DARPA寻求开发一种能在高空高速飞行条件下生成地下隐藏物体三维图像的技术

美国国防预先研究计划局（DARPA）正寻求开发一种独立的射频传感系统，能够在飞机上快速生成地下特征的三维图像。该技术要求系统装备模块在飞行器在约12200米高空以750千米/时的速度飞行时，生成地球深处隐藏结构三维图像。DARPA希望该技术可作为一种模块化载荷，无须进行大规模永久性改装即可安装在现有的固定翼飞机上。

尽管DARPA将关键矿产勘探列为主要目的，但快速开发、精确的操作要求以及模块化机载集成等特点表明，该技术可能还具有军事上的情报、监视与侦察应用潜力。

该机构近期发布的招标公告中包含几项异常具体的要求，引发了外界的怀疑：这项研究的意图是否已超出了地质勘探的范畴？因为，DARPA并不是要探索一个早期的概念方案，而是要求潜在承包商证明其已开发并飞行测试过类似的地下传感系统。其拟定的开发时间表要求在15个月内进行初步的高空飞行演示，并在第18个月完成三维重建工作。

值得注意的是，DARPA的招标公告特别要求具备“快速、防区外（stand-off）三维地下层析成像能力，以探测地下特征”。对“防区外”操作的强调，引发了人们对其应用于在高危险或受限空域外进行情报收集的猜想。不过，DARPA并未公开将此类任务列为项目目标。

DARPA为何希望从万米高空“透视”地下

DARPA这份题为“新型射频传感技术”的招标公告，描述了一种利用高功率射频技术探测并绘制地下特征图谱的系统。该机构对外表述的用途是寻找国内的关键矿产资源，这些资源对于先进军事技术和国防制造业至关重要。

在商业应用方面，DARPA描绘了一个宏大的愿景，即打造一种“地球核磁共振”系统。此类系统有望帮助发现埋藏在数百英尺厚地质层之下的关键矿产和稀土矿床。

其技术要求远超许多传统的机载地质勘探标准。科研飞机和军用飞机均已采用专门的传感技术来探测地表之下的情况。现有系统支持多种应用，涵盖从地质测绘、矿产勘探到地下结构探测等领域。

传统的机载电磁传感作业通常在离地面较近的高度进行。作为对比，美国地质调查局（USGS）于2024年11月在加利福尼亚州莫哈韦沙漠西部开展的一项作业中，使用直升机搭载电磁及磁力探测仪器，在距地面约115英尺（约35米）的高度飞行。该次勘测沿总长约3250千米（2020英里）的航线进行了数据采集，以支持地质测绘与关键矿产勘探工作。

DARPA拟议的作业高度比上述勘测任务高出近350倍。尽管传统的机载电磁勘测与DARPA预想的射频传感系统并非完全等同的技术，但这种对比凸显了两者在作业条件上的巨大差异。这也引发了一个重要问题：DARPA为何特别要求系统具备在高性能固定翼飞机通常所处的飞行高度和速度下进行作业的能力？

一种可能的解释是，该系统能够更快速地勘测更大范围的地理区域。不过，高空作业与防区外（远距离）传感对于军事情报搜集具有显著优势，或许能使飞机在更远的距离上探测地下目标。

专为现有飞机设计的独立式系统

该招标项目关键的要求之一涉及该技术的部署方式。DARPA不仅仅要求承包商开发一种强大的地下探测雷达，而是希望获得一套完整的、独立的传感载荷，能够集成到现有的高空固定翼飞机上，且无须进行昂贵且永久性的改装。

DARPA在招标文件中指出：“为了便于在各种机型上实现快速、模块化的部署，同时避免对飞机进行永久性且昂贵的改装，整个系统必须设计为完全独立的载荷。它必须采用独立的内部发电系统和边缘计算架构。”这些要求带来了相当大的工程挑战。

一个可能需要256倍功率的物理难题

据DARPA称，根据招标文件中描述的雷达缩放假设，若将工作高度从10000英尺（3048米）提高到40000英尺（12192米），为保持同等的成像性能，理论上所需的辐射功率可能增加256倍。

对于具有特定特征的小型雷达目标，所需的发射功率大致随距离的四次方增加。因此，距离增加至原来的四倍，所需功率便会增加256倍。

尽管这些计算结果并不适用于所有电磁传感方法，但它们揭示了DARPA希望承包商解决的工程挑战。探测系统必须配备可靠的千瓦级射频放大器，以及能够承受约740千米/时飞行速度下气动载荷的天线。

