美军探察地下设施的技术手段

美军面临着一些来自地下的威胁：在伊拉克和阿富汗，天然洞穴和人造掩体成为反美武装的藏身之地，或存储武器，或隐蔽人员、或用作基地：而伊朗、朝鲜将大规模杀伤性武器的生产、储存和发射基地隐藏于地下，更是让美国坐卧不宁、如芒刺在背。为此，美军加紧研制核“钻地弹”(EPW)与非核的“温压弹”(Thermobaric Weapon)等打击地下目标的先进武器，以提高“打击深埋地下硬目标的能力”(Hard and/orDeeply Buried Target DefeatCapability，HDBTDC)。
　　但问题是，这些地下设施受到敌方的高度重视，往往加以巧妙的隐蔽和伪装，用常规的侦察手段难以发现；尤其是不易获得详细的相关技术信息，使得先进的钻地武器找不到用武之地。为了应对这些非对称威胁，在美国国防先期研究计划局(DARPA)的支持下，采用高科技手段发现地下设施的研究工作取得了很大进展。
　　
　　“反地下设施”计划
　　
　　美军为了应对来自“地下”的非对称威胁，开展了“反地下设施”(Counter Underground Facilities，CUGF)计划的研究工作。该计划研究一些特种技术、研制新的地面和空中传感器，以提高美军探察地下设施、判别其中进行的活动、找出其软肋，并远距离评估攻击效果的能力。
　　“反地下设施”计划最初侧重于“声学、地震和电磁无源监视”(PASEM)系统，研制出了地面传感器系统的样机。样机设计结合了新的传感器技术、先进算法和信号处理技术，可以提供网络节点阵列，监视和判别信号特征。样机并不是一个成型的系统，所有的传感器和通信节点都是手工设置的。试验表明，对于高性能传感器影响较大的并不是自身的噪声和风噪，而是真实环境中的杂波。样机还检验了一些有发展前途的技术概念，如耦合地震检波器、高灵敏度传感器及其噪声处理、基线相干大信号处理、非视距通信等。该系统遵从简单微型传感器的技术理念，力争传感器节点更多、更容易部署。在PASEM系统运行中收集到的信号和噪声特征信息，为下一步在小型低空无人机上开展研究指明了方向。
　　在“反地下设施”计划第二阶段的“低空机载传感器系统”(LAASS)研究中，侧重于在战术要求的时间内发现地下设施的能力，以便在嘈杂的城市战场也能快速进行大范围的搜寻和成像，以弥补地面传感器的不足。LAASS系统具有大孔径和高机动性，可以飞行潜入敌方领土、发现未知的地下设施入口，并且“描绘”出地下设施的布局和连接情况。为了实现这一点，首先要使传感器能够区分无人机机身和发动机发出的震动噪声与声学信号，有可能使用的传感器包括：高灵敏度电磁传感器，高频压差计，声学传感器及重力传感器。其次是如何利用好低噪声传感器的输出信号，来解决电子部件等的电磁反演问题。此事并非无足轻重，它涉及到重要的信噪比和模型不匹配问题。
　　美国国防先期研究计划局感兴趣的项目，除了上述PASEM系统和LAASS系统外，还有其他一些用以支持部署、机动、通信和地理定位的“反地下设施”传感器和子系统。该局目前的研究重点是用无源探测的方式发现敌方使用中的隐蔽地下设施和大规模杀伤武器藏匿之地，然后对它们进行战略、战术侦察和定位弄清城市建筑物之间是否有相互连接的地下通道，阻止敌方要员在地下自由行动；在重要设施被先头部队清理和警戒后，防止它们被敌人重新占领。地面传感器网络采用开放式结构和视距外遥测方式。
　　为了揭示建筑物的地下连通情况，可以把示踪气体灌入地下设施的通气孔，并对探测到的无源信号进行时间、空间关联处理。而为了区分医院的地下室和敌人的掩体、区分牧羊人的小屋和恐怖分子的巢穴，还需要对多种测量手段进行比较、核对，以得出正确的结论。
　　
　　寻找小规模的“老鼠洞”
　　
　　“声学、地震和电磁无源监视”系统与“低空机载传感器系统”侦察大型地下设施，都利用了这些地下设施的明显的地震痕迹，以及设施中电力、通风和设备辐射出的声学和电磁信号。利用这些“蛛丝马迹”来发现地下设施已经是极具挑战性了，而要发现被戏称为“老鼠洞”的小型地下设施——如恐怖分子经常藏身的洞穴、用于走私武器和非法入境的地道，还有那些与敏感设施(如监狱、武器试验室、核工厂)秘密相通的地道——则更是难上加难。
　　发现小洞穴和地道的难度在于，它们人迹罕至，从地面看空空如也，也不像大型地下设施那样有大量设备发出的特征信号。然而，这些地下设施发出的信号虽然微弱，但确实存在；如果对信号的时间、空间关系进行综合关联，从背景杂波中加以筛选，还是有办法发现它们的。美国国防先期研究计划局正在研究对大范围地区进行快速扫描的新方法，以高概率、低误差地发现“老鼠洞”。
　　与一般人所想象的不同——“空无一物”本身也具有可探测性。有些主动探测技术(如利用声呐发现水下洞穴乃至探测潜艇)就是对“空无一物”的探测。类似的探测策略也适用于地下。近一个世纪以来，主动探测技术在地球物理探测界稳步推进，通过遥测地质学的精细特征，可以发现矿藏、石油和其他资源。在这些技术基础上，地基和机载的电磁探测系统通过诱导极化、电阻变化、磁一地成像等技术途径，揭示地球导电系数和介质成分的细微变化：通过记录地震波、电磁波和准静态场对它们所处介质(如不同类型的土壤、岩石、空气及盐分)的影响，可以知悉地面以下的情况。
