陈春华

摘要：核电是重要的清洁能源，国务院提出要加快建设现代核电产业体系，打造核电强国。核电站实物保护系统作为核电安全防护的重要保障，随着核电发展，对实物保护系统提出了更高的要求。雷达探测防护技术经过多年发展，已经从军事领域延伸到民用领域。文章对雷达探测技术在核电站实物保护系统中的应用进行了探讨。

关键词：核电站；实物保护系统；雷达探测技术；核电安全保护；核安全 文献标识码：A

中图分类号：TM623 文章编号：1009-2374（2015）28-0058-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.028

1 概述

核安全事关核能与核技术利用事业发展，事关环境安全，事关公众利益。日本福岛核事故发生后，进一步保障核安全与防治放射性污染任务更加艰巨和紧迫，相关工作面临新的形势和挑战。核电站实物保护是为防止入侵者盗窃、抢劫、非法转移核材料或破坏核设施所采取的保护措施。实物保护系统是采用探测、延迟及反应的技术和能力，阻止破坏核设施的行为和防止盗窃、抢劫或非法转移核材料活动的安全防范系统。国家核安全局《核设施实物保护》安全导则中提出实物保护系统应按设施级别设置多重实体屏障，应配置多层次和不同技术类型的探测报警系统。目前国内外核电站实物保护的探测系统多采用张力围栏和微波对射等技术，这些技术主要是对边界或者小范围区域进行防护，但是普遍缺乏主动探测及低空防护能力。

雷达探测技术是成熟的探测报警技术，早先主要应用在军事领域。雷达探测的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云、风和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。近年来，随着雷达技术的发展及元器件制作水平的提高，雷达探测技术在工业和民用领域应用越来越广泛。本文通过对雷达探测技术的研究及不同种类雷达的特点分析，结合核电站实物保护系统的现实需求，探讨了雷达在核电站沿海探测预警、低空入侵探测及周界防护等应用场景。通过雷达探测技术，不但能够对大面积区域进行主动探测和防护，而且能够对沿海和低空进行入侵探测和预警，从而显著提高核电站现有实物保护系统的技防水平。

2 雷达探测技术

雷达是英文Radar的音译，源于Radio Detection and Ranging的缩写，意为无线电检测和测距。雷达是用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置的电子设备。雷达概念形成于20世纪初，在第二次世界大战前后获得飞速发展。雷达的工作原理是设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取该物体的相关信息，包括目标物体至雷达的距离、距离变化率或径向速度、目标物体的方位、高度等。雷达不仅是军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济发展（如气象预报、资源探测、环境监测等）、科学研究（天体研究、大气物理、电离层结构研究等）及民用和工业领域（汽车测速、防碰撞、区域探测防护等）。雷达在洪水监测、海冰监测、土壤湿度调查、森林资源清查、地质调查等方面也都显示了很好的应用潜力。

2.1 雷达工作原理

雷达是利用目标对电磁波的反射（二次散射）现象来发现目标并测定其位置的。图1是典型的一次雷达工作流程框图。雷达发射机产生电磁波经由环形器传输给天线，天线将电磁波定向辐射到空中，电磁波在空气中以光速（约3×108m/s）传播，电磁波碰到目标后会发生向各个方向发生散射，其中一部分散射的能量朝向雷达接收天线方向。雷达接收到反射回波后，经传输线和环形器发送给接收机，接收机具有很高的灵敏度，将接收到的微弱回波信号放大并进行信号处理后，将处理后的结果送至显示器进行显示。

测距是雷达的主要功能之一，电磁波在空气中以固定的速度（光速）进行传播，假设雷达发送雷达波到接收机接收到回波的延迟时间为tR，即电磁波往返一次所需要的时间，可以得到：

2.2 雷达频率及分类

雷达发射的电磁波的频率就是它的工作频率。工作频率对雷达起着至关重要的作用，直接影响雷达的探测距离、角分辨率、多普勒测速性能和雷达的尺寸、重量和造价等。常用的雷达工作频率范围为220MHz～35GHz，实际上随着雷达技术的发展及雷达特性和功能的不同，许多雷达的工作频率都超出了上述范围。例如超视距雷达的工作频率低至2～5MHz，而毫米波雷达工作频率可能高达300GHz。对于一种特定的雷达，它的最佳工作频率由它所要完成的任务决定。同时，工作频率的选择又是对雷达的尺寸、发射功率、天线波束宽度等的综合考虑。通常利用表样1给出的字符来标识雷达常用工作频段。这些字符表示的波段名称在雷达领域是通用的。它作为一种标准已被电气和电子工程师协会（IEEE）正式接受。IEEE521-2002专门针对毫米波雷达波段做出了相关的说明，与ITU保持一致，即V波段、W波段及Ka波段的一部分也划分到毫米波雷达波段范围。雷达种类很多，分类方法也很复杂，例如：（1）按定位方法可分为有源雷达、半有源雷达和无源雷达；（2）按发射雷达信号形式可分为脉冲雷达和连续波雷达、脉冲压缩雷达和频率捷变雷达等；（3）按工作频段可分为米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和其他波段雷达，包括超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。

