文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.001
中文引用格式： 段瑋倩，胡岸勇，苗俊剛. 射頻與微波技術(shù)在安防領(lǐng)域的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(7)：4-7，15.
英文引用格式： Duan Weiqian，Hu Anyong，Miao Jungang. RF and microwave technology in security application[J].Application of Electronic Technique，2017，43(7)：4-7，15.
0 引言
平安城市建設(shè)的迫切需求推動(dòng)了安防產(chǎn)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(shí)別、隱蔽物品探測(cè)、電子地圖、聯(lián)動(dòng)報(bào)警等在內(nèi)的多技術(shù)融合管理體系已經(jīng)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)構(gòu)成了其中不可或缺的一環(huán)[1-3]。
1 射頻與微波技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
射頻與微波是指頻率為300 MHz~300 GHz的電磁波，是無(wú)線電波中一個(gè)有限頻帶。微波毫米波傳感器具有一系列獨(dú)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(duì)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(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱，對(duì)于金屬類材料，則會(huì)反射。載頻高、波長(zhǎng)短、易實(shí)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(qiáng)的適應(yīng)性。上述的這些特點(diǎn)使得它極適合于透過墻壁、遮蔽物或衣物對(duì)人體或藏匿物品進(jìn)行探測(cè)和成像，加上幾乎全天候的探測(cè)能力以及對(duì)多普勒頻率的精細(xì)測(cè)量能力，推動(dòng)了其在對(duì)人體的探測(cè)與行為識(shí)別方面的應(yīng)用。
2 在安防領(lǐng)域的主要應(yīng)用情景
射頻與微波傳感器通過發(fā)射一個(gè)電磁信號(hào)然后接收并分析從物體反射回來(lái)的信號(hào)，或者根據(jù)物體本身發(fā)射的信號(hào)，來(lái)獲取關(guān)于物體或場(chǎng)景的信息。結(jié)合前述微波毫米波的特點(diǎn)以及安防應(yīng)用需求，此類傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景主要分為以下幾類。
2.1 出入口的人體安檢
在重要場(chǎng)所、重點(diǎn)單位(如機(jī)場(chǎng)、火車站、大型會(huì)議出入口)對(duì)可能攜帶危爆品的人員實(shí)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(shù)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(shù)圖像清晰，分辨率高，但對(duì)人體存在潛在的輻射損傷，適合于對(duì)隨身行李等進(jìn)行精細(xì)檢查；紅外成像技術(shù)利用目標(biāo)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(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)控與身份識(shí)別；而毫米波可穿透人體衣物成像，檢測(cè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的隨身隱藏物品的快速檢測(cè)。
根據(jù)成像體制，毫米波人體安檢技術(shù)主要分為主動(dòng)式和被動(dòng)式成像技術(shù)。主動(dòng)式毫米波一般采用毫米波源進(jìn)行照射，圖像信噪比和對(duì)比度較高，圖像分辨率可達(dá)毫米量級(jí)，但由于收發(fā)過程的存在，成像時(shí)間較長(zhǎng)，需要被檢人員配合做出舉手、轉(zhuǎn)身等動(dòng)作，減慢人員通過速率，適合于包括機(jī)場(chǎng)在內(nèi)的需要精細(xì)檢查且人員流動(dòng)相對(duì)較小的場(chǎng)合。美國(guó)等國(guó)家的部分機(jī)場(chǎng)已采用合作式毫米波人體安檢系統(tǒng)在安檢工作區(qū)內(nèi)對(duì)旅客進(jìn)行細(xì)檢。而對(duì)于人員密集且流動(dòng)性大的場(chǎng)所，如地鐵、火車站等，這種安檢方式必然會(huì)對(duì)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(shè)備，即被動(dòng)式毫米波成像技術(shù)。這種技術(shù)通過檢測(cè)人體和所攜帶物品自身輻射的毫米波來(lái)判斷是否攜帶違禁品，最大的優(yōu)點(diǎn)是成像速度快，理論上可達(dá)視頻速度，不影響被檢人員的正常行為，但由于輻射信號(hào)一般較弱，對(duì)應(yīng)輻射計(jì)溫度靈敏度不高，圖像信噪比不高，分辨率較低。
從上世紀(jì)90年代起，美國(guó)、歐洲部分國(guó)家已經(jīng)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(guó)外已開發(fā)出了一系列應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)的合作安檢目標(biāo)毫米波系統(tǒng)，主要有美國(guó)L-3 Communications公司的Safeview毫米波人體安檢儀和德國(guó)的Smiths Heimann公司的Eqo毫米波成像人體安檢等。2012年，德國(guó)Rohde&Schwarz公司聯(lián)合Infineon公司和紐倫堡大學(xué)，利用主動(dòng)多站稀疏陣列成像技術(shù)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(shí)間約為4 s。這些系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是被檢人員需配合做出立正、舉手等動(dòng)作，雖然分辨率高，但成像速度慢，主要用來(lái)機(jī)場(chǎng)低速細(xì)檢人體安檢應(yīng)用，無(wú)法滿足大客流、快速安檢需求。
