太空战术指南（4）：耳与目

韦恩舰长漂浮在雷达手背后，紧盯着显示器上闪烁的符号。温热的空气无法吹散他额头上细密的汗珠。雷达手紧张地操作着几十米外船壳上的探测器阵列。巨大的阵列静静地感受着电磁场的每一次波动。信号计算机吞噬着数据洪流，努力解析出每一个可疑的信号。计算机辨识出万分之一的变化，猜测它的含义。雷达手则最后做出判定。

“这里有个东西。”雷达手指着显示器上的一个黑斑说道。

“大小？”舰长问。

“巡洋舰尺寸。”雷达手停了一会儿，补充了一句。“3成可能是条主力舰。”

“别的？”

“目前只有这个。”

“很好，继续。”韦恩拍了拍手下的肩膀，转身飘向了战术图。

“雷鸣”号的雷达手找到了一个看不见的目标。它正在试图穿过分队的防线。看不见的东西或许无法被看见，但是却依旧能够被发现。韦恩指示武器官，朝着那个目标打一束瞄准激光，好让老同学知道，他的欠账上又多了一瓶上等葡萄酒。

怎样发现一个看不见的东西？要说清楚这件事，先得从发现看得见的东西开始。

目标探测基本上都得依赖于辐射。太空中的辐射，除了电磁波以外，就是各种粒子。粒子里面有价值的是高能粒子，因为它们飞得快，也容易探测¹。高能粒子里面，带电粒子因为带电，会受到磁场的影响。在各大带磁场天体，还有狂暴太阳的磁场下，带电粒子飞着飞着就开始绕着磁力线打转了²。剩下的只有电中性的粒子。最常见的是中子。它又大又重，也相对容易探测到³。中子有个麻烦，就是，如果它没在原子里面，成为自由中子，很快就会发生$\beta$衰变，半衰期只有10.1分钟⁴。除非中子的飞行速度很快，否则只能在很短的距离上探测到⁵。再有就是中微子。这东西是个小透明，它最不喜欢与其他物质相互作用，要探测它难度也相当高⁶。最后，当然还有神秘的引力波。它是大质量物体运动时在空间中留下的层层涟漪。问题是，它太微弱了。木星，太阳系的大儿子，质量达到$1.9\times 10^24$吨，以13.1公里/秒飞行，产生的引力波波长达到5.93光年，辐射功率仅5.3kW⁷。传播到地球轨道，会导致空间产生$\frac{1}{3.6\times 10^{20}}$的变化。巨大木星尚且如此，何况渺小的战舰呢？引力波太弱太难探测了。终究，最适合在太空中探测目标的，还得是电磁波。

太空中的物体不是在发射电磁波，就是在反射电磁波。所发射的电磁波波段从波长为几毫米的微波到波长几纳米的X射线⁸。还有难得一见的$\gamma$射线爆（波长小于0.001纳米）。太空中充满了电磁波。这里关心的是我们打算探测的目标所发射和反射的电磁波。

太阳系中的这些天体，太阳时时刻刻发射强大的电磁波。各大行星、矮行星和大卫星，除了反射太阳光，自身也在或多或少地发射电磁波⁹。人造物体其实也是一样。

现在，把研究对象聚焦到太空战舰上，看看它们在辐射怎样的电磁波。太空战舰上最明显的辐射源是推进器。推进器运行时，核心区域进行着剧烈的核聚变，温度高达上亿度。推进器采用的是笼架结构，没有外壳，没有反应室壁，反应堆核心被强磁场约束在一个稀疏的鸟笼结构内¹⁰。聚变反应的辐射随意释放到太空中，明亮耀眼。核聚变反应辐射覆盖了毫米波到X射线之间广阔的频率范围。还有少量的$\gamma$射线。此外，副反应还会产生中子。只要推进器一启动，远在柯伊伯带都能探测到它的存在。

