《电子技术应用》

射频与微波技术在安防领域的应用

2017年电子技术应用第7期 作者:段玮倩,胡岸勇,苗俊刚
2017/7/26 13:21:00

段玮倩,胡岸勇,苗俊刚

(北京航空航天大学 微波感知与安防应用重点实验室,北京100191)


    摘  要: 射频与微波因其一系列独特的特性,对其他安防探测手段形成了有效补充,使得这项技术在安防领域的应用研究取得了飞速的进展,并已经在出入口人体安检、小型无人机捕获、周界安防以及电子射频识别(RFID)等场合发挥了重要的作用。在安防环境日趋复杂的今天,射频与微波技术在维护公共安全方面已经成为不可或缺的组成部分。

    关键词: 射频与微波;安防应用;人体安检;无人机捕获;毫米波雷达

    中图分类号: TN98

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.001


    中文引用格式: 段玮倩,胡岸勇,苗俊刚. 射频与微波技术在安防领域的应用[J].电子技术应用,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

    平安城市建设的迫切需求推动了安防产业的迅速发展,智慧城市、智能安防等字眼也逐渐成为流行,包括视频监控、身份识别、隐蔽物品探测、电子地图、联动报警等在内的多技术融合管理体系已经开始逐步代替之前单一的安保模式,这种新安防系统需要各种传感器相互配合,而基于射频与微波的传感器因其独特的优势构成了其中不可或缺的一环[1-3]

1 射频与微波技术的优势

    射频与微波是指频率为300 MHz~300 GHz的电磁波,是无线电波中一个有限频带。微波毫米波传感器具有一系列独特的特性。首先,这一频段的大部分频率的电磁波在大气中传播衰减很小,受到烟雾或不良天气的影响也基本可以忽略,对于玻璃、塑料和瓷器等材料,以极微弱的损耗透过,而水和食物等会吸收微波而使自身发热,对于金属类材料,则会反射。载频高、波长短、易实现大带宽等特性也使得这类传感器在尺寸和分辨率方面具有很强的适应性。上述的这些特点使得它极适合于透过墙壁、遮蔽物或衣物对人体或藏匿物品进行探测和成像,加上几乎全天候的探测能力以及对多普勒频率的精细测量能力,推动了其在对人体的探测与行为识别方面的应用。

2 在安防领域的主要应用情景

    射频与微波传感器通过发射一个电磁信号然后接收并分析从物体反射回来的信号,或者根据物体本身发射的信号,来获取关于物体或场景的信息。结合前述微波毫米波的特点以及安防应用需求,此类传感器的应用场景主要分为以下几类。

2.1 出入口的人体安检

    在重要场所、重点单位(如机场、火车站、大型会议出入口)对可能携带危爆品的人员实施人体安全检查是安防的基本环节,具有重大意义。现有的基于成像的安检技术主要有:X射线背向散射成像、红外成像、毫米波成像等。X射线背向散射技术图像清晰,分辨率高,但对人体存在潜在的辐射损伤,适合于对随身行李等进行精细检查;红外成像技术利用目标温差分布形成二维图像,但不能穿透衣物,适合于特定地区长时间的监控与身份识别;而毫米波可穿透人体衣物成像,检测隐匿在人体衣物下的各种金属危爆物品,以及陶瓷手枪、液体炸药等非金属危爆物品,有效解决前两种无法实现的随身隐藏物品的快速检测。

    根据成像体制,毫米波人体安检技术主要分为主动式和被动式成像技术。主动式毫米波一般采用毫米波源进行照射,图像信噪比和对比度较高,图像分辨率可达毫米量级,但由于收发过程的存在,成像时间较长,需要被检人员配合做出举手、转身等动作,减慢人员通过速率,适合于包括机场在内的需要精细检查且人员流动相对较小的场合。美国等国家的部分机场已采用合作式毫米波人体安检系统在安检工作区内对旅客进行细检。而对于人员密集且流动性大的场所,如地铁、火车站等,这种安检方式必然会对公共秩序造成影响,因而需要引入更加快速高效的人体安检设备,即被动式毫米波成像技术。这种技术通过检测人体和所携带物品自身辐射的毫米波来判断是否携带违禁品,最大的优点是成像速度快,理论上可达视频速度,不影响被检人员的正常行为,但由于辐射信号一般较弱,对应辐射计温度灵敏度不高,图像信噪比不高,分辨率较低。

