美國化生放核國土防禦體系——西格瑪項目

朱 紅

【知遠導讀】一直以來，美國認為化生放核（CBRN）安全威脅是現實而嚴峻的，其國土安全防禦體系正置於化學武器、生物武器與放射性「臟彈」等多重威脅下。2017年，美國發布了新版《國家安全戰略》報告，其中明確：核生化等大規模殺傷性武器仍然是美國當前面臨的三大威脅之一。

化生放核（CBRN）威脅的多樣性和複雜性對CBRN威脅態勢感知提出了新的挑戰。為此，美國積極探索能夠早期發現和感知CBRN的新技術路徑，發展實時掌控國家重點地區乃至全國CBRN威脅態勢的能力。

在此背景下，2013年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）國防科學辦公室（DOS）首次提出開展「西格瑪」（SIGMA）項目，以應對美國當前面臨的最大的國內安全威脅——核與放射性「臟彈」。經過幾年的研發、試驗和評價，DARPA組織了SIGMA項目完成階段性驗收，並於2018年提出了SIGMA項目的延伸計劃——SIGMA ，旨在實現可覆蓋全域的CBRN威脅感知。

項目概況

2013年12月11日，美國國防高級研究計劃局國防科學辦公室公布一項名為「SIGMA」的公告（Broad Agency Announcement，BBA）。該公告提出：尋求低成本、高效率的成套輻射探測裝置創新方案，以實現對特殊核材料（SNM）或放射源等潛在威脅的識別和測定。標誌SIGMA項目正式啟動。

SIGMA項目計劃共分為兩個實施階段：第一階段計劃利用2或3年時間，重點發展核與輻射探測器核心技術部件，確定探測器設計參數、樣機製備，同時根據目標性能、價格和數量搭建形成探測器的基礎生產能力，並計劃兩年後採購探測器，隨後將其用於項目的第一次大規模系統試驗。第二階段包括生產能力優化，計劃按照項目設計目標和價格交付生產設備，並進行大規模系統性和實用性試驗。

雖然，DARPA並未正式公布SIGMA項目參與方的名單等詳細資料，但是，基於公開資料分析認為，SIGMA項目的參與方可能包括：日本Kromek公司、美國伊利諾伊大學、布魯克海文國家實驗室、以色列核研究中心電子與控制實驗室、美國羅格斯大學等多家知名科研機構及探測器研製生產廠商。

在2016-2017年的近兩年時間裡，該項目相繼接受了系列測試和試驗評價任務。根據試驗評價結果，DARPA認為採購的探測器基本滿足項目預期要求。2017年2月，DARPA宣布SIGMA項目成功完成實驗驗收及階段性任務。此後，美國認為，隨著一些先進民用技術，如增材製造、基因編輯和小型化學反應器等技術的迅猛發展，美國面臨CBRN等大規模殺傷性武器的威脅形勢也日益緊迫，為能對這些潛在威脅實施全譜的早期偵測，從而實時掌握重點城市乃至國家的安全態勢，2018年2月20日，在SIGMA項目基礎上，DARPA發布了一份特別公告（ARPA-SN-18-33），宣布正式啟動SIGMA 項目，謀求建立化生放核爆全譜監測、分析與響應系統。

美國防高級研究計劃局（DARPA）發布SIGMA項目公告

項目發展途徑

尋求新的核探測手段，實現核輻射探測手段優化高效

「911」事件後，美國積極開展核輻射探測器研究。其中，氦-3元素，因具有高靈敏度的優勢成為了探測核彈及放射性物質的最佳材料。美國國土安全部和能源部曾斥資數億美金用於研發以氦-3為填充的中子探測器，並計劃生產數千台用於全世界港口布設，從而更好地預防和打擊恐怖活動。然而，因氦-3元素資源嚴重缺乏，以及利用這種元素開發的探測器成本昂貴，美國不得不中止了在境內大範圍部署氦-3探測器的計劃。此後，美國陸續開展創新性研究成果和方法的支持性項目，以提升對核與輻射材料的早期探測能力。

SIGMA項目研究的重要目標之一就是開發低成本、高效且可大範圍部署的核探測裝置。項目提出開發兩類輻射探測器：一類是尺寸較大，類似於車載的探測器。這種探測器應是一種大型、低價且高效的伽馬和中子探測儀，每台成本在降低1個數量級的同時靈敏度要高於現有產品；另一類是廉價的、智能手機大小的人員使用型攜帶型探測器，預期目標為伽馬和中子雙模探測器，要求比現有產品的成本降低1個數量級，且對伽馬和中子探測的靈敏度分別提高了5倍和10倍以上，可以探測最微小的放射性痕量物質。這兩類探測器應能進行大範圍部署，且通過與部署在主要道路、橋樑和其他固定基礎設施的探測器聯網，大幅提高了對輻射源的感知能力，並對可能的威脅更早發出預警。

