射頻與微波技術在安防領域的應用

　　0 引言

　　平安城市建設的迫切需求推動了安防產業(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)動報警等在內的多技術融合管理體系已經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特的優(yōu)勢構成了其中不可或缺的一環(huán)[1-3]。

　　1 射頻與微波技術的優(yōu)勢

　　射頻與微波是指頻率為300 MHz~300 GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶。微波毫米波傳感器具有一系列獨特的特性。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的適應性。上述的這些特點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測量能力，推動了其在對人體的探測與行為識別方面的應用。

　　2 在安防領域的主要應用情景

　　射頻與微波傳感器通過發(fā)射一個電磁信號然后接收并分析從物體反射回來的信號，或者根據物體本身發(fā)射的信號，來獲取關于物體或場景的信息。結合前述微波毫米波的特點以及安防應用需求，此類傳感器的應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、重點單位(如機場、火車站、大型會議出入口)對可能攜帶危爆品的人員實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行精細檢查;紅外成像技術利用目標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現(xiàn)的隨身隱藏物品的快速檢測。

　　根據成像體制，毫米波人體安檢技術主要分為主動式和被動式成像技術。主動式毫米波一般采用毫米波源進行照射，圖像信噪比和對比度較高，圖像分辨率可達毫米量級，但由于收發(fā)過程的存在，成像時間較長，需要被檢人員配合做出舉手、轉身等動作，減慢人員通過速率，適合于包括機場在內的需要精細檢查且人員流動相對較小的場合。美國等國家的部分機場已采用合作式毫米波人體安檢系統(tǒng)在安檢工作區(qū)內對旅客進行細檢。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備，即被動式毫米波成像技術。這種技術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)點是成像速度快，理論上可達視頻速度，不影響被檢人員的正常行為，但由于輻射信號一般較弱，對應輻射計溫度靈敏度不高，圖像信噪比不高，分辨率較低。

　　從上世紀90年代起，美國、歐洲部分國家已經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)出了一系列應用于機場的合作安檢目標毫米波系統(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，利用主動多站稀疏陣列成像技術成功研制了QPS系列毫米波人體安檢儀，其工作頻率為70 GHz～80 GHz，每幅圖像成像時間約為4 s。這些系統(tǒng)最大的特點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，主要用來機場低速細檢人體安檢應用，無法滿足大客流、快速安檢需求。

　　被動成像方面，2011年，英國QinetiQ公司與英國曼切斯特大學聯(lián)合研制出TRL-4微波人體安檢儀樣機，其基于陣列信號處理技術可實現(xiàn)24幀/s的成像速度，目前，由于應用需求弱，投入不足，該樣機仍在實驗研究階段。

　　同時，包括同方威視、中電38所等在內的國內多家研究機構參照國外主動式毫米波掃描成像安檢技術，先后研制出多套毫米波人體安檢儀。根據民航應用部門的檢測，其成像性能指標與國外安檢設備相當[11-14]。

　　在被動式成像安檢技術方面，北京航空航天大學微波工程實驗室自2003年就開始了毫米波陣列成像技術的研究，先后突破了多項關鍵技術，成功研制了多代毫米波成像原理樣機和系統(tǒng)樣機，推出了國內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，如圖1所示。第一款樣機主要針對室外關卡應用特點，可實現(xiàn)每小時1 200人次的通關安檢速度，并已完成各類型危爆物品測試和實驗驗證，但其系統(tǒng)靈敏度較差，僅適用于室外應用。針對地鐵、火車站等室內應用環(huán)境，北航微波工程實驗室推出了第二款工程樣機，其通過增加接收通道數量提高系統(tǒng)溫度靈敏度，實現(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已經成為一種被大眾熟知的電子產品，但這種高速普及趨勢為生活帶來便利的同時也產生了各種問題。2015年的一項統(tǒng)計結果顯示，我國無人機駕駛員合格證總數僅為2 142個，而無人機數量卻有數萬臺，大部分都是沒有培訓、沒有申報的“黑飛”，這不僅影響人們的生命財產安全，也會威脅公共安全、空防安全。因此，反無人機技術裝備和市場也在同步快速擴展[18-21]。

　　目前，各國反無人機技術主要有聲波干擾、信號干擾、黑客技術、激光炮、“反無人機”無人機等，各種技術都有其獨特的優(yōu)勢，而現(xiàn)今的防范系統(tǒng)更趨向于結合上述兩種或多種技術建立管制系統(tǒng)，從多角度對小型無人機的使用進行捕獲或正確引導。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，根據現(xiàn)場實際情況通過電磁信號干擾發(fā)射器選擇性地對“黑飛”無人機的遙控、GPS、圖傳信號進行電磁壓制，奪取操控者的控制權，直接使“黑飛”無人機迫降。

　　美洲、歐洲等國家已經相繼出現(xiàn)多種包含了電磁壓制作用的無人機捕獲系統(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、光電指示器、可見光/紅外相機和目標跟蹤軟件以及定向射頻抑制/干擾系統(tǒng)，能夠對8 km范圍內的無人機進行探測、跟蹤、識別、干擾和制止，該系統(tǒng)對微型無人機的有效作用距離為1 km，對小型無人機的有效作用距離可達數千米。

　　圖2所示為我國青島國數科技公司自主研發(fā)的JAM系列電磁壓制系統(tǒng)，通過機載瞄準系統(tǒng)準確鎖定目標無人機，并將空中實時影像畫面回傳至地面控制中心，同時在空中發(fā)射一張16 m2的大網，將“黑飛”無人機捕獲并運送至指定安全區(qū)域進行進一步處理。該套系統(tǒng)在2016年12月31日上海市跨年倒計時的安保工作中起到關鍵作用，先后成功驅離、迫降20余架次無人機，消除外灘區(qū)域范圍內的低空公共安全隱患。

　　2.3 周界防衛(wèi)中的毫米波雷達

　　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與產品，建立在大數據網絡分析基礎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)或受光學能見度影響，或受惡劣天氣影響(風、雨、雪、霧、冰雹、沙塵等)，或受復雜環(huán)境影響(小動物、雜草叢生、樹木等)，以致安全防范系統(tǒng)漏報率高、誤報率高、無法準確探測運動目標的距離、角度、速度等信息，形同虛設。

　　區(qū)域型智能主動安全警戒在傳統(tǒng)視頻監(jiān)控設備的基礎上，加入新型區(qū)域型毫米波技術相控陣雷達[1-3，22]以及行業(yè)內火熱的機器視覺智能視頻分析兩種技術手段，使用多重傳感器復合校準，實現(xiàn)區(qū)域安全防范報警。

　　圖3所示為國內某企業(yè)的區(qū)域型相控陣雷達傳感器安防實現(xiàn)過程，在目標進入防區(qū)后進行探測預警，同時通過對目標的距離、角度和速度的測量來判斷目標的準確位置，再融合機器視覺視頻分析技術進行目標復核，通過算法過濾功能確定是否是人的運動，最大可能地減少誤報警[22-24]。

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

　　2.4 電子射頻身份識別

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

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

　　同時RFID標簽可以解決短距離尤其是室內物體的定位，可以彌補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)應用射頻識別技術，可以實現(xiàn)持有效電子標簽的車不停車，方便通行又節(jié)約時間，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行實時的監(jiān)控，準確驗證出人車輛和車主身份，維護區(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

　　在眾多對公共安全的威脅因素變得日益復雜的今天，微波毫米波安防相關技術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。隨著器件設計制造、信號處理方式、多傳感器融合等相關科技的不斷進步，這種技術將成為安防領域不可或缺的組成部分。