    从上世纪90年代起,美国、欧洲部分国家已经开始致力于用于人体安检的毫米波成像系统的研究[4-10]。迄今为止,国外已开发出了一系列应用于机场的合作安检目标毫米波系统,主要有美国L-3 Communications公司的Safeview毫米波人体安检仪和德国的Smiths Heimann公司的Eqo毫米波成像人体安检等。2012年,德国Rohde&Schwarz公司联合Infineon公司和纽伦堡大学,利用主动多站稀疏阵列成像技术成功研制了QPS系列毫米波人体安检仪,其工作频率为70 GHz~80 GHz,每幅图像成像时间约为4 s。这些系统最大的特点是被检人员需配合做出立正、举手等动作,虽然分辨率高,但成像速度慢,主要用来机场低速细检人体安检应用,无法满足大客流、快速安检需求。

    被动成像方面,2011年,英国QinetiQ公司与英国曼切斯特大学联合研制出TRL-4微波人体安检仪样机,其基于阵列信号处理技术可实现24帧/s的成像速度,目前,由于应用需求弱,投入不足,该样机仍在实验研究阶段。

    同时,包括同方威视、中电38所等在内的国内多家研究机构参照国外主动式毫米波扫描成像安检技术,先后研制出多套毫米波人体安检仪。根据民航应用部门的检测,其成像性能指标与国外安检设备相当[11-14]

    在被动式成像安检技术方面,北京航空航天大学微波工程实验室自2003年就开始了毫米波阵列成像技术的研究,先后突破了多项关键技术,成功研制了多代毫米波成像原理样机和系统样机,推出了国内首套摄像式毫米波人体安检仪,目前已开发出两款摄像式毫米波人体安检工程样机,如图1所示。第一款样机主要针对室外关卡应用特点,可实现每小时1 200人次的通关安检速度,并已完成各类型危爆物品测试和实验验证,但其系统灵敏度较差,仅适用于室外应用。针对地铁、火车站等室内应用环境,北航微波工程实验室推出了第二款工程样机,其通过增加接收通道数量提高系统温度灵敏度,实现大客流情况下不改变被检人员行为模式的快速安检[15-17]

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2.2 低慢小无人飞行器的电磁压制与诱骗捕获

    科技的飞速发展使得民用小型无人机已经成为一种被大众熟知的电子产品,但这种高速普及趋势为生活带来便利的同时也产生了各种问题。2015年的一项统计结果显示,我国无人机驾驶员合格证总数仅为2 142个,而无人机数量却有数万台,大部分都是没有培训、没有申报的“黑飞”,这不仅影响人们的生命财产安全,也会威胁公共安全、空防安全。因此,反无人机技术装备和市场也在同步快速扩展[18-21]

    目前,各国反无人机技术主要有声波干扰、信号干扰、黑客技术、激光炮、“反无人机”无人机等,各种技术都有其独特的优势,而现今的防范系统更趋向于结合上述两种或多种技术建立管制系统,从多角度对小型无人机的使用进行捕获或正确引导。其中的信号干扰是捕获系统较为核心的组成部分,主要是利用微波毫米波波段的电磁压制作用,根据现场实际情况通过电磁信号干扰发射器选择性地对“黑飞”无人机的遥控、GPS、图传信号进行电磁压制,夺取操控者的控制权,直接使“黑飞”无人机迫降。

    美洲、欧洲等国家已经相继出现多种包含了电磁压制作用的无人机捕获系统,如美国DroneDefender电波枪,瑞典的近程和中程“长颈鹿”AMB多波束雷达系统等。其中比较突出的是以英国为主,几家公司联手开发的AUDS系统,该系统集成了电子扫描防空雷达、光电指示器、可见光/红外相机和目标跟踪软件以及定向射频抑制/干扰系统,能够对8 km范围内的无人机进行探测、跟踪、识别、干扰和制止,该系统对微型无人机的有效作用距离为1 km,对小型无人机的有效作用距离可达数千米。

    图2所示为我国青岛国数科技公司自主研发的JAM系列电磁压制系统,通过机载瞄准系统准确锁定目标无人机,并将空中实时影像画面回传至地面控制中心,同时在空中发射一张16 m2的大网,将“黑飞”无人机捕获并运送至指定安全区域进行进一步处理。该套系统在2016年12月31日上海市跨年倒计时的安保工作中起到关键作用,先后成功驱离、迫降20余架次无人机,消除外滩区域范围内的低空公共安全隐患。