　　美国把这些技术应用于军事，用来发现“老鼠洞”。具体实施上的难点，在于研制小型化的地球物理和石油探测设备。这些设备采用的技术包括地震反射、折射和垂直地震测深，以及X射线断层摄影术。类似的测量技术已经广泛应用于医学界，如胎儿和心脏的超声波成像、计算机化的X射线层析摄影、核磁共振成像、正电子X射线断层摄影等等，都详细揭示出人体内部结构及其病变。为什么不把它们直接用于地下情况的探测呢?难点是，如何把探头放进地下。
　　现有的地球物理成像技术是入侵式的，搜寻速率很慢。在大多数情况下，要使传感器及其电源尽可能接近需要扫描的地区。这不仅费时、费力，而且在敌方领土和战场环境下，从战术上说也很危险。另外，要寻找的“老鼠洞”常常很小，所处的自然环境也与声呐之于海洋大相径庭，杂波很多、十分复杂，对设备的分辨率、抗干扰能力和取样性能的要求很高，需要多部件/多模式传感器。
　　美国军方表示，如果借助地球物理成像技术寻找“老鼠洞”的技术获得成功，那么搜查范围将不再局限于点，而是可以扩大到面，像伊拉克藏匿违禁物的地下仓库、阿富汗恐怖分子的地下巢穴等。要达到这一目标，需要研制可移动的、能大密度覆盖大范围地区的视距外传感器，还要区分地下通道与周围材料在回波信号上的差别。就像在暗处照相需要闪光灯一样，地球物理成像也要依靠辐射源来“照明”一一不仅可以用主动发射电磁波的信号源，还可以借助周围已经存在的环境电磁波(如调幅收音机信号、罗兰导航系统的传输信号，以及用来与潜艇进行远距离通信的低频、超低频和极低频信号)，甚至还可以利用自然界中存在的地球一大气电磁噪声。
　　在地震技术方面，自然界的地震活动、车辆的振动、炸药的爆炸，甚至音爆都可以作为无源探测的震波源。在侦察通道或洞穴时，可以利用人为布放的或寄生的有源探测器，而不必依赖由于人群的活动而辐射出来的信号。另外，“空无一物”的通道与洞穴与周围环境在重力场梯度上有差别，可以用“低空机载传感器系统”中的重力压差计来探测这种差别。
　　可移动视距外探测系统能够支持上面提及的电磁、地震和重力压差计技术，要做的工作是实现传感器和平台的有效结合，以及在敌方进行有效部署。另外，还要发展对可见光图像和红外超级光谱传感器图像进行处理的技术，利用先进的算法对获得的图像进行时间一空间相关。例如，研究洞穴进出口和通道口的气体，与温度、湿度、大气压力等变化因素的关系。
　　
　　实施中的三个关键技术问题
　　
　　首先，是连续的监视。即在一定的时间段内进行不间断观测，通过获得的一系列照片来发现细小的变化。例如，用红外广角相机拍摄的照片记录一天内空气温度、大气压力的变化：然后把每一个坐标点(或照片的象素点)与大气压力、时间进行交叉相关，便可以发现细微的局部异常，从而判定通道或洞穴的入口。这就要求有连续拍摄的传感器和生存能力强的平台加以支持。同样，通过对人类活动引起的变化及其周期的关联，可以从统计学的角度揭示异常的可疑活动，从而发现通道或洞穴。
　　其次，是进行对不容发现监视。在实施时，先要可靠地绘制背景杂波(包括自然发生的和人为制造的)的统计学图像，以便通过对比来发现新出现的异常特征。这对于电磁扫描和重力坡度测量技术都至关重要，它们都要分析环境中的细微变化。有了精确而详细的空间杂波背景图之后，就可以使用相匹配的滤波器进行特征探测，通过地下设施与周边物质之间在相位和极化上的差别，来知晓地下空间的大小和形状。而关键的关键是研制可以大量获取背景和异常情况数据、可以快速和隐蔽地进行探测的传感器系统，包括可以提供无缝隙、广域覆盖的高机动传感器，或者是高分辨率的广角传感器。
　　最后，要对观察到的各种现象进行综合分析，以提高探测精度、减少虚警率。在地球物理领域应用数据融合技术进行探矿，已经取得了巨大进展。例如，如果地道足够大或它的入口多，常常会由于气团较轻而产生重力异常，由于绝缘和导电性的差别而产生电磁散射，甚至在地道出口或整个通道出现温度和水蒸气异常，还有可能发现地道上面或出口周围植物发出的超光谱或电磁信号。天然的通道和洞穴发出的信号虽然微弱，但确实存在，并且是能够检测的。
　　总而言之，无源地面传感器在发现大型地下设施的软肋、监视其活动的过程中是有效的；不过，探测小型洞穴结构的有源地震成像技术离实际应用尚有一定距离，需要克服性能低下、扫描速率低、发现痕迹少、时间连续性不强等局限。由于有些信号(如重力和电磁散射)的强度，会随着距离的增大以几何级甚至是指数级衰减，因此，通常要把这些传感器和平台部署到更接近被观测区的位置。
　　现在需要的是平台和小型传感器的结合，利用平台把传感器投送到战区，实现从时间和空间上的连续观测。为此，要综合利用现有技术和新的技术、结合有源和无源探测技术，并对平台进行创新，提高它们的生存能力和搜寻速率。由于无法在被观测区随处布置传感器和电源，需要研究新的算法以对这些传感器进行利用。