美国探索磁探仪目标识别技术用以识别新一代静音潜艇

数代以来，声呐（sound navigation and ranging）技术一直是水下目标探测的主要手段。然而，革命性的技术已经扭转了军事稳健性（robustness）的局势。新一代潜艇的建造几乎可以实现静音运行，这为科研工作者助力美国海军满足其需求提供了契机。

其中一名科学家是CRA的Todd Jennings。Jennings在波士顿大学（Boston University）获得生物医学工程博士学位，主攻生物信号感知处理。在研究过程中，他还在机器学习和计算机视觉信号处理方面花费了大量的时间。

Jennings在SIGNAL传媒的访谈中说：“现在，我正在努力将这些技术和一些我已学到的动物和人类处理感知数据的方式应用到计算机、机器人、无人航行器和其他类似对象的感知处理中。”

Jennings目前是MAGNETO项目的首席研究员，这是一个基于磁力仪的反潜导引（anti-submarine warfare guidance）项目，旨在加强海军的战术和作战行动。

一位美国海军发言人在电子邮件中告诉SIGNAL：“海军目前正在评估这项技术在未来作战中的效能和潜力。”

该项目由SBIR资助(译注：SBIR是美国联邦政府设立的一项竞争性研发资助计划，旨在鼓励小型企业参与联邦研发项目并推动创新技术商业化。SBIR一般分为3个阶段：阶段1-可行性研究阶段，通常6个月，5~25万美元；阶段2-全面研发阶段，通常2年，75~150万美元；阶段3-商业化阶段，经费来自风险资本和私人投资，或直接由政府部门订货）、由美国海军授予，在SIGNAL访谈时，该项目正处于第2阶段。总经费接近100万美元，该阶段将于2026年4月30日结束。

Jennings在解释这项创新的复杂性时说：“地球之所以存在磁场，主要是因为地核中的流动。”地球外核的主要成分液态铁绕全球旋转，产生了遍布地球的磁场。当金属物体通过磁场移动时，使得磁场扭曲并以可预测的方式改变磁场的特性。

由于潜艇实际上已变得非常安静，这为作战人员和决策者提出了一种新的挑战。Jennings解释道：“你能使用主动声呐探测目标，但这也就暴露了你的位置。”在不被发现的情况下探测潜艇正变得越来越困难。

他继续说：“你能使潜艇变得更加安静，但她仍须是用金属制造的。所以无论你如何努力，你也永远不可能让潜艇通过地球磁场时不干扰磁场。”

Jennings说道：因此，出现了飞行磁传感器的想法，它可探测磁场畸变，并识别出隐藏的潜艇。这一想法理论上简单，但说起来容易做起来难。他说：“有几个问题。”首先，磁信号干扰极大。“携载磁探仪的飞机，无论是有人飞机还是无人机，都是由金属制造的。它有发出电信号的发动机，有电子设备。”

另一项挑战是由地核、地幔波动和空间、电离层波动甚至太阳活动引起的磁场持续变化。Jennings继续说道：“甚至海洋波浪也是问题，因为海水是导体，海流和波浪会引起磁噪声。”

他说：“隔绝这些噪声并将潜艇从遇到的其他水中物体中辨别出来，在实践中是一个非常困难且亟待解决的问题。”当减小磁场强度的消磁技术提高后，潜艇信号就会变得更小。Jennings解释道：由于其难度，一段时间以来，磁传感器的用量已经减少。

安静型潜艇的出现，对其他替代探测方法提出了需求，而MAGNETO正是为海军用途而开发的项目。Jennings说：“我们有一套被称为VIBE操作平台（workbench）的工具”，即CRA的“矢量智能构建环境”（vector intelligence build environment，VIBE）。该workbench是一套为诸如磁信号、声信号和振动信号等一维信号设计的信号处理、特征提取和机器学习工具。

在处理过程中，首先，利用信号处理技术清理信号；其次，用特性提取技术抽取信号中最重要的部分并排除对噪声最敏感的部分；最后，将机器学习应用于这些结果中，以确定探测到的是什么物体。Jennings补充说：“我们能在主要基于纯信号处理的传统方法无法工作的场合探测到潜艇。”

他说：“我们正在使用一种多层分类器（multitier classifier）”，这是CRA特别为美国海军设计和构建的一种能力。Jennings解释道：“我们有一种探测潜艇是否存在的机器学习分类器。第1层输出被馈入第2层，以识别是否为潜艇。”第3层则是识别潜艇的深度、速度以及一些外特性，如潜艇长度。

虽然分类器的每个阶段都能提供越来越详尽的信息，但数据的可靠性也会因其复杂性而降低。