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美国化生放核国土防御体系——西格玛项目

本帖最后由 @潇宝贝 于 2019-7-26 14:27 编辑

【知远导读】一直以来,美国认为化生放核(CBRN)安全威胁是现实而严峻的,其国土安全防御体系正置于化学武器、生物武器与放射性“脏弹”等多重威胁下。2017年,美国发布了新版《国家安全战略》报告,其中明确:核生化等大规模杀伤性武器仍然是美国当前面临的三大威胁之一。

化生放核(CBRN)威胁的多样性和复杂性对CBRN威胁态势感知提出了新的挑战。为此,美国积极探索能够早期发现和感知CBRN的新技术路径,发展实时掌控国家重点地区乃至全国CBRN威胁态势的能力。

在此背景下,2013年,美国国防高级研究计划局(DARPA)国防科学办公室(DOS)首次提出开展“西格玛”(SIGMA)项目,以应对美国当前面临的最大的国内安全威胁——核与放射性“脏弹”。经过几年的研发、试验和评价,DARPA组织了SIGMA项目完成阶段性验收,并于2018年提出了SIGMA项目的延伸计划——SIGMA+,旨在实现可覆盖全域的CBRN威胁感知。

项目概况


2013年12月11日,美国国防高级研究计划局国防科学办公室公布一项名为“SIGMA”的公告(Broad Agency Announcement,BBA)。该公告提出:寻求低成本、高效率的成套辐射探测装置创新方案,以实现对特殊核材料(SNM)或放射源等潜在威胁的识别和测定。标志SIGMA项目正式启动。

SIGMA项目计划共分为两个实施阶段:第一阶段计划利用2或3年时间,重点发展核与辐射探测器核心技术部件,确定探测器设计参数、样机制备,同时根据目标性能、价格和数量搭建形成探测器的基础生产能力,并计划两年后采购探测器,随后将其用于项目的第一次大规模系统试验。第二阶段包括生产能力优化,计划按照项目设计目标和价格交付生产设备,并进行大规模系统性和实用性试验。

虽然,DARPA并未正式公布SIGMA项目参与方的名单等详细资料,但是,基于公开资料分析认为,SIGMA项目的参与方可能包括:日本Kromek公司、美国伊利诺伊大学、布鲁克海文国家实验室、以色列核研究中心电子与控制实验室、美国罗格斯大学等多家知名科研机构及探测器研制生产厂商。

在2016-2017年的近两年时间里,该项目相继接受了系列测试和试验评价任务。根据试验评价结果,DARPA认为采购的探测器基本满足项目预期要求。2017年2月,DARPA宣布SIGMA项目成功完成实验验收及阶段性任务。此后,美国认为,随着一些先进民用技术,如增材制造、基因编辑和小型化学反应器等技术的迅猛发展,美国面临CBRN等大规模杀伤性武器的威胁形势也日益紧迫,为能对这些潜在威胁实施全谱的早期侦测,从而实时掌握重点城市乃至国家的安全态势,2018年2月20日,在SIGMA项目基础上,DARPA发布了一份特别公告(ARPA-SN-18-33),宣布正式启动SIGMA+项目,谋求建立化生放核爆全谱监测、分析与响应系统。


美国防高级研究计划局(DARPA)发布SIGMA项目公告


项目发展途径


寻求新的核探测手段,实现核辐射探测手段优化高效
“911”事件后,美国积极开展核辐射探测器研究。其中,氦-3元素,因具有高灵敏度的优势成为了探测核弹及放射性物质的最佳材料。美国国土安全部和能源部曾斥资数亿美金用于研发以氦-3为填充的中子探测器,并计划生产数千台用于全世界港口布设,从而更好地预防和打击恐怖活动。然而,因氦-3元素资源严重缺乏,以及利用这种元素开发的探测器成本昂贵,美国不得不中止了在境内大范围部署氦-3探测器的计划。此后,美国陆续开展创新性研究成果和方法的支持性项目,以提升对核与辐射材料的早期探测能力。