2.3 FMCW毫米波雷达技术

雷达探测技术应用在核电站实物保护系统的主要任务是能够对要害区、海面、低空等防护区域实施扫描，探测到人或者车等入侵目标，并能够实时显示其位置、行进方向和规矩。雷达探测设备至少需要满足以下要求：（1）尺寸较小，易于安装；（2）最大探测距离1千米至数千米；（3）能够同时目标距离、方位和相对速度；（4）具有低空防护能力；（5）受天气影响较小，能够全天候工作；（6）有足够的目标分辨能力，能够区分人、车等目标。电磁波频率越高，波长越短，通常情况下所需要天线尺寸越小，因此高频雷达能够做到较小尺寸。采用FMCW技术的毫米波雷达能够很好地满足上述要求。毫米波雷达频率为30～300GHz，毫米波雷达波束窄、角分辨力高、频带宽、隐蔽性好、抗干扰能力强、体积小、重量轻。毫米波雷达系统有调频连续波（FMCW）雷达和脉冲雷达两种。对于脉冲雷达系统，当目标距离很近时，发射脉冲和接收脉冲之间的时间差非常小，这就要求系统采用高速信号处理技术，近距离脉冲雷达系统变得十分复杂，成本也大幅上升。因而核电站实物保护系统采用结构简单、成本较低、适合做近距离探测的调频连续波雷达比较适宜。

3 毫米波雷达在核电站的应用

3.1 核电站实物保护系统现状及挑战

目前国内多数核电站的实物保护系统对于保护区、要害区等都会采用多种技术手段进行防护，通常采用围网作为防护的物理实体屏障，保护区和要害区域采用张力围栏、振动光缆、振动电缆、微波、红外对射等周界入侵报警系统。目前常用的周界防范系统包括主动红外报警系统、微波报警系统、泄露电缆式周界探测报警系统、振动电缆报警系统、光纤传感器周界报警系统等，这些技术各有特点，但都面临如下挑战：（1）只能对周界进行被动防护，对采用其他方式绕过周界进入核电站内部的入侵目标无法探测和跟踪；（2）缺乏低空防护能力；（3）无法对周界之外的潜在威胁进行探测和预警；（4）缺乏海面防护能力。FMCW毫米波雷达技术能够较好地应对上述挑战。

3.2 核电站雷达防护系统设计

核电站雷达防护系统，首先要保证能够对保护区、要害区进行防护，一旦有入侵者突破周界或者闯入保护区域，雷达系统能够第一时间发现并发出告警。雷达系统使用高频雷达扫描防护区域，实时将雷达扫描结果回传到保卫控制中心，通过智能探测综合管理系统软件对雷达扫描数据进行分析，判断防护区域内是否有入侵行为，一旦发现有人员或者车辆入侵，系统自动发出警告，并且在区域地图上实时显示入侵目标所在的位置及其行进方向和速度。同时系统能够自动调用CCTV系统对目标进行跟踪。雷达系统可以探测一系列的目标，包括人、车或水上的船。根据特定防护的需求，在智能探测综合管理系统软件上配置防护区和探测区，同一个雷达的扫描区域内，可以划分不同的防护区域，不同的防区可以设定不通过的防护级别。系统软件应具有完备的第三方接口，方便与第三方安防系统进行联动。典型的核电站雷达防护系统由三部分组成，包括数据采集前端、服务端及客户端。

核电站雷达防护系统设计时还应当考虑到低空入侵的威胁，动力伞、滑翔伞或者热气球等低空飞行物都可能会被不法分子利用进行入侵，从而对核电站的安全造成一定的威胁，传统的周界防护系统无法很好地应对这些来自低空的威胁。而雷达探测技术从军事应用发展而来，对于低空防护和预警有非常成熟的设备和手段。在实际应用中可以将雷达探测与CCTV系统结合，当雷达探测到低空入侵目标后，自动控制联动的摄像机进行跟踪，并发出声音告警，方便安保人员进行视频复核，并采取相应的应对措施。

4 结语

本文对雷达探测技术及其特性做了相关介绍，特别针对核电站实物保护系统的特点和应用需求，分析了适用于核电应用场景的雷达防护技术，即FMCW毫米波雷达技术，介绍了典型雷达防护系统的组成部分及其应用示意。随着雷达探测防护技术在民用和工业领域的迅速发展和应用，可以预见，雷达探测防护技术将会在核电站的实物保护系统中得到积极的拓展，有效地提升实物保护系统的大范围防护及立体防护能力。

参考文献

[1] 丁鹭飞，耿富录，陈建春.雷达原理（第四版）[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2] Frequency Modulated Continuous Wave（FMCW）Radars for Ground Surveillance，technical notes，Walker Bulter.

[3] 石星.毫米波雷达的应用和发展[J].电讯技术，2006，（1）.

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

（责任编辑：陈 倩）