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2.3 周界防卫中的毫米波雷达

    智能主动型区域安防是近些年提出的一种集合多种安防技术与产品,建立在大数据网络分析基础上的新兴安防解决方案。传统的周界安全防范系统(物理防范的围栏、围墙以及电子围栏、震动传感器、视频等)或受光学能见度影响,或受恶劣天气影响(风、雨、雪、雾、冰雹、沙尘等),或受复杂环境影响(小动物、杂草丛生、树木等),以致安全防范系统漏报率高、误报率高、无法准确探测运动目标的距离、角度、速度等信息,形同虚设。

    区域型智能主动安全警戒在传统视频监控设备的基础上,加入新型区域型毫米波技术相控阵雷达[1-3,22]以及行业内火热的机器视觉智能视频分析两种技术手段,使用多重传感器复合校准,实现区域安全防范报警。

    图3所示为国内某企业的区域型相控阵雷达传感器安防实现过程,在目标进入防区后进行探测预警,同时通过对目标的距离、角度和速度的测量来判断目标的准确位置,再融合机器视觉视频分析技术进行目标复核,通过算法过滤功能确定是否是人的运动,最大可能地减少误报警[22-24]

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    区域安防雷达采用可靠的一体化技术,可广泛应用于军事防御检测、监狱区域防范、油库区域监控、机场区域安防、多传感器融合等场合,它建立在军用雷达这一成熟技术基础之上,在探测距离、抗干扰能力、监测区域、准确性等方面都具有保障。此外,结合视频分析技术的发展,多目标跟踪、目标定位识别等也成为这类产品的优势。

2.4 电子射频身份识别

    除了对目标辐射或反射的探测与识别,微波与毫米波在安防方面一个较为普遍的应用就是电子射频识别(RFID),这是一种无线通信技术,可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。

    RFID技术本身已经非常成熟并广泛应用于多种安防场景。在公共区域,例如景区、剧场影院等的入口和通道处,可以使用这项技术实现开放式的门禁系统,当来访人员配有的电子标签出入,RFID 系统自动感应人员身份是否合法[25-33]

    同时RFID标签可以解决短距离尤其是室内物体的定位,可以弥补GPS等定位系统只能适用于室外大范围的不足。GPS定位、手机定位再加上RFID短距离定位手段与无线通信手段一起可以实现物品位置的全程跟踪与监视。因而除了人员识别,还可以在居民区或单位出入口进行车辆识别,通常称作射频门禁,如图4所示[34]。门禁系统应用射频识别技术,可以实现持有效电子标签的车不停车,方便通行又节约时间,提高路口的通行效率,更重要的是可以对小区或停车场的车辆出入进行实时的监控,准确验证出人车辆和车主身份,维护区域治安,使小区或停车场的安防管理更加人性化、信息化、智能化、高效化。

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3 总结

    在众多对公共安全的威胁因素变得日益复杂的今天,微波毫米波安防相关技术因其穿透烟雾及多种遮蔽物并鉴别人与物的能力等多种优势,在安防方面的地位逐渐提高。随着器件设计制造、信号处理方式、多传感器融合等相关科技的不断进步,这种技术将成为安防领域不可或缺的组成部分。

参考文献

[1] NANZER J A.Microwave and millimeter-wave remote sensing for security applications[C].Artech House,2012.

[2] AHMED S S,SCHIESSL A,GUMBMANN F,et al.Advanced microwave imaging[J].Microwave Magazine,IEEE,2012,13(6):26-43.

[3] ZHENG C,YAO X,HU A,et al.A passive millimeterwave imager used for concealed weapon detection[J].Progress in Electromagnetics Research B,2013(46):379-397.

[4] WIKNER D A.Progress in millimeter-wave imaging[C].In Proc.SPIE,2011,7936(15):1392-1398.

[5] KOLINKO V G,LIN S,SHEK A,et al.A passive millimeter-wave imaging system for concealed weapons and explosives detection[C].Proc.SPIE,2005,5781:85-92.

[6] Space and Naval Warfare Systems Center Atlantic.Passsive millimeter wave detectors market survey report[R].2014.

[7] SALMON N A,MACPHERSON R,HARVEY A,et al.First video rate imagery from a 32-channel 22-ghz aperture synthesis passive millimetre wave imager[C].SPIE,2011,8188:501-512.

[8] SALMON N A.Minimising the costs of next-generation aperture synthesis passive millimetre wave imagers[M].SPIE Europe Security and Defence,2012.