SIGMA项目研究的重要目标之一就是开发低成本、高效且可大范围部署的核探测装置。项目提出开发两类辐射探测器:一类是尺寸较大,类似于车载的探测器。这种探测器应是一种大型、低价且高效的伽马和中子探测仪,每台成本在降低1个数量级的同时灵敏度要高于现有产品;另一类是廉价的、智能手机大小的人员使用型便携式探测器,预期目标为伽马和中子双模探测器,要求比现有产品的成本降低1个数量级,且对伽马和中子探测的灵敏度分别提高了5倍和10倍以上,可以探测最微小的放射性痕量物质。这两类探测器应能进行大范围部署,且通过与部署在主要道路、桥梁和其他固定基础设施的探测器联网,大幅提高了对辐射源的感知能力,并对可能的威胁更早发出预警。

推进项目分布式展开,注重阶段性测试评价工作跟进
DARPA通过数次基于现实场景的评价试验,以检验项目的阶段性完成情况。2016年初,在纽约和新泽西港务局某重要运输中心,DARPA启用100台联网SIGMA传感器进行测试试验。参试传感器展现了良好的性能,实现了对放射源的精确定位、强度与种类的识别以及快速报警功能。其定位和识别能力比现有系统提高了100倍。参试的探测器只有口袋大小,成本只有常规产品的10%,探测伽马和中子的速率最快增加了10倍,而且实现了1万台单价400美元的预期目标。随后,在2016年7月和10月,SIGMA项目分别又进行了两次针对小型辐射探测器的测试行动。其中,2016年10月,有1000名志愿者参加了在美国华盛顿进行的小型辐射探测器测试。测试使用了由日本Kromek公司开发的仅为智能手机大小的新型辐射探测器D3S,该探测器综合采用了两种先进探测技术,一是非氦-3紧凑型热中子闪烁探测器和掺铊的碘化铯晶体,二是硅光电倍增器的伽马探测器。探测器满足了SIGMA项目对低成本、携带方便、高灵敏度和使用寿命长等设计预期。试验还展示了D3S探测器实时检测伽马辐射和中子辐射能力,且初步建立了传感器网络,并实现了与手机网络的互联。

除了对小型探测器的试验测试,2017年2月,SIGMA项目在华盛顿特区完成了一次堪称美国有史以来规模最大、时间最长的车载辐射探测器试验。此次试验中,所有应急救援车辆共装备了73个大型探测器。这些探测器共记录了超过10万小时的探测作业情况,总行程超过24.14万千米,覆盖范围超过24万千米的区域,并实时识别了数千个辐射源。

通过一系列测试,SIGMA项目涉及的两类探测器的实际能力得到了充分验证,同时,通过对传感器数据的深度融合,实现了对核威胁变化态势的实时感知,SIGMA项目最终按预期计划完成了阶段性目标,这为后续项目的深入开展和实施打下了坚实基础。

拓展化、生监测功能,全面提升核生化综合防御能力
为应对新技术发展带来的新型威胁,DARPA基于SIGMA阶段性测试的成功结果,计划将进一步开展基于SIGMA系统的广域监测能力。为此,项目围绕CBRN威胁早期感知核心能力提出了该项目的拓展增项计划——SIGMA+。SIGMA+将以现有传感器能力为基础,提出将增加传感器模式,并整合大规模化生放核爆(CBRNE)传感器数据、新的自动化多源数据分析以及其他环境数据,建设与SIGMA项目下进行的核与放威胁检测类似的全联网、可扩展的化生爆威胁高性能探测器。与此同时,SIGMA+项目还将利用先进的科学技术针对敌方态势进行建模,以增强对威胁的检测和阻止效果。SIGMA+项目的预期实现能力,主要通过对物理感测、大数据自动分析技术、环境数据分析以及先进的敌方建模功能集成,构建对所有CBRNE大规模杀伤武器威胁进行早期检测的变革性、实用性系统。

SIGMA+项目——发展CBRN综合预警监测手段


项目进展
SIGMA+是拓展SIGMA项目的增项计划,它以SIGMA项目为基础,将发展可用于整个城市化生放核爆(CBRNE)威胁的全谱、实时、持久、早期探测系统。根据2018年4月DARPA发布的公告(BAA),SIGMA+项目共提出传感器、网络与分析、测试与评估三个重点发展内容,分成两个实施阶段。第一阶段重点是研究传感器、组网架构和自动分析功能;第二阶段重点是监测网络的整体集成。整个项目期间将贯穿进行系统模拟、试验和评价。其中,网络与分析任务分为两期实施计划:A期从2019财年第四季度(FY19Q4)到2021财年第四季度(FY21Q4),共27个月;B期从2022财年(FY22)到2023财年(FY23),为期24个月。


