范圍為220MHz～35GHz，實際上隨著雷達技術(shù)的發(fā)展及雷達特性和功能的不同，許多雷達的工作頻率都超出了上述范圍。例如超視距雷達的工作頻率低至2～5MHz，而毫米波雷達工作頻率可能高達300GHz。對于一種特定的雷達，它的最佳工作頻率由它所要完成的任務決定。同時，工作頻率的選擇又是對雷達的尺寸、發(fā)射功率、天線波束寬度等的綜合考慮。通常利用表樣1給出的字符來標識雷達常用工作頻段。這些字符表示的波段名稱在雷達領(lǐng)域是通用的。它作為一種標準已被電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）正式接受。IEEE521-2002專門針對毫米波雷達波段做出了相關(guān)的說明，與ITU保持一致，即V波段、W波段及Ka波段的一部分也劃分到毫米波雷達波段范圍。雷達種類很多，分類方法也很復雜，例如：（1）按定位方法可分為有源雷達、半有源雷達和無源雷達；（2）按發(fā)射雷達信號形式可分為脈沖雷達和連續(xù)波雷達、脈沖壓縮雷達和頻率捷變雷達等；（3）按工作頻段可分為米波雷達、分米波雷達、厘米波雷達和其他波段雷達，包括超視距雷達、微波雷達、毫米波雷達以及激光雷達等。

2.3 FMCW毫米波雷達技術(shù)

雷達探測技術(shù)應用在核電站實物保護系統(tǒng)的主要任務是能夠?qū)σ^(qū)、海面、低空等防護區(qū)域?qū)嵤呙瑁綔y到人或者車等入侵目標，并能夠?qū)崟r顯示其位置、行進方向和規(guī)矩。雷達探測設備至少需要滿足以下要求：（1）尺寸較小，易于安裝；（2）最大探測距離1千米至數(shù)千米；（3）能夠同時目標距離、方位和相對速度；（4）具有低空防護能力；（5）受天氣影響較小，能夠全天候工作；（6）有足夠的目標分辨能力，能夠區(qū)分人、車等目標。電磁波頻率越高，波長越短，通常情況下所需要天線尺寸越小，因此高頻雷達能夠做到較小尺寸。采用FMCW技術(shù)的毫米波雷達能夠很好地滿足上述要求。毫米波雷達頻率為30～300GHz，毫米波雷達波束窄、角分辨力高、頻帶寬、隱蔽性好、抗干擾能力強、體積小、重量輕。毫米波雷達系統(tǒng)有調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達和脈沖雷達兩種。對于脈沖雷達系統(tǒng)，當目標距離很近時，發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時間差非常小，這就要求系統(tǒng)采用高速信號處理技術(shù)，近距離脈沖雷達系統(tǒng)變得十分復雜，成本也大幅上升。因而核電站實物保護系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、適合做近距離探測的調(diào)頻連續(xù)波雷達比較適宜。

3 毫米波雷達在核電站的應用

3.1 核電站實物保護系統(tǒng)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

目前國內(nèi)多數(shù)核電站的實物保護系統(tǒng)對于保護區(qū)、要害區(qū)等都會采用多種技術(shù)手段進行防護，通常采用圍網(wǎng)作為防護的物理實體屏障，保護區(qū)和要害區(qū)域采用張力圍欄、振動光纜、振動電纜、微波、紅外對射等周界入侵報警系統(tǒng)。目前常用的周界防范系統(tǒng)包括主動紅外報警系統(tǒng)、微波報警系統(tǒng)、泄露電纜式周界探測報警系統(tǒng)、振動電纜報警系統(tǒng)、光纖傳感器周界報警系統(tǒng)等，這些技術(shù)各有特點，但都面臨如下挑戰(zhàn)：（1）只能對周界進行被動防護，對采用其他方式繞過周界進入核電站內(nèi)部的入侵目標無法探測和跟蹤；（2）缺乏低空防護能力；（3）無法對周界之外的潛在威脅進行探測和預警；（4）缺乏海面防護能力。FMCW毫米波雷達技術(shù)能夠較好地應對上述挑戰(zhàn)。

3.2 核電站雷達防護系統(tǒng)設計

核電站雷達防護系統(tǒng)，首先要保證能夠?qū)ΡＷo區(qū)、要害區(qū)進行防護，一旦有入侵者突破周界或者闖入保護區(qū)域，雷達系統(tǒng)能夠第一時間發(fā)現(xiàn)并發(fā)出告警。雷達系統(tǒng)使用高頻雷達掃描防護區(qū)域，實時將雷達掃描結(jié)果回傳到保衛(wèi)控制中心，通過智能探測綜合管理系統(tǒng)軟件對雷達掃描數(shù)據(jù)進行分析，判斷防護區(qū)域內(nèi)是否有入侵行為，一旦發(fā)現(xiàn)有人員或者車輛入侵，系統(tǒng)自動發(fā)出警告，并且在區(qū)域地圖上實時顯示入侵目標所在的位置及其行進方向和速度。同時系統(tǒng)能夠自動調(diào)用CCTV系統(tǒng)對目標進行跟蹤。雷達系統(tǒng)可以探測一系列的目標，包括人、車或水上的船。根據(jù)特定防護的需求，在智能探測綜合管理系統(tǒng)軟件上配置防護區(qū)和探測區(qū)，同一個雷達的掃描區(qū)域內(nèi)，可以劃分不同的防護區(qū)域，不同的防區(qū)可以設定不通過的防護級別。系統(tǒng)軟件應具有完備的第三方接口，方便與第三方安防系統(tǒng)進行聯(lián)動。典型的核電站雷達防護系統(tǒng)由三部分組成，包括數(shù)據(jù)采集前端、服務端及客戶端。

核電站雷達防護系統(tǒng)設計時還應當考慮到低空入侵的威脅，動力傘、滑翔傘或者熱氣球等低空飛行物都可能會被不法分子利用進行入侵，從而對核電站的安全造成一定的威脅，傳統(tǒng)的周界防護系統(tǒng)無法很好地應對這些來自低空的威脅。而雷達探測技術(shù)從軍事應用發(fā)展而來，對于低空防護和預警有非常成熟的設備和手段。在實際應用中可以將雷達探測與CCTV系統(tǒng)結(jié)合，當雷達探測到低空入侵目標后，自動控制聯(lián)動的攝像機進行跟蹤，并發(fā)出聲音告警，方便安保人員進行視頻復核，并采取相應的應對措施。

4 結(jié)語

本文對雷達探測技術(shù)及其特性做了相關(guān)介紹，特別針對核電站實物保護系統(tǒng)的特點和應用需求，分析了適用于核電應用場景的雷達防護技術(shù)，即FMCW毫米波雷達技術(shù)，介紹了典型雷達防護系統(tǒng)的組成部分及其應用示意。隨著雷達探測防護技術(shù)在民用和工業(yè)領(lǐng)域的迅速發(fā)展和應用，可以預見，雷達探測防護技術(shù)將會在核電站的實物保護系統(tǒng)中得到積極的拓展，有效地提升實物保護系統(tǒng)的大范圍防護及立體防護能力。

參考文獻

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[4] IEEE Standard Letter Designations for Radar-Frequency Bands，IEEE 521-2002.

（責任編輯：陳 倩）