下一个特征明显的辐射体是散热器。太空当中没有任何介质可以帮助战舰导出积聚的热量。唯一的途径就是电磁波辐射。散热器只要维持高于绝对零度的温度，就能辐射电磁波，释放能量。温度越高辐射功率越大¹¹。另一方面，战舰上的表面积有限，能分配给散热器的并不多。所以，散热器不得不工作在比较高的温度，以便达到所需的散热功率。散热器的工作温度通常在几百K到2500K。温度再高，材料将难以承受。主要的辐射频率范围集中在中红外线到近红外之间。可见光的成分不超过6%。一个$1000 m^2$的散热器在300K的温度下的辐射功率为0.37MW，2500K则可以达到1.77GW。这个辐射功率可以传播到冥王星都清晰可见。只不过散热器可以定向辐射，并非所有方向上的探测器都能探测到。

然后就是战舰的外壳和外壳上的设备了。外壳上最大的设备是探测器阵列，大大小小加起来可能有100～200平方米。探测器阵列后面会具体讲，现在只要知道它的温度会很低。因为探测的重点集中在红外波段，需要冷却到几十K，甚至更低的温度，本身的辐射特征非常小¹²。其他的PDC、舱门、机械臂等等，都掩藏在可以开启的外壳之下。而外壳则内嵌着冷却管路，可以将其冷却到100K以下的温度。

最后，还有一项是对接在战舰上的战斗艇和无人机。它们本身也是太空战舰，只是小很多¹³。从电磁特征上看跟战舰是一类的，同样有冷外壳。大致可以看作战舰外壳的延伸。

至此，我们已经知道需要探测的目标有什么样的辐射特征。战舰在启动推进器航行的时候，是一盏耀眼的明灯。同时，散热器是一个非常明亮的红外辐射源。当战舰关闭推进器在太空中航行，但是不进行热辐射控制的时候¹⁴，辐射波长在中红外波段。全方位的辐射功率可以达到MW级别。相当显眼。但是，当战舰进入匿踪状态，表面温度降到100～200K，辐射波长就进入了接近远红外的长波红外波段，整体的辐射功率降到了kW级别。

再看一下探测装置的基本任务。探测装置大体上有三个任务：搜索/预警，识别和追踪。

搜索是探测装置的主要任务，也是最多的任务。它需要在广袤的太空里发现目标和可疑的目标。这项任务是最困难的。首先，太空非常宽广。对于一套探测器，通常不具备一眼扫完整个空域的能力。战舰不管在哪种运行状态下，都会发射红外和微波/射频辐射。全空域搜索自然是使用这两种波段更合适。要实时监测哪怕只有120°立体角的天空，也不是一套探测器能满足的。需要很多很多探测器单元组成的阵列。微波和射频的探测器阵列早已是成熟的不能再成熟了。通过相控阵技术¹⁵，可以对宽广的空域进行全面和实时地监视。

但是，微波和射频远远不够。因为战舰的微波和射频辐射能量并不大。微波和射频作为战舰推进器狂暴运行时的副产品也存在，但能量占比很小。只不过聚变推进器能量太大了，1%辐射能量也能传播得很远。但在无动力滑行和匿踪航行时，战舰整体辐射都集中在红外波段，微波和射频成分不足以引起探测器的注意。还是得靠红外。

红外线探测器最常见的就是红外线摄像机或者红外线望远镜。它们都是同一类东西，都是依靠红外光学系统将红外线聚焦到焦平面上，形成图像，再转变成电信号记录下来。这些电信号就可以用来筛选出可能的目标。不过，红外望远镜/摄像机有个大问题是，它的视场有限。通常只有十几度到几分之一度的视场。也有些红外摄像机有广角镜头，甚至可以有180°的视场。但是受限于焦平面上的传感器分辨率，基本上没法发现比大行星更小的目标。另一个原因就更直接了，战舰上没有空间放置大型的红外光学系统。

