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不夜城娱乐DARPA的研究成果:红外夜视技术全球定

  原标题:DARPA的研究成果:红外夜视技术,全球定位系统,个人电子设备的技术基础,人工智能

  美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency),简称DARPA。成立于1958年,是美国国防部属下的一个行政机构,负责研发用于军事用途的高新科技。本文摘编自DARPA于2015年3月发布的报告《国家安全突破性技术》。

  从远古时代开始,夜幕的降临不仅对侵略者的入侵造成了困难也极大地阻碍了防御工作的开展。为了战胜黑暗所带来的不便,古往今来人们想出了无数的解决方案,包括低技术含量的照明弹和可以放大微小背景余光的高端图像强化可视镜,这些方法尽管有一定成效,但都具有明显的缺陷。自第二次世界大战以来,夜视技术得到了突飞猛进的发展,由美国陆军夜视实验室(NVL)研发的影像增强管在情报收集和侦查方面做出了巨大贡献,同时还提高了空军和陆军在夜间执行任务的能力和安全性,美国近代的海湾战争就是一个绝佳的例子。然而,长期以来,无论是原始低端还是最新尖端的夜视技术都在发明后迅速进入商业市场,美国的对手们可以通过正当的商业途径轻而易举完全掌握最新的夜视技术。成熟先进的夜视技术对夜间军事行动的成功至关重要,同时也是美国技术优势和军事实力的重要保障,因此美国一直高度重视对先进夜视技术的研发工作。

  尽管大多数研究机构都将研究重点放在了对可以放大诸如星光之类的微弱可见光源的图像放大器的研究上,但是 DARPA的主要研究重点却是热源影像成像系统,该技术可以在无光的环境中提供检测在红外线波段附件的热波波长来提高夜视能力。热源影像成像系统具有高热敏成像仪,可以在任何时候准确识破敌人的伪装,探测到敌人所在。此外,热源影像成像系统除了可以探测到敌方车辆的存在外,还可以通过检测车辆引擎的剩余热度来判断该车辆最近是否执行过任务。

  举例来说,从20世纪80年代起一直到20世纪90年代末,DARPA一直致力于研究超高性能低温冷却红外成像仪,这种红外成像仪配有冷冻传感器,可以抑制背景环境中的电磁噪声,同时,还能增强对于低能量信号目标的检测灵敏度。 除此之外,DARPA在20世纪90年代开展的柔性制造项目极大地推动了碲化镉汞(HgCdTe)在成像方面的应用,碲化镉汞现在已成为制造生产高性能冷却系统中的焦平面阵列设备最常用的复合材料。

  在此期间,DARPA在非制冷红外成像技术领域也取得了重大进展, 使用微型辐射热传感器来探测潜在目标的红外辐射信号。

  尽管非制冷红外成像系统的敏感性远不如制冷红外成像系统那么高,但是非制冷红外成像系统的优势在于成本低和重量轻。DARPA研制出的低成本红外热像仪制造(LCTI-M)进一步强化了非制冷红外成像系统的这种成本和重量优势,不仅极大地降低了生产成本,还在仪器大小、体积、重量、电源供给等方面也取得了突破性的进展。DARPA在非制冷红外热像仪方面的研究加上美国陆军夜视实验室和军事部在夜视技术方面的研究成果促进了红外传感微测热辐射计的诞生,该技术现已被广泛应用于军事领域。

  最近,DARPA的研究方向是目前尚未被开发的光谱带,即短波红外,主要依赖人工白昼而非星光或者月光来提升夜视能力,预期将会在对抗敌军时给美军带来一定的战略优势。

  DARPA以及军事部的研究成果包括夜间驾驶导引系统、热成像武器瞄准镜、以及坦克战车瞄准镜等,极大地提高了美军部队的夜间作战水平和战斗力。除此之外, DARPA的研究还大幅降低了像素尺寸,同时在降低设备大小、重量、电源供给和成本方面取得了一定的进展。

  之前相关的红外成像设备不仅价格高昂、沉重难以携带,而且只能装在诸如飞机、坦克和舰艇一类的大型设备上,而如今这些设备不仅价格大幅降低而且可以戴于头上或者安装在步枪上以及其他陆军和海军陆战队的非车载系统上。DARPA所研发的红外夜视技术将会通过美国陆军计划执行办公室的热武器瞄准器和增强型夜视镜项目进入手提设备和步枪领域。