被動(dòng)成像方面，2011年，英國(guó)QinetiQ公司與英國(guó)曼切斯特大學(xué)聯(lián)合研制出TRL-4微波人體安檢儀樣機(jī)，其基于陣列信號(hào)處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)24幀/s的成像速度，目前，由于應(yīng)用需求弱，投入不足，該樣機(jī)仍在實(shí)驗(yàn)研究階段。
同時(shí)，包括同方威視、中電38所等在內(nèi)的國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)參照國(guó)外主動(dòng)式毫米波掃描成像安檢技術(shù)，先后研制出多套毫米波人體安檢儀。根據(jù)民航應(yīng)用部門的檢測(cè)，其成像性能指標(biāo)與國(guó)外安檢設(shè)備相當(dāng)[11-14]。
在被動(dòng)式成像安檢技術(shù)方面，北京航空航天大學(xué)微波工程實(shí)驗(yàn)室自2003年就開始了毫米波陣列成像技術(shù)的研究，先后突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了多代毫米波成像原理樣機(jī)和系統(tǒng)樣機(jī)，推出了國(guó)內(nèi)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(jī)，如圖1所示。第一款樣機(jī)主要針對(duì)室外關(guān)卡應(yīng)用特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)每小時(shí)1 200人次的通關(guān)安檢速度，并已完成各類型危爆物品測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但其系統(tǒng)靈敏度較差，僅適用于室外應(yīng)用。針對(duì)地鐵、火車站等室內(nèi)應(yīng)用環(huán)境，北航微波工程實(shí)驗(yàn)室推出了第二款工程樣機(jī)，其通過增加接收通道數(shù)量提高系統(tǒng)溫度靈敏度，實(shí)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(wú)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(wú)人機(jī)已經(jīng)成為一種被大眾熟知的電子產(chǎn)品，但這種高速普及趨勢(shì)為生活帶來(lái)便利的同時(shí)也產(chǎn)生了各種問題。2015年的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國(guó)無(wú)人機(jī)駕駛員合格證總數(shù)僅為2 142個(gè)，而無(wú)人機(jī)數(shù)量卻有數(shù)萬(wàn)臺(tái)，大部分都是沒有培訓(xùn)、沒有申報(bào)的“黑飛”，這不僅影響人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，也會(huì)威脅公共安全、空防安全。因此，反無(wú)人機(jī)技術(shù)裝備和市場(chǎng)也在同步快速擴(kuò)展[18-21]。
目前，各國(guó)反無(wú)人機(jī)技術(shù)主要有聲波干擾、信號(hào)干擾、黑客技術(shù)、激光炮、“反無(wú)人機(jī)”無(wú)人機(jī)等，各種技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而現(xiàn)今的防范系統(tǒng)更趨向于結(jié)合上述兩種或多種技術(shù)建立管制系統(tǒng)，從多角度對(duì)小型無(wú)人機(jī)的使用進(jìn)行捕獲或正確引導(dǎo)。其中的信號(hào)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況通過電磁信號(hào)干擾發(fā)射器選擇性地對(duì)“黑飛”無(wú)人機(jī)的遙控、GPS、圖傳信號(hào)進(jìn)行電磁壓制，奪取操控者的控制權(quán)，直接使“黑飛”無(wú)人機(jī)迫降。
美洲、歐洲等國(guó)家已經(jīng)相繼出現(xiàn)多種包含了電磁壓制作用的無(wú)人機(jī)捕獲系統(tǒng)，如美國(guó)DroneDefender電波槍，瑞典的近程和中程“長(zhǎng)頸鹿”AMB多波束雷達(dá)系統(tǒng)等。其中比較突出的是以英國(guó)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(dá)、光電指示器、可見光/紅外相機(jī)和目標(biāo)跟蹤軟件以及定向射頻抑制/干擾系統(tǒng)，能夠?qū)? km范圍內(nèi)的無(wú)人機(jī)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤、識(shí)別、干擾和制止，該系統(tǒng)對(duì)微型無(wú)人機(jī)的有效作用距離為1 km，對(duì)小型無(wú)人機(jī)的有效作用距離可達(dá)數(shù)千米。
圖2所示為我國(guó)青島國(guó)數(shù)科技公司自主研發(fā)的JAM系列電磁壓制系統(tǒng)，通過機(jī)載瞄準(zhǔn)系統(tǒng)準(zhǔn)確鎖定目標(biāo)無(wú)人機(jī)，并將空中實(shí)時(shí)影像畫面回傳至地面控制中心，同時(shí)在空中發(fā)射一張16 m2的大網(wǎng)，將“黑飛”無(wú)人機(jī)捕獲并運(yùn)送至指定安全區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步處理。該套系統(tǒng)在2016年12月31日上海市跨年倒計(jì)時(shí)的安保工作中起到關(guān)鍵作用，先后成功驅(qū)離、迫降20余架次無(wú)人機(jī)，消除外灘區(qū)域范圍內(nèi)的低空公共安全隱患。