此时，需要的是不依赖光学系统的红外传感器阵列。本质上也是一种相控阵，比较特殊的相控阵。常见的技术包括红外接收相控阵、双光梳成像、红外超表面吸收—探测阵列、QND光子测量阵列等等，这些技术都能够不依赖光学系统对整个空域实时成像。红外接收相控阵是相控阵的红外版。它实际上就是用纳米天线来探测电磁波，转换成电信号。并且保留相位信息。后端系统则对电信号做处理，分析出可能的目标。

双光梳成像是另一种更强大的技术。它很巧妙地利用了一连串频率按一定频率步长构成的“光梳”同来自天空的光线干涉，形成可以被光电管转换成射频电信号的拍频。信号处理算法可以从电信号中分析出红外信号完整的“复谱”，也就是包含光谱、相位。一次性都解析出来。复谱携带了更多的信号源的信息，给后续的信号分析带来巨大的优势。单个双光梳单元只能探测一个方向。为了提高分辨率，必须把单个单元的视场压到1平方度或者更小的尺度。所以，为了覆盖整个天域，并且要具备足够的分辨率，需要几万到几十万的单元。需要一个庞大的阵面。

QND（Quantum Nondemolition Detection，量子非破坏探测）则是最高端的技术。看名称就知道，QND可以在不破坏光子特性的情况下对光子进行探测。QND能够测量光子数、频率、空间模式、偏振、到达时间等信息。并且联合多个单元可以获得光子的空间信息。更强的地方是，因为QND不破坏光子的特性，那么就可以把多个QND单元串联起来，在不同的波段或者光子特性上进行多次探测。有更高的探测效率，也可以最大限度地优化传感器的结构。

战舰外壳是不规则凸多面体。这就有足够的平坦表面安置传感器阵列。传感器阵列会安置在2、3个平面上，一方面可以延长测量基线，另一方面可以利用不同平面的指向差异来覆盖更广的空域。通常会把传感器放置在战舰一侧，以集中探测能力。战舰通过调整姿态来将传感器阵面指向所要探测的方向。

红外光子被探测器检测到，而后其中的信息转换成电信号，然后数字化。信号处理器将这些数据消化吸收，还原出视场里各个信号源的特征。最后进行分析和判读，成为战场情报的核心部分。

下一个任务，目标识别。在探测器获得信号特征之后，解析目标的频谱、相位、偏振等等属性，进行分类。比对数据库，最终确定目标的身份。但是，那些模糊晦涩的信号无法识别，该如何处理？这时候则需要使用窄视场，但高灵敏度的红外望远镜对可疑目标进行直接观测。通过长时间的凝视，累积稀疏微弱的光子，对目标进行最高精度的观测。对于固定在轨道上的大型传感器阵列，可以配属大型红外望远镜，用于目标的精细观测。战舰则没有很多空间安装大型光学系统，只能用小型望远镜，或者可折叠的望远镜。

重点目标被发现后，需要持续追踪，以判别它的行动意图。追踪同样依靠探测器阵列的信号数据，根据目标特征建立它的轨迹。同样，对于晦暗的弱信号，依旧需要依靠红外/紫外光学望远镜补充观测和识别。所有的追踪数据都作为信号情报汇聚到战术计算机中，形成完整的战场信息。X射线和$\gamma$射线探测器很难精确成像，基本上以广域的发现和粗定位为主。

射频的探测依靠相控阵，射频的“望远镜”基本上不可能在战舰上使用。射频相控阵天线单元同红外传感器组合在一个传感器单元里，单元铺开在阵面上形成阵列。这样就构成了一个综合孔径阵列。

上面讲的是被动探测。被动探测是战舰探测器主要的工作方式。战舰需要尽力隐蔽自己，努力减少电磁辐射。而主动探测需要发射电磁辐射，显然不符合要求。在隐蔽已经不重要的情况下，战舰可以用聚焦的电磁波扫描空域，或者锁定目标。射频是主动探测常用的波段。射频相控阵单元兼具着接收和发射的功能，因而射频主动探测依靠相控阵完成。

