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隨著無人機的軍事應用日益普及，其高速性、敏捷性與低可探測性使傳統攔截手段失效。本文通過可控實驗室環境研究高功率微波脈沖對無人機及細胞培養物的影響，論證微波武器作為反制新興威脅的有效性。實驗采用兩套輻射峰值達50千伏/米場強、3兆瓦功率的緊湊型高功率微波（HPM）發生器，結合混響室/微波暗室的實驗室配置及陸海實戰化部署場景開展驗證。Marx發生器與橫電磁波室耦合產生場強高達200萬伏/米的強電磁脈沖（HEMP），揭示了寬頻/超寬頻高壓瞬態脈沖對生物體分子層面的作用機制，為解析此類武器引發人體表型與基因型改變的生物學路徑提供依據。

實驗證實HPM脈沖可對無人機實現軟硬殺傷：場強超50千伏/米時再現器件燒毀現象，輻射能量亦被證明可損傷機械部件。研究發現電磁屏蔽失效源于結構形變導致的法拉第屏蔽效能崩潰。HEMP脈沖實驗顯示其僅引發生命過程瞬時改變而不影響DNA結構；而HPM脈沖暴露使健康細胞DNA在4小時后可逆性變異，線粒體變化則干擾細胞能量代謝與周期調控——值得注意的是前列腺癌細胞與神經母細胞瘤經輻射后出現異常加速分裂。研究表明HPM脈沖能有效防御無人機威脅，但不同物理參數的微波頻段脈沖電磁場對基因的毒性效應仍存爭議：多數研究認為短期細胞暴露未發現直接基因毒性或誘變效應，該領域因結論沖突仍處于科學論辯階段。

背景深化：商用無人機普及浪潮引發全球安防新挑戰。塑料、環氧樹脂等材料導致其雷達散射截面顯著縮小，需依賴光電技術進行識別。競速無人機200公里/時極速與新型噴氣式"見證者-238"（Shahed238）600公里/時的高速性能，配以低空飛行特性與微小有效雷達截面，迫使防御系統需采用發射頻譜特征分析、運動軌跡解算及光學識別等復合手段。俄烏沖突證實，熟練操作員通過FPV眼鏡操控的高速無人機可使物理攔截策略失效——后者存在成本高昂、易被數量壓制等固有缺陷。本實驗延續軍事裝備技術研究院電磁兼容實驗室的早期研究（200MHz-18GHz頻段，10/20/50伏/米場強），重點探索了緊湊型HPM源對飛行器數字系統的癱瘓機制。

波蘭"定向能領域新型武器防御系統"國家戰略計劃框架下的"高功率微波脈沖防護方法與裝備"項目（依據國防部裝備委員會建議由科技部長于2009年批準國防預算資助），其核心目標即滿足作戰需求文件E0840"定向能-攻防能力"的具體要求。

殺傷機理：軍事術語中"軟殺傷"指輻射停止后系統無法自行恢復功能的狀態。本項目重點檢驗HPM脈沖對商用無人機核心系統（含自動駕駛模塊）及消費電子產品（手機、智能手表、閃光電路等）的破壞效應。實驗室通過混響室環境實現超50千伏/米場強的3兆瓦輻射，并輔以陸海平臺實戰化測試數據。研究立足無人機的根本弱點：其高度依賴的半導體與微機電系統（MEMS）雖可實現加速度計/氣壓計定向功能，卻極易受外部電磁干擾。鑒于數字晶體管系統的脈沖易損性，團隊著力研究了利用該特性癱瘓核心功能的路徑。當前技術條件下，緊湊型HPM發生器已具備遠距癱瘓飛行器關鍵數字系統的能力。特別值得注意的是，該武器能突破法拉第籠的電磁屏蔽防護，且在禁用傳統致命武器的特殊環境中具有獨特優勢——故常被稱作"人道主義武器"或"非致命性武器"[2][3]。