此外，该系统还必须能够处理持续高功率发射产生的热量，避免干扰载机自身的导航和任务系统，并利用机载计算硬件处理获取的测量数据。

至关重要的是，该载荷必须具备自身的发电和计算能力。这些要求使得系统能够在兼容的飞机之间顺利转换，而无须进行重大改装，从而有望缩短部署新传感能力所需的时间并降低成本。

对于军事应用而言，这种灵活性极具价值。尽管DARPA尚未透露哪些飞机可能搭载该系统，但其具体的操作要求值得关注。其设定的12200米飞行高度和740千米/时飞行速度，与美国现有的RC-135和P-8情报、监视与侦察飞机的性能包线相吻合。

尽管这些相似之处尚不足以明确DARPA具体构想的是哪种平台，但它们表明，该机构的需求与至少部分现役军用侦察机的能力相契合。

DARPA寻求加快已通过飞行测试的技术的开发进度

该项目的开发时间表表明，DARPA的关注点并不仅限于初期研究。这项于9月初发布的需求征集采用“直接进入第二阶段”（Directto-Phase-Ⅱ）的小型企业创新研究（SBIR）模式。DARPA不再资助用于验证技术可行性的初始阶段，而是寻求能够证明其已开发并测试过相关能力的承包商。

申请者必须提供来自机载地下探测雷达或同类传感系统的实测飞行数据，其中包括具有代表性的三维重建图像、信噪比计算结果以及成功探测地下矿产的证据。

仅凭计算机模拟无法满足这些要求，入选的承包商将面临紧凑的硬件开发与飞行测试时间表。承包商需在6个月内展示主要组件（包括功率放大器和天线组件）的制造与测试进展。

项目要求在第9个月时取得集成系统测试及机载三维重建能力方面的进展。然而，最关键的里程碑节点在第15个月：届时，DARPA期望获得由固定翼飞机在12200米高空、740千米/时下进行演示飞行所产生的初步数据。

到第18个月，承包商需提交测试地点的地下三维重建图像及详细的系统性能评估报告。项目还包含一个可选的6个月延长期，允许进行进一步的测试与改进。

目前尚不清楚DARPA是否已构想出具体的作战任务。该项目征集公告将关键矿产勘探列为一项“国家安全要务”，同时也强调了该技术在加速发现用于商业及民用领域的矿产储量与稀土元素方面的潜力。

这项技术能否用于针对地下军事设施？

考虑到美国与伊朗之间持续不断的冲突，该技术在军事情报方面的潜在应用显得尤为重要。

伊朗在地下核基础设施（包括福尔多和纳坦兹的设施）上投入了巨资，而围绕其核活动及相关设施核查权限的问题至今仍未解决。在针对数个核设施的军事打击以及随后的核查限制措施实施后，国际原子能机构指出，其核查伊朗核活动的能力存在重大缺口。这些不确定性使得掌握伊朗剩余核基础设施的状况及活动情况变得愈发重要。

如果某项技术能够从远距离生成地下结构的高分辨率三维图像，原则上，它将为情报机构提供一种探测地下设施的新途径。

与主要反映地表活动及可见基础设施的传统空中成像技术不同，地下层析成像技术有望提供有关地表以下被掩埋特征的信息。然而，目前仍存在重大的技术不确定性。射频信号穿透地面的能力取决于多种因素，包括工作频率、地下电导率、地质构成以及目标特性。

不同材料会对电磁信号产生吸收、散射或其他改变作用，这增加了识别深埋结构的难度。因此，即便能够探测到地下地质特征，也并不意味着该系统能够识别加固型军事设施，或生成被厚重岩层覆盖的设施的有效图像。

此外，该招标公告并未表明DARPA的这一项目与伊朗的地下设施问题，或其他潜在的对手有关联。尽管如此，该公告发布的时间节点、对远距离成像能力的要求、对现有飞行器兼容性的重视，以及加速开发的进度安排，都使得其潜在的军事应用成为一个值得关注且尚无定论的问题。

可以明确的是，如果承包商成功开发出一种具备在远超常规地质勘探高度和速度的条件下运行，并生成地下三维图像且能快速部署的模块化传感系统，由此开展的演示验证将有助于确定“高空地下层析成像技术”能否满足DARPA的矿产勘探任务所需的性能要求，并有望为其他军事传感应用奠定技术基础。（逸文）