推進項目分散式展開，注重階段性測試評價工作跟進

DARPA通過數次基於現實場景的評價試驗，以檢驗項目的階段性完成情況。2016年初，在紐約和新澤西港務局某重要運輸中心，DARPA啟用100台聯網SIGMA感測器進行測試試驗。參試感測器展現了良好的性能，實現了對放射源的精確定位、強度與種類的識別以及快速報警功能。其定位和識別能力比現有系統提高了100倍。參試的探測器只有口袋大小，成本只有常規產品的10%，探測伽馬和中子的速率最快增加了10倍，而且實現了1萬台單價400美元的預期目標。隨後，在2016年7月和10月，SIGMA項目分別又進行了兩次針對小型輻射探測器的測試行動。其中，2016年10月，有1000名志願者參加了在美國華盛頓進行的小型輻射探測器測試。測試使用了由日本Kromek公司開發的僅為智能手機大小的新型輻射探測器D3S，該探測器綜合採用了兩種先進探測技術，一是非氦-3緊湊型熱中子閃爍探測器和摻鉈的碘化銫晶體，二是硅光電倍增器的伽馬探測器。探測器滿足了SIGMA項目對低成本、攜帶方便、高靈敏度和使用壽命長等設計預期。試驗還展示了D3S探測器實時檢測伽馬輻射和中子輻射能力，且初步建立了感測器網路，並實現了與手機網路的互聯。

除了對小型探測器的試驗測試，2017年2月，SIGMA項目在華盛頓特區完成了一次堪稱美國有史以來規模最大、時間最長的車載輻射探測器試驗。此次試驗中，所有應急救援車輛共裝備了73個大型探測器。這些探測器共記錄了超過10萬小時的探測作業情況，總行程超過24.14萬千米，覆蓋範圍超過24萬千米的區域，並實時識別了數千個輻射源。

通過一系列測試，SIGMA項目涉及的兩類探測器的實際能力得到了充分驗證，同時，通過對感測器數據的深度融合，實現了對核威脅變化態勢的實時感知，SIGMA項目最終按預期計劃完成了階段性目標，這為後續項目的深入開展和實施打下了堅實基礎。

拓展化、生監測功能，全面提升核生化綜合防禦能力

為應對新技術發展帶來的新型威脅，DARPA基於SIGMA階段性測試的成功結果，計劃將進一步開展基於SIGMA系統的廣域監測能力。為此，項目圍繞CBRN威脅早期感知核心能力提出了該項目的拓展增項計劃——SIGMA 。SIGMA 將以現有感測器能力為基礎，提出將增加感測器模式，並整合大規模化生放核爆（CBRNE）感測器數據、新的自動化多源數據分析以及其他環境數據，建設與SIGMA項目下進行的核與放威脅檢測類似的全聯網、可擴展的化生爆威脅高性能探測器。與此同時，SIGMA 項目還將利用先進的科學技術針對敵方態勢進行建模，以增強對威脅的檢測和阻止效果。SIGMA 項目的預期實現能力，主要通過對物理感測、大數據自動分析技術、環境數據分析以及先進的敵方建模功能集成，構建對所有CBRNE大規模殺傷武器威脅進行早期檢測的變革性、實用性系統。

SIGMA 項目——發展CBRN綜合預警監測手段

項目進展

SIGMA 是拓展SIGMA項目的增項計劃，它以SIGMA項目為基礎，將發展可用於整個城市化生放核爆（CBRNE）威脅的全譜、實時、持久、早期探測系統。根據2018年4月DARPA發布的公告（BAA），SIGMA 項目共提出感測器、網路與分析、測試與評估三個重點發展內容，分成兩個實施階段。第一階段重點是研究感測器、組網架構和自動分析功能；第二階段重點是監測網路的整體集成。整個項目期間將貫穿進行系統模擬、試驗和評價。其中，網路與分析任務分為兩期實施計劃：A期從2019財年第四季度（FY19Q4）到2021財年第四季度（FY21Q4），共27個月；B期從2022財年（FY22）到2023財年（FY23），為期24個月。