健康隱憂：然而HPM脈沖對人體健康的安全性引發日益增長的疑慮。既往微波生物效應研究聚焦軍用雷達輻射，據此制定了安全使用標準。但HPM脈沖的健康風險尚未系統評估，學界對其暴露影響尚未形成科學共識[4]。現有急性暴露研究顯示：當比吸收率(SAR)＞1-2瓦/千克時，細胞/組織/生物體會出現超1℃的顯著溫升（等同蓄意加熱效果）；功率密度＞5瓦/平方米可能導致0.5-1℃體溫升高的熱效應[5]。雷達設備操作人員長期暴露于非熱效應微波輻射的案例中，已觀察到慢性神經系統紊亂、脂肪組織變異、眼部損傷（晶體混濁、角膜病變）及血液病變（貧血）[5]。分子層面研究進一步表明非熱微波暴露存在生物效應[6]。

HPM脈沖設備運行時產生的超強電磁場，通過電場強度幅值或生物體內感應電場變化率干擾生理過程。熱彈性效應引發的組織瞬時溫升可激發聲波傳播，導致不同強度的機械應力。建立HPM脈沖設備安全操作指南亟需明確瞬態電磁場暴露的潛在風險[7]。但迄今為止，無論細胞組織穩態層面抑或人體健康領域，相關科學研究數據仍不充分。

本報告展示了為美陸軍2024年機動支援與防護集成實驗（MSPIX）演示準備的模擬研究成果。本研究旨在開發并測試一套面向復雜環境的自主導航系統，通過先進算法使機器人實現障礙物規避與安全高效路徑規劃。報告詳述了自主導航系統的開發與測試方法，包括利用仿真評估性能，并通過模擬測試結果凸顯該導航方案的有效性。

本報告響應《美陸軍多域情報：2021-2022財年科技重點領域》（陸軍副參謀長辦公室，2020年）設定的研究方向。具體而言，本研究契合“戰爭將以超高速和大規模形式進行，由機器人及自主系統（RAS）、機器學習（ML）和人工智能（AI）等技術主導，這些技術已廣泛可用、集成封裝并具備即用性”（第5頁）的論述。通過引入虛擬邊界、多航點設置及暫停導航堆棧功能，本系統達成構建更高效自主解決方案的目標。

天波超視距雷達（OTHR）利用高頻無線電波傳播特性，在加拿大高緯度地區實施軍事監視。本科學報告通過評估加拿大境內多部OTHR的部署位置，構建多雷達網絡。研究采用基于“經驗加拿大高北極電離層模型”（E-CHAIM）生成的仿真電離層環境進行射線追蹤，模擬不同晝夜與季節時段。根據現有地面設施的鄰近性原則，在加拿大境內選定17個潛在部署點。從這17個位置中選取3部、4部或5部雷達組成的候選網絡，基于其全國空間覆蓋總效果進行評估與排序。假設單部OTHR配備可任意指向的20°方位角波束。首先評估各雷達在所有方位角方向靈敏度恒定的網絡潛在覆蓋能力，隨后評估雷達波束近似北向瞬時指向時的網絡覆蓋性能。評估過程中綜合考慮晝夜時段、季節時段與工作頻率因素。針對兩種波束模式，分別提出性能最優的3部、4部及5部雷達網絡配置，并根據各位置點入選最優網絡的頻次對潛在部署點進行排序。

天波超視距雷達（OTHR）作為適用于高緯度地區的遠程監視技術，其性能受電離層電子密度時空變化的顯著影響。本研究通過高頻（HF）無線電傳播的射線追蹤仿真，評估不同假設OTHR網絡在全年各時段的性能表現，提出最優的3部、4部及5部發射機網絡配置方案，為未來OTHR部署選址提供科學決策依據。

圖8： 基于八個時間實例產生的平均區域覆蓋率，定向波束模式發射機最優組合：（a）3部雷達、（b）4部雷達及（c）5部雷達網絡。上方的空間覆蓋圖展示了2021年12月21日中部時間18:00期間，各網絡在6 dB信噪比（SNR）閾值下的空間覆蓋效果。