  国防部下的夜视和电子传感器指挥部负责协调统筹各国防部下各个部门间的夜视工作。目前,DARPA正与该部门密切合作,已经并且还将继续把数个DARPA在夜视技术领域的项目的研究成果推广至各个美国军事机构,包括陆军研究实验室、陆军太空与导弹防御司令部、空军研究实验室、空军特别行动指挥部、海军研究实验室、海军研究局以及海军陆战队系统司令部等。 应用已推广的领域包括可用于协助狙击手瞄准和监视目标的易装卸热能红外夜视镜、舰艇侦查装置以及用于协助在灯火管制的情况下直升机降落的导航系统。最新研发的短波红外技术也已经被几乎所有军事部门采用。目前,还计划将在大部分的机载、陆地和海上军备的多传感器成像系统上应用短波红外技术。

  与此同时,DARPA在非制冷热源成像技术方面的研究成果还逐渐扩展到了民用商业市场,用于加强在公安和执法、医药和消防、娱乐和运动、驾驶、生产和电力系统的隔热节能监测和评估等领域的工作。随着非制冷热源成像技术的进一步推广和市场化,很快其他国家就将掌握这一技术,这也再一次证实了即使是最先进的科技也只能给美国带来暂时性的优势。

  低成本先进的夜视技术应用的进一步推广已经弥合缩小了美国相对于其他国家的竞争性优势 ,因此在国内研发更先进的夜视技术势在必行,特别是需要对提高夜视设备清晰度和可视范围同时增强夜视技术在无光环境下和轻型便携式以及低成本设备上的应用等方面做出突破。不夜城娱乐美军还需要能够完全 克服停电、无光、恶劣天气以及其他视野昏暗可视度低的环境所带来的困难,并且能够在作战人员之间进行实时数据共享的夜视设备。另外现在市面上各种各样的夜视设备种类繁杂,功能不一,作战人员在执行任务时往往需要携带多种装置,这给作战人员造成了极大的不便,因此需要设计出一种具有各种夜视设备最重要的优势和功能的综合性便携式新装置。

  于1957年发射的苏联斯普特尼克人造卫星不仅导致了DARPA的成立,还(由于美国科学家的一次偶然观察发现)直接推动了世界上第一个卫星导航系统的诞生。 美国科学家们在追踪苏联人造卫星所传播的无线电信号时发现多普勒效应对无线电信号频率产生了一定的影响。这一发现使科学家们意识到可以通过从太空收集到的多普勒信号频移来跟踪确定地面或者海面的移动目标的所在位置。

  为了落实利用多普勒信号频移来实时追踪目标所在位置这一构想,在20世纪50年代末DARPA和海军共同出资开发了“子午仪”(Transit)号卫星定位系统并20世纪60年代初期成功将该系统发射入轨道。该系统通过5到6颗与潜艇和各类海面舰船接收器相连的卫星组成的星网从太空收集探测地面信号来提供初始卫星定位信息。在20世纪70年代,名为“导航之星”(NAVSTAR,即美国全球定位系统)后续项目正式启动,利用美国海军研究实验室建成的卫星星座群来发送与船只舰艇的时间同步的实时信号,进一步推动了卫星定位技术的发展。这将极大地提高潜艇操作员确定潜艇的水下位置定位和潜望深度的准确性,帮助在水下准确向目标发射弹道导弹。

  GPS的诞生在攻击型潜艇领域掀起了改革的浪潮,不仅大大缩短了潜艇浮出海面和使用潜望镜探测位置的时间 ,还增强了舰队的震慑力。

  到20世纪90年代末,即使是最先进最强大的“导航之星”系统也无法满足日益增长的需求,军事领域迫切需要功能更多性能更强覆盖范围更广的全球定位系统。但是当时全球定位系统的接收器大多为家具大小的设备,即使是最小型的接收器也有背包大小,大约50磅重,不仅难以携带还非常耗电,严重限制了设备的使用范围、活动性和有效性。