[9] LIM B,GAIER T,KANGASLAHTI P,et al.Initial results from the Geostar-II laboratory demonstrator[C].IEEE IGARSS,2012:1282-1285.

[10] GAIER T,KANGASLAHTI P.A 180 GHz prototype for a GeoStationary[C].Microwave Imager/Sounder-Geo StarIII,IEEE IGARSS,2016:2021-2023.

[11] 温鑫,黄培康,年丰,等.主动式毫米波近距离圆柱扫描三维成像系统[J].系统工程与电子技术,2014,36(6):1044-1049.

[12] 王楠楠,邱景辉,张鹏宇,等.被动毫米波焦平面成像技术[J].红外与毫米波学报,2011,30(5):419-424.

[13] 汪飞,苗俊刚.8 mm波段干涉式微波辐射成像系统设计[J].电子测量技术,2006(5):195-196.

[14] XUE Y,MIAO J,WAN G,et al.Development of the disk antenna array aperture synthesis millimeter wave radiometer[C].Proceedings of the 2008 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology,ICMMT,Nanjing,China,2008,2:806-809.

[15] HU A,MIAO J.Prototype development of an 8 mm-band two dimensional interferometric synthetic aperture radiometer[C].Proceedings of the 2011 2nd International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering, MACE 2011,2011.

[16] 苗俊刚,郑成,胡岸勇,等.被动毫米波实时成像技术[J].微波学报,2013,29(5):100-112.

[17] ZHENG C,YAO X,HU A,et al.A passive millimeterwave imager used for concealed weapon detection[C].Progress in Electromagnetics Research B,2013,46:379-397.

[18] 电子发烧友网.无人机“天敌”八大黑科技及公司大盘点[EB/OL].(2016-08-12)[2017-06-01].http://www.sohu.com/a/110309154_467791.

[19] 中国航天报飞天科普周刊.诱捕”无人机,电子干扰不能少[EB/OL].(2014-03-28)[2017-06-01].http://www.spacechina.com/n25/n148/n272/n4791/c665711/content.html.

[20] 无人机之家.无人机反制监测系统成功研发,将破解管控难题[EB/OL].(2017-06-01)[2017-06-01].http://www.wrjzj.com/wrjxw/gnzx/13030.html.

[21] 全球无人机网.国数科技JAM-2000无人机电磁压制系统[EB/OL].(2017-04-20)[2017-06-01].http://www.81uav.cn/uav-product/201704/20/5005.html.

[22] 百度百科.智能安防[EB/OL].[2017-06-01].http://baike.baidu.com/item/%E6%99%BA%E8%83%BD%E5%AE%89%E9%98%B2/3150607?sefr=ps.

[23] 纳雷科技[OL].[2017-06-01].http://www.nanoradar.cn/.

[24] Jeffrey A.Nanzer.微波毫米波安防遥感技术(第一版)[M].苗俊刚,胡岸勇,孙国琳,等译.北京:机械工业出版社,2015.

[25] 郑达.RFID系统在安防管理中的应用与研究[D].成都:电子科技大学,2014.

[26] 韩万强,史少辉,吴海滨,等.基于RFID无线传感网智能安防系统的设计[J].物联网技术,2014(3):10-13,17.

[27] 彭伟民.RFID技术在社区安防管理中的应用[J].信息与电脑(理论版),2012(11):102-103.

[28] 何彤宇.运用RFID实时定位技术构建现代校园安防体系[C].中国电子学会信息论分会(Information Theory Committee of Chinese Institute of Electronics).第二届亚太地区信息论学术会议论文集,2011.

[29] 庞国明.RFID在安防行业中的应用前景探讨[J].中国安防,2009(7):60-64.

[30] 李志中.安防领域中RFID应用现状及发展趋势[J].中国安防,2009(7):65-67.

[31] 陈玉荣.浅析RFID的安防应用与发展趋势[J].中国安防,2009(7):73-75.

[32] 赵玉辉,王福豹,龚彬.基于RFID、MicaZ和GSM的新型门禁安防系统[J].信息安全与通信保密,2009(1):101-103,106.

[33] 施俊.远距离RFID在安防领域的创新应用[J].中国公共安全(综合版),2006(5):71-74.

[34] SmartWMS智慧仓库管理系统.RFID技术在车辆管理中的应用[EB/OL].(2013-01-05)[2017-06-01].http://blog.sina.com.cn/s/blog_6ff6374f0101cp6n.html.

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