本文基于NS-3仿真框架，探究對抗環境下衛星通信鏈路在遠程醫療應用中的網絡性能。通過吞吐量、延遲與抖動指標，對地球同步軌道（GEO）與低地球軌道（LEO）衛星配置進行測試與評估。仿真涵蓋單應用與多應用場景，分析對抗環境下多應用使用對網絡性能的影響，并將結果與Starlink實際測試數據對比以驗證LEO模型有效性。實驗表明：網絡性能波動主要源于鏈路誤碼量，單/多應用場景差異不顯著；LEO配置整體性能優于GEO系統，但其網絡延遲對鏈路誤碼更為敏感。

現代軍事行動中，信息域制權已成為確保作戰成功的核心要素。這促使沖突雙方積極或被動實施反介入、區域拒止與降級（A2D2）作戰行動，導致電磁頻譜（EMS）對抗環境形成，直接影響數字領域軍事行動能力。基于此現實，美國空軍研究實驗室（AFRL）啟動研發適用于嚴苛對抗環境的遠程醫療網絡。為支撐AFRL新型遠程醫療網絡測試與開發，本研究通過NS-3仿真[1]探究對抗環境對衛星鏈路性能的影響。仿真涵蓋GEO與LEO兩種衛星架構，模擬多種遠程醫療應用。選擇仿真方法旨在降低實地測試成本與時間消耗。A2D2作戰潛在效應通過模擬中間人攻擊實現，反映敵方通過干擾衛星至地面站數據包傳輸以降低鏈路性能的攻擊途徑。

本研究支持AFRL遠程醫療網絡威脅研究項目，旨在為未來惡劣與降級環境下遠程醫療網絡基礎設施設計提供實驗依據，確保關鍵性能標準。為獲取降級環境對衛星通信的影響數據，可復現、易操作且低成本的仿真工具具有顯著優勢。本研究重點回答以下問題：GEO與LEO系統在不同場景下如何受鏈路降級影響；單/多應用在近理想與對抗條件下對同一衛星鏈路的性能差異。所有實驗保持相同仿真參數以確保可比性。為實現網絡鏈路降級效應分析，仿真將在衛星鏈路中引入誤碼模型，探究多應用并發使用時的鏈路降級效應。

論文結構如下：第2章闡述研究背景與關鍵技術基礎；第3章詳述實驗配置與仿真設計方法論；第4章呈現仿真結果與初步發現；第5章總結研究成果與核心洞見。

本論文研究了搜索潛艇使用對數螺旋搜索模式重新定位近期丟失目標潛艇的能力。研究通過開發隨機時間步進仿真模型進行數據采集與定量分析，核心效能指標包括重獲接觸時間、重獲接觸時的距離以及總體探測概率。自變量涵蓋目標潛艇的假定航速、搜索潛艇的初始距離以及目標機動頻率。研究發現：該搜索模式在前兩小時內效能最優，此后定位目標的可能性顯著下降；目標機動頻率與探測概率呈正相關，搜索潛艇初始距離與探測概率呈負相關；若搜索潛艇基于目標可能航速的極端值（如最低或最高航速）規劃機動策略，其性能將顯著降低。本研究通過定量分析驗證了對數螺旋搜索模式的有效性，并為未來反潛戰術開發提供了框架支撐。

背景與戰略意義
 在大國競爭時代，美國及其近等對手正通過軍事、經濟、政治與外交手段爭奪全球影響力（Savoy與Staguhn，2022年）。就軍事手段而言，制海權的核心要素之一是潛艇。鑒于潛艇的多功能性與隱蔽性，全球各國持續投入大量資源發展潛艇技術。為應對對手的技術飛躍，美國持續研發技術與戰術以維持水下優勢。自二戰以來，潛艇已采用平行搜索、蛇行搜索、方形搜索、扇形搜索及屏障巡邏等多種模式定位敵方潛艇（Champagne等，2003年）。然而，理論上還存在基于嚴密數學推導的搜索模式，例如對數螺旋搜索模式（見圖1，搜索潛艇與目標潛艇的相對速度比為3:1）（Nahin，2007年，第85-90頁）。