  在20世纪80年代,DARPA正式启动了微型全球定位系统接收器 (MGR)计划——通常被称为“维珍妮”(Virginia Slims)计划——来缩小全球定位系统接收器的尺寸大小、重量和耗电量。DARPA采用了先进的芯片设计,于1991年成功研制出一种革命性的完全电子化全球定位系统接收器,这种接收器不仅质量较轻,大小也只有普通烟盒那么大,耗电量也较低,一般电池就可满足设备的供电需求。

  小型的全球定位系统设备一经问世立马迅速传开,尤其是在军事领域得到了极为广泛的应用。这一改革性的技术创新可以为美军在全球任何地方的军事行动提供精确的时间和定位数据,彻底改变更新了传统的作战方式。今天,最新的全球定位系统技术不仅可以确保导弹的精确发射还可以动态遥控在飞行过程中导弹避免其偏离目标。另外,很多野外部队都采用了基于全球定位系统的定时同步技术来加强通信系统的安全性。

  移动卫星定位技术现已广泛应用于美国海陆空三军以及国防部全球定位系统指挥部以及其他国防部下属单位,与此同时,其他非军事的政府职能机构和企业工商界也纷纷采用了这一新型技术。今天,全球定位系统为促进美国各行各业的发展都做出的巨大的贡献,尤其是在像交通、天气预报、资源管理和农业等对美国经济发展至关重要的领域。另外,如今所有的智能手机都装载了全球定位系统,可以准确识别用户所在地理位置,极大地推动了全球电子商务的发展。

  的确,全球定位系统给美国带来了极大的军事优势,但与此同时,过度依赖卫星定位技术也成为美国的一大战略弱点。鉴于需要保障美军在缺乏或者无法使用全球定位系统或者信号不稳定或者被屏蔽的地区的作战效率,目前急需研发出一种可以替代全球定位系统的新型授时和导航技术。

  为了满足这一需求,DARPA正致力于研究可以为军事系统提供与现在全球定位系统同等质量的定位和导航以及授时新型技术,包括采用冷原子干涉测量法的新型惯性测量装置、芯片级自校准螺旋仪、加速计时器和时钟、以及采用脉冲激光技术的原子钟和微波源等。

  在智能手机和平板电脑成为生活必需品之前,DARPA已经开始研究网络、通信、高性能计算、图形用户界面、人工智能、先进的微电子、新材料和应用、导航和定时,综合而言,技术奠定了现代个人电子产品的重要基础。如今,很多人都认为,离开了移动设备,他们几乎无法生活。对于作战人员而言,移动设备的意义更加直接,它们已经逐渐超出了传统通信系统的范畴,而发展成为战斗工具和挽救生命的装备。

  几十年来,DARPA积极追求并成功开发出处理、分析和显示信息的新方法;增加电子设备的运行速度和性能;并降低这些设备的尺寸、重量、功耗和成本。许多此类开创性研究获得了联邦政府的大量额外投资。现在新涌现出的技术成为ISR、指挥与控制以及电子战等现代军事能力的基础。其中许多技术也开拓了广阔的商业市场前景,吸引大量的民营企业、企业家和投资者在电子、软件、通信和计算机行业内建立新的企业和产业。这些公共和私人投资最终打造了紧凑的综合型设备,能够浏览网页、计划行程、登陆社交媒体或者拨打传统的电话。

  • 软件推动的无线电技术的进步,使所有蜂窝设备采用多协议、多频带射频设备,能够使用单一设备漫游许多网络

  • 基于微机电系统(MEMS)和微型GPS接收器的芯片级高性能加速计和陀螺仪,奠定了智能手机和导航功能的基础

  • 计算机辅助设计工具和193纳米光刻技术,能够用于设计和生产最先进的存储器和处理器硅芯片

  通过将多个传感器和组件集成到具有标准化协议和统一接口的单个系统中,移动设备将显著改善作战人员的环境意识和通信能力,同时大大降低早期系统的尺寸、重量和功耗。也许更重要的是移动设备及其应用程序不断改进的速度。巨大的应用生态系统确保了功能按照与人类智慧相适应的速度快速发展。庞大的消费市场意味着设备本身在不断升级,以低成本提供前所未有的功能,促进许多新功能的诞生。

