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[AI书房] 第13章 传感器融合:雷达、EO/IR、ESM数据整合
人工智能战斗机,人工智能空军
第三部 AI如何学习战斗
第13章 传感器融合:雷达、EO/IR、ESM数据整合
金京镇
空战制胜的秘诀很简单。
先看到,先开火。但「看到」这件事,比想象中复杂得多。人类飞行员的眼睛只能透过座舱盖观察天空,而且只有在晴天、目视范围内有敌机时才管用。现代空战的胜负,往往在数百公里之外就已经决定了。
远在肉眼发现敌机之前,雷达就已经捕捉到目标,导弹已经发射,敌机已被击落。这就是所谓的「超视距交战(Beyond Visual Range, BVR)」。
问题在于,没有任何传感器是完美的。以雷达为例。雷达发射电磁波,通过探测反射波来工作。敌机不论多远,只要电磁波撞击金属表面后反射回来,就能测出位置和速度。然而隐身战斗机的设计目标就是将雷达反射降到最低,所以很难被雷达捕获。雷达还有一个致命弱点:它必须主动发射电磁波,因此也暴露了自己的位置。一旦敌方的ESM(电子战支援设备)反向追踪到这些信号,猎人反而会变成猎物。
EO/IR(光电/红外)传感器用另一种方式观察敌机。它探测敌机发动机散发的热量,以及机体与空气摩擦产生的热信号。因为不发射电磁波,所以非常隐蔽。即使是隐身战斗机也无法掩盖发动机的热量,因此仍可能被红外传感器捕捉到。但它的测距精度不如雷达,在云层和恶劣天气下也容易失灵。ESM则是被动地「倾听」敌方发射的电磁波。敌方雷达一开机,ESM就分析其频率特征,从而判断敌机的位置和型号。不过,一旦敌方关闭雷达,ESM就无能为力了。
每种传感器都同时具备优势和短板。雷达擅长测距,却对隐身目标束手无策;红外传感器擅长捕捉热源,却无法精确测距;ESM能识别敌机类型,却难以精确瞄准。要让人类飞行员在脑中整合所有传感器的数据,几乎不可能。他要看雷达屏幕,确认红外图像,听RWR(雷达告警接收机)的警报声,还要在转瞬之间把所有信息综合起来做出判断。这就是人类「认知负荷(Cognitive Load)」的极限所在。
AI真正的力量在这里显现出来,那就是「传感器融合(Sensor Fusion)」。AI同时分析和整合雷达、EO/IR、ESM源源不断涌入的数据,构建出一幅完整的态势图。假设雷达报告「前方50公里处有物体」,红外传感器报告「前方48公里处探测到热
源」,AI就要判断这是同一架敌机,还是两个不同的物体。它校正位置和速度的微小误差,将它们合并为一条「航迹(Track)」。这个过程叫做「数据关联(Data Association)」。
下一步是揭示敌机的身份。
AI分析ESM采集到的雷达频率特征,做出初步识别:「这个信号来自俄制Su-35的雷达。」接着核实雷达测得的敌机速度和转弯速率,判断它是否具备战斗机级别的机动性,还是一架民航客机。再由深度学习算法对高分辨率红外图像中的机体外形进行分析。AI将这三方面信息综合起来,给出最终结论:「98%概率为武装Su-35,正在执行敌对行为。」飞行员屏幕上只弹出一条信息:「可以发射。」
F-35闪电II是传感器融合技术的集大成者。F-35搭载了AN/APG-81 AESA雷达、AN/AAQ-40 EOTS(光电瞄准系统)、AN/AAQ-37 DAS(分布式孔径系统)以及AN/ASQ-239电子战设备。DAS由安装在机体各方向的6台红外摄像机组成。无论飞行员看向哪里,360度全方位影像都会投射到头盔显示器上。低头就能透过机体看到地面,回头就能看到六点钟方向的敌机。AI将所有传感器数据融合后,以一幅统一的战场全景呈现在飞行员的头盔上。飞行员们管这叫「上帝视角(God's Eye View)」。
如果敌方实施电子干扰(Jamming),会怎样?雷达屏幕上突然冒出几十个假目标,人类飞行员会陷入混乱。但AI会用ESM数据和红外图像进行交叉验证。如果雷达上有目标却没有热信号,AI就将其判定为「诱饵」或「虚像」,直接从屏幕上剔除。整个过程在毫秒级完成。即使敌方抛撒红外诱饵弹试图欺骗红外传感器,与雷达数据一对照,真正的敌机和诱饵也能被区分开来。
欧洲的六代机项目FCAS和GCAP正在将这一技术推向新的阶段。它们不再局限于单机传感器融合,而是追求编队内所有有人机与无人机共享传感器信息的「云端传感器融合」。前方的无人机开启雷达探测敌机(承受暴露位置的风险),后方的有人机则关闭雷达,接收这些数据后发射导弹。我的飞机传感器上看不到的目标,凭借友军无人机传来的数据,也能瞄准藏在山后的敌人。
归根结底,传感器融合是一项驱散「战争迷雾」的技术。战争中最可怕的不是敌人,而是未知。敌人在哪里、有几架、携带什么武器,如果这些一概不知就投入战斗,
再好的武器也派不上用场。AI的传感器融合,就是在这片无知的黑暗中投下光亮。它从海量传感器数据的洪流中滤除噪声,辨别虚假目标,为飞行员提供一幅值得信赖的统一态势图。这才是第五代、第六代战斗机真正的力量所在。不是隐身,而是融合。