理論假設與仿真模型
 該搜索模式在數學上被證明能夠確保目標定位，但其有效性依賴四項假設：1）搜索潛艇保持聲學優勢；2）目標潛艇無法探測搜索潛艇（Cares，2024年）；3）搜索潛艇對目標具有顯著速度優勢（Cares，2024年）；4）目標潛艇保持恒定的規避航向與航速（Cares，2024年）。本研究通過仿真模擬挑戰上述假設：構建包含藍方（搜索潛艇）與紅方（目標潛艇）的隨機時間步進仿真模型。紅方潛艇采用二維隨機游走模型，其航向在每次機動時從0至2π弧度的均勻分布中隨機抽取，航速從6至14節的均勻整數分布中隨機選擇。紅方機動間隔時間服從泊松過程，每次間隔為隨機指數變量。藍方潛艇在每次場景中起始于紅方初始位置的正南方，初始距離可變。藍方機動分為兩階段：第一階段朝紅方最后已知位置抵近至1海里內；第二階段啟動螺旋搜索。

探測概率建模與效能指標
 藍方潛艇在每個時間步的探測概率由分段函數定義，最大探測距離為4海里。若紅方潛艇航向與藍方航向夾角在±30度范圍內（正對或背對），探測概率將乘以0.1的衰減系數，以模擬此類方位下潛艇聲學輻射能量的衰減效應。本仿真的效能指標（MOE）包括重獲接觸時間、重獲接觸距離以及紅方潛艇的總體探測概率。這些指標對評估對數螺旋機動的效能與安全性至關重要：重獲接觸時間越短，目標完全丟失的可能性越低；重獲接觸距離影響潛艇安全性與反探測風險；總體探測概率直接反映戰術有效性。通過對初始分離距離、紅方假定航速及紅方機動頻率等變量的分析，研究得出以下結論：

1. 紅方假定航速與探測概率的關系：若假定航速接近紅方實際航速范圍的極端值（6節或14節），搜索效能顯著下降。最優假定航速需結合初始距離與機動頻率動態調整。
2. 初始距離與探測概率的負相關性：藍方初始距離每增加1海里，探測概率下降約8%。
3. 機動頻率與探測概率的正相關性：紅方機動頻率每提升1次/小時，探測概率上升約12%。

結論與未來方向
 本研究首次系統評估了對數螺旋搜索模式在動態對抗環境中的局限性，揭示了假定參數偏差對戰術效能的非線性影響。研究結果為開發基于自適應參數優化的新一代反潛戰術奠定了基礎。未來工作可拓展至多目標協同搜索、環境噪聲干擾建模及機器學習驅動的實時參數調整等領域，以進一步提升反潛作戰效能。

高超音速武器因其極端速度與機動規避能力使得防御極具挑戰性。本文提出一種仿真框架，旨在研究大氣層內使用攔截導彈對抗高超音速武器所面臨的技術挑戰與系統要求。論文簡要描述了由作者開發的高超音速武器、攔截導彈、發射與傳感器平臺及支持攔截導彈的戰術數據鏈仿真模型。模型參數基于公開可得信息構建。仿真實驗結果表明，成功攔截需同時滿足數據鏈目標數據質量、攔截導彈導引頭性能與機動能力等要素。最關鍵的系統要求是攔截導彈末段需具備足夠時長，以修正中段累積的制導誤差。仿真實驗證明該框架亦適用于評估高超音速武器性能。