激光是更具指向性的电磁波，所以经常用来作为目标照射，测绘，高精度的目标辨识。用作主动探测的激光装置，叫做ladar（Laser Detection and Ranging，激光雷达）。ladar用更短的电磁波长，更好的相干性，得到了更高精度的外形描绘，和更具体的目标性质信息。不同波长的激光还能够从不同多种侧面了解目标材料的属性。用目标材料难以吸收的波长破坏它的隐身能力。ladar也是一个阵列，用一组激光器聚合在一起，通过相干调控来控制激光束的指向。而反射的激光能量，则依靠其他被动传感器捕捉。

主动射频阵列和ladar还兼任了一项附加工作——通讯。战舰的大部分通讯都是指向性的通讯，朝着某个位置发射一束很窄的电磁波。战舰肯定希望通讯尽量不要被他人截获。主动射频阵列和ladar本身也是个大功率发射器，能够朝着一个方向打出足够强的电磁波，让遥远的对方也能确切地收到讯息。它们还能够在鱼雷、导弹扑向目标的过程中同它们通讯，给予它们新鲜的目标数据和指令。

主动射频阵列和ladar能够产生并操控大功率电磁波。于是，它们可以将电磁波的频率、相位、波形、偏振作精准的调制，去干扰对方的传感器。只要电磁波性质恰当，功率够强，就能让对方的传感器饱和、错乱、迷惑，失去对目标的探测能力，或者失去锁定。

探测器给予了战舰灵敏的耳目。但是发现目标仍旧是一件困难的工作。太空中充满了干扰，探测器自己存在噪声，有威胁的敌舰非常好地隐藏起自身的辐射。怎样在对方发动进攻前找到它们？当敌舰进入完全的匿踪状态，外壳温度降到200K以下，整个战舰的辐射功率不过几千瓦。加上它可以通过一些技术手段，将辐射定向到某些方向，再依靠舰体的转动和不规则的外壳，让微弱的辐射变得捉摸不定。使得探测器更容易将信号识别成远方的杂讯，或者内部的噪声。

天平的另一边是优秀的操作员和探测器信号处理系统。信号不可能完全隐藏在背景之中，信号的闪烁不可能完全四散随机。目标总会留下一点蛛丝马迹，敏锐的操作员和信号处理系统可以捕捉到它，分析出它。最终找到它。

那么，如果一个目标隐藏的极好，辐射出来的电磁波就是无法被探测到，这该如何对付呢？目标隐藏了辐射，但是目标的实体还在。它会遮挡光线。它会遮挡远处行星的光线，宇宙中恒星或者星系的光线，其他飞船推进器的光线。这些遮挡现象统称为“掩星”。只要目标从各种光源前掠过，就会引发光源亮度的变化。太空背景中的繁星都是很好的光源。目标时时刻刻地发生着凌星现象。如果通过望远镜用肉眼看的话，或许会看到视场边缘的一颗星星突然变暗，然后又亮了。紧接着它旁边的星星也暗了又亮。连串的星星都这样，我们的大脑里自然就会浮现出一个念头——有个看不见的东西滑过去了。探测器也会这么想。

传感器时刻连续地记录着某一片天域的信号数据，信号处理系统也在时刻连续地处理这些信号。掩星现象同样也是重点关注的事件。追踪，并且分析这些事件，就能发现那些辐射信号难以捕捉的对象。不过，它们是什么？是普通商船？还是战舰？还是一颗冰冷的小行星？还是远处的一座空间站？这些需要综合其他方面的信息来进一步分析。当筛选出具体的嫌疑目标后，便可以用高灵敏度的望远镜对其进行针对性观测，获得具体的目标信息。

“雷鸣”号的雷达手，就是这样做的。