SIGMA 項目三個發展重點、兩個實施階段、兩期網路與分析任務時間簡表和關鍵節點裡程碑

SIGMA 項目對計劃開展的三個重點發展技術領域提出了相應的研製目標和指標體系。

針對化學偵檢技術領域。項目提出尋求發展一種化學偵檢系統，能夠在多層建築內持續、自動監測較大範圍（約10平方千米）城區，探測或鑒定化學危險（如爆炸物、化學戰劑、有毒工業化學品或毒品等）的存在，要求能夠同時探測或鑒定多個痕量物質，包括某類威脅的前體。

針對生物檢測技術領域。DARPA需求研發一種移動式（如車載式）、多功能、可擴增的空氣監測器，可對城市範圍內生物襲擊進行持續監測和早期預警，同時能夠對多種良性生物進行本地監測和識別。該系統的移動式實時聯網監測可以同其他背景數據，如氣象數據結合，從而優化系統靈敏度，同時降低誤報的產生，並具備進行快速二次掃描和判斷功能。

針對網路與分析能力。根據2018年11月8日DARPA發布的項目公告（DARPA-PA-19-01）, 重點對網路與分析能力提出了預期指標。該部分包含三個技術領域：多源數據的自動化和感測器綜合分析（TA3）、網路基礎架構與系統集成（TA4）以及介面與互操作性（TA5）。TA3尋求通過多源感測器數據的綜合分析增強CBRNE威脅檢測網的功能，提高WMD威脅的阻斷概率。通過利用更多背景數據來降低總體誤報警率並減少干擾源影響，構想的系統可以降低運行負擔並提高靈敏度。TA4主要尋求靈活、可擴增的網路基礎架構從而將SIGMA項目、SIGMA 感測器項目和SIGMA 網路與分析項目中各技術領域信息進行綜合集成。公告提出在SIGMA項目下部署的網路基礎架構將作為SIGMA 項目TA4發展的起點。TA5技術領域，旨在研製SIGMA 系統期間，應實現已有系統和網路間互操作性整體效率的提升，從而也更便於美國各部局及盟友共同應對大規模殺傷性武器威脅。

未來發展構想

為了讓開發人員更清楚地了解SIGMA 系統的設計目的和工作模式，以便讓研發部門更有針對性地提出研發設計和實施方案，DARPA針對SIGMA 項目未來最終的運行設計了應用場景構想，並設計了一套利用SIGMA 系統對某非法實驗室實施探測任務的應用示例。

利用移動式聯網化學感測器系統（可能會將現有車輛用作運輸載體）對較大城鎮區域內的街道和建築物進行連續偵測，通過SIGMA 網路實時報告檢測結果。傳入的數據流將有助於建立清晰的時空場景，通過對不斷地進行偵測評估，可提高對可疑物質的檢測靈敏度（如各種危險物或揮發性前體）。基於敵方模型和環境數據的自動多源數據分析，有助於提取最具相關性和操作性的信息，同時也可用於引導或指示感測網路。在給出的示例中，化學感測器可自動進行重新配置以提高對某一特定種類前體化學品的檢測靈敏度，並且/或者轉向某一優先檢測區域進行更深入監測。反之，感測器異常讀數也可用於提示和觸發自動搜索，便於情報或執法應用。

通過對示例所涉及的偵測場景，評估該項目可擴展至與CBRNE相似的威脅檢測等更多應用領域。雖然這些示例僅代表了最具挑戰性的一些應用，但相信SIGMA 項目所涉及的先進技術將會廣泛應用於國家安全領域。

結 論

DARPA作為美國國防重大科技攻關項目的組織、協調、管理部門，一直處於美國乃至世界技術史上重大突破技術的核心。SIGMA項目作為DARPA重要項目之一充分體現了DARPA一直秉承的組織管理有序、高效推進能力生成的特質。SIGMA項目以國防安全需求和技術創新為驅動，不僅提供了基於現實的問題解決方案，更注重以前瞻性眼光感知美國未來所面臨的挑戰和潛在需求，並引導項目研發的方向：美國從國土核與輻射威脅防護的急迫需求出發，開展SIGMA項目，而後在日益嚴峻且複雜多樣的CBRN威脅防護和挑戰牽引下，向化學、生物威脅監測延伸和拓展，誕生了SIGMA 。隨著SIGMA 項目的開展，美國CBRN威脅防禦的全面感知能力必將得到進一步提升。

（平台編輯：黃瀟瀟）

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