  例如,DARPA的广泛操作语言翻译(BOLT)项目使用简单的手机平台,支持与非英语母语的人群进行沟通并识别外文来源的重要信息。本机构的持续近距离空中支援(PCAS)项目创建了基于平板电脑的系统,使地面部队和作战空勤人员实时共享态势感知和武器系统数据,并允许地面情报人员迅速和正确地同时识别多个目标。 同样,DARPA的变革性应用(TransApps)项目采用安全的Android智能手机直接向阿富汗的驻军提供当前的高清晰度数字地图影像,再加上覆盖新数据以及让部队可以在完成任务之后插入更新的工具。也许最重要的是,TransApps简化了创建对应于作战人员需求的新应用程序的过程,有利于打造新的飞行作战工具。在18个月内,总计在阿富汗部署了超过3000台TransApps移动设备,以支持陆军部队的作战。

  DARPA技术对于个人电子设备的贡献表明了一种推进军事能力发展的间接但重要的途径,其中,DARPA资助的研究扎根于商业部门,然后投入军事上的应用。众多大学、公司和实验室中的DARPA项目带动技术进步,共同创造了智能手机和平板电脑。大量的私人资本和创业动力创造了大规模的消费市场。今天,DARPA正在说明此类商用设备将如何应用于军事需求。

  虽然,移动设备的商业市场非常繁荣,2014年的出货量超过15亿台,但其在军事行动中的应用才刚刚开始。移动设备的应用程序和硬件发展迅速,让我们得以重新思考我们的部队采用新技术的速度。

  在二战期间及之后,电子设备和计算机技术的进步奠定了机器执行人工智能任务的基础。但事实并非如此,直到1956年,才真正诞生了人工智能(AI)研究领域,启动了达特茅斯夏季研究项目,这是一项为期一个月的头脑风暴会议。该项目声称,“机器可以精确地模拟学习或智力任何其他功能。”可以预见,机器在未来将“使用语言、形成抽象和概念、解决人类面临的各种问题,并不断完善自己。“

  同时,军事行动产生和传输的传感器数据量、通信流量以及其他信息的迅速增长,使人们已经无法有效地吸收、理解并做出应对。为了充分利用此类信息,作战人员、战略家和情报分析人员越来越需要机器不仅进行简单的排序或统计,而要能理解语音、文本、图像、视频和其他复杂的动态数据流。

  DARPA很早就已经意识到人工智能将解决一系列国家安全需求,并因此启动了跨学科人工智能项目,综合了计算机科学、数学、概率论、统计和认知科学领域内的最新成果。我们的目标是自动执行与人工智能相关的一系列功能,比如,从数据或经验中导出新的知识、获得逻辑结论并推荐所观察到现象的解释。最初的努力主要集中在开发军事行动的计算机系统,尤其是军事指挥和控制的关键领域。DARPA迅速成为人工智能研发领域的领导者,应用逐渐扩展到语音识别和语言传输、大数据分析和情报分析、基因组学和医学、视觉和机器人以及无人驾驶和导航等领域。

  DARPA对于人工智能基础学科的早期投资帮助说明事实上,机器能够根据经验和反馈提供越来越多的智能协助。在指挥和控制等军事应用中获得最初的成功之后,DARPA在20世纪80年代资助了为期10年的战略计算计划,利用计算机体系结构、软件和芯片设计的快速发展并将人工智能技术推动至新的高度。其中包括动态分析和重新规划工具(DART),采用自动推理并显著改善沙漠风暴和沙漠盾牌行动中后勤和其他规划职能的问题解决辅助计划。在DART的帮助下,之前需要四天才能完成的部署计划,现在仅需要数小时就能完成。

  DARPA在人工智能领域的研发活动对另一个重要且具有挑战性的领域(高级语言处理)也将产生类似的革命性影响。早在上世纪70年代,DARPA的语音理解研究计划就创建了第一代自动语音转录系统,其中一个由Dragon Systems公司投入商业化应用。作为DARPA几十年有针对性投资的直接结果之一,机器逐渐学会认识和了解相关的语音,包括选定外语的文本和语音。这些努力已经帮助作战人员更好地了解当地人员并有助于收集区域情报,同时也逐渐形成蓬勃发展的商业市场。该项目也开发了语言统计模型,这是当今语言、视觉和其他领域内机器数据密集型学习方法的原型。