高超音速飛行能力顯著提升了武器系統的生存性。由于高超音速武器（HSWs）的極端速度，從探測到打擊目標的窗口期極短且攔截困難。此類武器在飛行過程中具備機動規避能力，進一步增加了防御復雜性[1][2]。本文提出一種仿真框架，旨在研究使用攔截導彈（IMs）對抗HSWs的技術挑戰與系統要求。該框架包含HSWs、IMs及其支持系統的仿真模型。支持系統涵蓋指揮控制通信情報（C3I）系統的組成部分，以及在IMs通過機載傳感器（即導引頭）捕獲目標前持續跟蹤HSWs的傳感器。所有參與攔截的實體通過C3I系統的戰術數據鏈（TDL）通信。圖1所示的簡化作戰視圖展示了各實體及攔截階段。

HSWs與IMs均采用慣性導航系統（INS）、全球導航衛星系統（GNSS）或嵌入式GNSS-INS（EGI）輔助飛行制導[1][3]。高超音速武器可能配備導引頭以最小化脫靶量[3]。與HSW不同，攔截導彈必須配備導引頭，因為僅依賴外部數據鏈目標更新（DLUs）與機載導航系統無法有效對抗高速機動目標[4]。導引頭的目標探測能力主要受限于目標距離與視場角（FOR），而攔截導彈的高超音速飛行引發的馬赫加熱與等離子體效應也會限制導引頭功能。

攔截導彈導引頭的探測距離（記為RD_IM）受成本、可用空間與電力限制[3]。由于HSW的高速度，多數情況下攔截導彈需在RD_IM范圍外發射。此外，HSW飛行中可能實施欺騙性機動規避[1][2]。因此，在進入RD_IM范圍并捕獲目標前，攔截導彈依賴數據鏈更新（DLUs）與自身導航系統制導。對跟蹤傳感器與C3I系統而言，為火控提供滿足質量要求的HSW目標DLUs極具挑戰性。DLUs質量由目標位置/速度更新誤差、更新延遲與數據丟失次數定義[4]。首項質量指標取決于傳感器測量能力與C3I系統（含多傳感器數據融合功能），后兩項指標取決于傳輸DLUs的戰術數據鏈（TDL）。DLUs延遲分為兩部分：傳感器處理測量數據并發送至網絡的時間，以及數據融合后發送至攔截導彈的時間[3]。數據丟失次數與TDL可靠性相關（需在敵方電磁干擾下保持高可靠性）。

攔截導彈導引頭基于雷達、光電紅外（EO/IR）傳感器或其組合（即多模傳感器）。進入預定目標距離后，導引頭開始從不確定區域搜索目標[4]。該區域用于補償DLUs誤差、延遲與攔截導彈導航系統誤差。雷達導引頭需處理位置與速度雙重不確定區域，而EO/IR導引頭僅搜索垂直于視線方向的位置不確定平面[4]。若導引頭在RD_IM范圍內探測到目標，攔截導彈轉入末段制導階段。根據現有攔截導彈公開信息，通常需具備直接碰撞殺傷能力[1][2]。即使采用破片戰斗部的攔截導彈也需實現極小脫靶量[2]。為簡化，本文仿真實驗僅考慮直接碰撞殺傷，故未包含近炸引信與戰斗部功能等末端事件。攔截導彈與HSW的脫靶距離決定攔截成敗。

盡管HSW仿真涵蓋從發射到目標的全程飛行，本研究未覆蓋從預警至攔截的完整殺傷鏈，僅聚焦火控系統已跟蹤HSW的攔截階段。研究僅考慮大氣層內攔截且未納入對抗措施。此外，本研究中射頻（RF）干擾僅影響攔截導彈接收C3I系統目標數據更新的能力，不影響火控系統或攔截導彈的RF傳感器性能。文中討論了欺騙與干擾導致GNSS定位失效的情況。論文結構如下：第2節簡述仿真框架與模型；第3節展示兩項仿真實驗；第4節討論總體結果；第5節給出結論。