SIGMA+项目三个发展重点、两个实施阶段、两期网络与分析任务时间简表和关键节点里程碑


SIGMA+项目对计划开展的三个重点发展技术领域提出了相应的研制目标和指标体系。

针对化学侦检技术领域。项目提出寻求发展一种化学侦检系统,能够在多层建筑内持续、自动监测较大范围(约10平方千米)城区,探测或鉴定化学危险(如爆炸物、化学战剂、有毒工业化学品或毒品等)的存在,要求能够同时探测或鉴定多个痕量物质,包括某类威胁的前体。

针对生物检测技术领域。DARPA需求研发一种移动式(如车载式)、多功能、可扩增的空气监测器,可对城市范围内生物袭击进行持续监测和早期预警,同时能够对多种良性生物进行本地监测和识别。该系统的移动式实时联网监测可以同其他背景数据,如气象数据结合,从而优化系统灵敏度,同时降低误报的产生,并具备进行快速二次扫描和判断功能。

针对网络与分析能力。根据2018年11月8日DARPA发布的项目公告(DARPA-PA-19-01), 重点对网络与分析能力提出了预期指标。该部分包含三个技术领域:多源数据的自动化和传感器综合分析(TA3)、网络基础架构与系统集成(TA4)以及接口与互操作性(TA5)。TA3寻求通过多源传感器数据的综合分析增强CBRNE威胁检测网的功能,提高WMD威胁的阻断概率。通过利用更多背景数据来降低总体误报警率并减少干扰源影响,构想的系统可以降低运行负担并提高灵敏度。TA4主要寻求灵活、可扩增的网络基础架构从而将SIGMA项目、SIGMA+传感器项目和SIGMA+网络与分析项目中各技术领域信息进行综合集成。公告提出在SIGMA项目下部署的网络基础架构将作为SIGMA+项目TA4发展的起点。TA5技术领域,旨在研制SIGMA+系统期间,应实现已有系统和网络间互操作性整体效率的提升,从而也更便于美国各部局及盟友共同应对大规模杀伤性武器威胁。

未来发展构想
为了让开发人员更清楚地了解SIGMA+系统的设计目的和工作模式,以便让研发部门更有针对性地提出研发设计和实施方案,DARPA针对SIGMA+项目未来最终的运行设计了应用场景构想,并设计了一套利用SIGMA+系统对某非法实验室实施探测任务的应用示例。

利用移动式联网化学传感器系统(可能会将现有车辆用作运输载体)对较大城镇区域内的街道和建筑物进行连续侦测,通过SIGMA+网络实时报告检测结果。传入的数据流将有助于建立清晰的时空场景,通过对不断地进行侦测评估,可提高对可疑物质的检测灵敏度(如各种危险物或挥发性前体)。基于敌方模型和环境数据的自动多源数据分析,有助于提取最具相关性和操作性的信息,同时也可用于引导或指示传感网络。在给出的示例中,化学传感器可自动进行重新配置以提高对某一特定种类前体化学品的检测灵敏度,并且/或者转向某一优先检测区域进行更深入监测。反之,传感器异常读数也可用于提示和触发自动搜索,便于情报或执法应用。

通过对示例所涉及的侦测场景,评估该项目可扩展至与CBRNE相似的威胁检测等更多应用领域。虽然这些示例仅代表了最具挑战性的一些应用,但相信SIGMA+项目所涉及的先进技术将会广泛应用于国家安全领域。

结  论


DARPA作为美国国防重大科技攻关项目的组织、协调、管理部门,一直处于美国乃至世界技术史上重大突破技术的核心。SIGMA项目作为DARPA重要项目之一充分体现了DARPA一直秉承的组织管理有序、高效推进能力生成的特质。SIGMA项目以国防安全需求和技术创新为驱动,不仅提供了基于现实的问题解决方案,更注重以前瞻性眼光感知美国未来所面临的挑战和潜在需求,并引导项目研发的方向:美国从国土核与辐射威胁防护的急迫需求出发,开展SIGMA项目,而后在日益严峻且复杂多样的CBRN威胁防护和挑战牵引下,向化学、生物威胁监测延伸和拓展,诞生了SIGMA+。随着SIGMA+项目的开展,美国CBRN威胁防御的全面感知能力必将得到进一步提升。
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