  此外,通过其可学习个性化助理(PAL)计划,DARPA创建了认知计算系统,提高了不同层次军事决策的效率;降低了对于大量指挥人员的需求;并实现更小型、移动性更高且不易受到影响的指挥中心。DARPA与军方用户合作,进一步调整军事用途的PAL原型,并与国防采办社会将PAL技术过渡到军事系统。

  DARPA研发的人工智能还对无人驾驶车辆的发展至关重要。DARPA主办的自动驾驶车辆城市挑战赛表明机器能够独立执行复杂的人类驾驶任务。同样,DARPA机器人挑战赛也正在推动机器人的发展,最终将开发出能够协助自然和人为灾害救灾行动的机器人。DARPA的赛博挑战赛(CGC)计划在2016年结束,正在应用数十年来人工智能领域内的基础知识,创造有史以来第一个完全自动的网络防御系统,这一进步将深刻改变当今赛博作战的风险环境。毫无疑问,人工智能对于国家安全至关重要。

  DARPA的2004年和2005年挑战赛以及2007年城市挑战赛展示了自动驾驶车辆的潜力。

  DARPA资助的人工智能技术已经改变了美军的许多方面。比如,DARPA的可学习个性化助理项目纳入未来陆军司令部,其将来自不同来源的数据集成到单个显示器,有助于做出更及时的决策并协调在世界各地的行动。同样,作为该机构发展工作的一部分,在过去十年中,多套DARPA语言翻译设备和系统已经部署在冲突地区。这些都帮助作战人员与当地居民进行沟通,并通过广播媒体和其他来源获得地区情报。

  DARPA开发的人工智能也渗透到商业领域。机构的PAL计划所产生的进步不仅适用于军事用户并且能够实现与民用手持设备之间的语音交互。于是,Siri公司于2007年成立,后来被苹果公司收购,这进一步推动了Siri/PAL技术融入苹果移动操作系统的过程。

  同样,在90年代中期,DARPA通过斯坦福大学的数字图书馆项目,为谷歌的原始搜索算法的开发提供给了部分资金。谷歌现在利用为DARPA城市挑战赛开发的人工智能技术启动了自动运输项目。

  一般而言,今天被称为大数据分析和机器学习的大部分技术都曾经获得DARPA的支持,大学或其他研究项目通常为当今人工智能技术的前身提供了许多支持。

  DARPA将继续对人工智能研究进行能够改变游戏规则的战略性投资,充分利用硬件、软件和通信技术方面突飞猛进的进步。该机构的大机制方案正在开发协助计算机阅读科学和技术文章的技术,将知识片段综合成更完整的模型,并提出实现特定目标的干预措施。

  计划旨在解决现代科学的开创性问题:当前关心的许多议题,如癌症、脑功能和气候,受到成千上万因素的影响,但研究人员通常研究和出版有关此类过程的高度专业化的部分要素,但是,没有人可以阅读所有的出版物或整合所有的要素,从而理解和处理此类过程。大机制产生了新的科学模式,其中,每一本出版物都将成为整体计划的一部分,并且研究向实际应用的转化将更加迅速。 DARPA的先进机器学习概率规划(PPAML)计划旨在创建用户友好的编程语言来简化和普及机器学习应用。通过避免专家从头开始构建定制软件的繁琐工作,这样做将加快的智力密集型应用程序的开发,包括垃圾邮件过滤器、智能手机个人助理和自动驾驶车辆等。

  DARPA的视觉媒体推理(VMR)项目正在努力实现照片内容识别,如“车辆的厂商和型号”或“建筑物地址”。通过提取人类分析师的相关信息并提醒他们值得重视的情况,VMR技术有望成为智能技术的倍增器。

  DARPA的赛博基因组计划正在开发恶意软件分析的自动化机器智能技术。通过归类相关的恶意软件,并生成详细的谱系图,赛博基因组将揭示黑客如何修改之前的恶意软件从而实现新的目标,及时了解新发现的恶意序列的特定目的。截至2015年初,三个潜在的转化合作伙伴正在评估作战环境下赛博基因组工具的应用前景。

  DARPA的赛博挑战赛(CGC)是旨在创立能够推理程序缺陷、制定补丁并实时在网络部署的自动化赛博防御系统。目前,最初发现漏洞到大范围补丁部署之间的漫长时间窗口使赛博维护者处于显著的劣势地位。通过提高机器的速度和企业规模,CGC旨在改变攻击者占主导地位的现状。

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