2.3 周界防衛(wèi)中的毫米波雷達(dá)
智能主動(dòng)型區(qū)域安防是近些年提出的一種集合多種安防技術(shù)與產(chǎn)品，建立在大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析基礎(chǔ)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(dòng)傳感器、視頻等）或受光學(xué)能見度影響，或受惡劣天氣影響（風(fēng)、雨、雪、霧、冰雹、沙塵等），或受復(fù)雜環(huán)境影響（小動(dòng)物、雜草叢生、樹木等），以致安全防范系統(tǒng)漏報(bào)率高、誤報(bào)率高、無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離、角度、速度等信息，形同虛設(shè)。
區(qū)域型智能主動(dòng)安全警戒在傳統(tǒng)視頻監(jiān)控設(shè)備的基礎(chǔ)上，加入新型區(qū)域型毫米波技術(shù)相控陣?yán)走_(dá)[1-3，22]以及行業(yè)內(nèi)火熱的機(jī)器視覺智能視頻分析兩種技術(shù)手段，使用多重傳感器復(fù)合校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域安全防范報(bào)警。
圖3所示為國(guó)內(nèi)某企業(yè)的區(qū)域型相控陣?yán)走_(dá)傳感器安防實(shí)現(xiàn)過程，在目標(biāo)進(jìn)入防區(qū)后進(jìn)行探測(cè)預(yù)警，同時(shí)通過對(duì)目標(biāo)的距離、角度和速度的測(cè)量來(lái)判斷目標(biāo)的準(zhǔn)確位置，再融合機(jī)器視覺視頻分析技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)復(fù)核，通過算法過濾功能確定是否是人的運(yùn)動(dòng)，最大可能地減少誤報(bào)警[22-24]。
區(qū)域安防雷達(dá)采用可靠的一體化技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于軍事防御檢測(cè)、監(jiān)獄區(qū)域防范、油庫(kù)區(qū)域監(jiān)控、機(jī)場(chǎng)區(qū)域安防、多傳感器融合等場(chǎng)合，它建立在軍用雷達(dá)這一成熟技術(shù)基礎(chǔ)之上，在探測(cè)距離、抗干擾能力、監(jiān)測(cè)區(qū)域、準(zhǔn)確性等方面都具有保障。此外，結(jié)合視頻分析技術(shù)的發(fā)展，多目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)定位識(shí)別等也成為這類產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。
2.4 電子射頻身份識(shí)別
除了對(duì)目標(biāo)輻射或反射的探測(cè)與識(shí)別，微波與毫米波在安防方面一個(gè)較為普遍的應(yīng)用就是電子射頻識(shí)別（RFID），這是一種無(wú)線通信技術(shù)，可以通過無(wú)線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。
RFID技術(shù)本身已經(jīng)非常成熟并廣泛應(yīng)用于多種安防場(chǎng)景。在公共區(qū)域，例如景區(qū)、劇場(chǎng)影院等的入口和通道處，可以使用這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)開放式的門禁系統(tǒng)，當(dāng)來(lái)訪人員配有的電子標(biāo)簽出入，RFID 系統(tǒng)自動(dòng)感應(yīng)人員身份是否合法[25-33]。
同時(shí)RFID標(biāo)簽可以解決短距離尤其是室內(nèi)物體的定位，可以彌補(bǔ)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(jī)定位再加上RFID短距離定位手段與無(wú)線通信手段一起可以實(shí)現(xiàn)物品位置的全程跟蹤與監(jiān)視。因而除了人員識(shí)別，還可以在居民區(qū)或單位出入口進(jìn)行車輛識(shí)別，通常稱作射頻門禁，如圖4所示[34]。門禁系統(tǒng)應(yīng)用射頻識(shí)別技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)持有效電子標(biāo)簽的車不停車，方便通行又節(jié)約時(shí)間，提高路口的通行效率，更重要的是可以對(duì)小區(qū)或停車場(chǎng)的車輛出入進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，準(zhǔn)確驗(yàn)證出人車輛和車主身份，維護(hù)區(qū)域治安，使小區(qū)或停車場(chǎng)的安防管理更加人性化、信息化、智能化、高效化。
3 總結(jié)
在眾多對(duì)公共安全的威脅因素變得日益復(fù)雜的今天，微波毫米波安防相關(guān)技術(shù)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(shì)，在安防方面的地位逐漸提高。隨著器件設(shè)計(jì)制造、信號(hào)處理方式、多傳感器融合等相關(guān)科技的不斷進(jìn)步，這種技術(shù)將成為安防領(lǐng)域不可或缺的組成部分。
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作者信息：
段瑋倩，胡岸勇，苗俊剛
（北京航空航天大學(xué) 微波感知與安防應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191）