設計紅外系統可以幫助商業和軍事用戶實現大量應用。隨著寬帶紅外成像儀的尺寸、重量和功率（SWaP）的減小，其在航空飛行器上的實用性得到了開發。機載系統具有更大的機動性，可增強用戶獲取圖像的能力。本文介紹的研究采用輻射測量產生的理論模型，并將地面設計技術應用于空中。領航、瞄準、制圖和態勢感知都是紅外成像任務的例子，具有廣泛的設計歷史。本文的研究重點是設計空中系統。設計了一種基于導航的紅外系統，用于比較中波和長波紅外波段，以探測高壓電線，避免致命的撞車事故。一種新的瞄準系統采用了一種新穎的多攝像頭設計方法，該方法植根于瞄準任務性能（TTP）指標，以提高在無人機平臺上飛行時的大范圍性能。對可見光、近紅外、短波紅外和擴展短波紅外的校準圖像進行比較，以找出哪種圖像對繪圖任務的場景對比度最高。最后，設計了一個態勢感知系統，利用波長保持人員視線，同時實時繪制火災邊界以避免致命事故，從而確保森林消防員在極端野火條件下的安全。對于上述領航、瞄準、測繪和態勢感知系統設計，所產生的理論模型與實驗室和實地測量結果進行了比較。提出的校準分析提供了避免結果偏差和公平比較每個寬帶傳感器系統性能的技術。在每種情況下，理論和測量結果都證明了設計方法對創建航空傳感器系統是有效的。在每種情況下，傳感器的性能都能滿足設計要求，并可通過這些初步研究創建可部署的系統。

利用無人地面飛行器（UGV）進行自主導航和未知環境探索極具挑戰性。本報告研究了一種利用小尺寸、低重量、低功耗和低成本有效載荷的測繪和探索解決方案。本文介紹的平臺利用同步定位和繪圖功能，通過尋找可導航路線來有效探索未知區域。該解決方案利用多種傳感器有效載荷，包括輪子編碼器、三維激光雷達、紅-綠-藍相機和深度相機。這項工作的主要目標是利用 UGV 的路徑規劃和導航功能進行測繪和探索，從而生成精確的 3D 地圖。所提供的解決方案還利用了機器人操作系統。

本報告記錄了通過利用深度學習（DL）和模糊邏輯在空間和光譜領域之間整合信息，來加強多模態傳感器融合的研究成果。總的來說，這種方法通過融合不同的傳感器數據豐富了信息獲取，這對情報收集、數據傳輸和遙感信息的可視化產生了積極的影響。總體方法是利用最先進的數據融合數據集，為并發的多模態傳感器數據實施DL架構，然后通過整合模糊邏輯和模糊聚合來擴展這些DL能力，以擴大可攝入信息的范圍。這項研究取得的幾項進展包括：

• 將DL模型實施到片上系統（SoC）硬件中
• 高光譜圖像（HSI）數據的DL
  • 1.在HSI上建立DL，以獲得水的特性和底層深度
  • 2.在HSI上使用開放集識別方法
• 框架內融合方法的消融研究
• 使用DL和模糊聚合的HSI和LiDAR多模態傳感器融合的新框架
• 探討神經模糊邏輯在遙感數據中復雜場景的不確定性下自動推理的作用和實用性

出版物[1, 2, 3, 4, 5]進一步詳細介紹了取得的進展。

本文介紹了在卡勒獎學金第一年內進行的研究，研究如何自主控制檢查平臺向故障平臺行駛以完成檢查相關任務。這項研究的目的是開發一個有限時間的相對位置控制框架，使檢查衛星能夠安全地接近發生故障的平臺，因為平臺的通信能力受到阻礙，導致其在接近過程中根本無法通信。故障平臺導致獨特的挑戰，即平臺的狀態被認為是先驗未知的，檢查器可能無法從故障平臺提供的準確和連續的信息中受益；故障平臺也可能受到機動和干擾。

在該獎學金的第一期內，使用 MATLAB 和 Simulink 開發了仿真軟件，以演示檢查平臺與故障平臺執行會合操作。首先引入基于視線的相對運動模型，直接使用導航信息，然后以自適應非奇異終端滑模控制器的形式開發魯棒控制框架，以確保閉環系統穩定并保證有限時間收斂到所需的狀態。然后在最終討論未來的工作和目標之前展示和討論模擬結果。