光电成像末制导智能化技术在战场的应用的研究与展望.docx

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1、谈谈俄罗斯侵略乌克兰背景下的军事量子技术未来战争中量子技术应用的分析和展望一一俄乌冲突背景下的军事量子技术目录摘要11 .引言22 .量子1.0技术在俄乌冲突中的应用22.1.激光技术32.1.1.技术简介：32.1.2.举例：俄乌冲突中的自由空间激光通信32.2.半导体技术62.2.1.技术简介：62.2.2.举例：俄乌冲突中的高精度数字成像62.3.原子钟82. 3.1.技术简介：83. 3.2.举例：俄乌冲突中的全球定位系统93.量子2.0在未来战场上的应用114. 1.量子传感133.1.1.量子射频探测133.1.2.量子鬼成像143.1.3.量子雷达153.1.4.量子磁力测量16

2、3.1.5.量子陀螺仪173.2.量子通信173.2.1.技术简介：173.2.2.军事应用举例：183.3.量子计算243.3.1.技术简介：243.3.2.军事应用举例：254.结论与展望26摘要目前俄乌冲突中除了局势多变的战况外，俄乌双方各式军事科技在战场上的应用同样引发了外界的热议。其中表现突出的激光通信、高空卫星侦察等高新技术都属于量子技术领域。量子技术是基于量子力学原理的技术，根据其特征可以划分为1.0和2.0两个阶段：量子1.0技术的特征是对自然界中本身存在的量子体系加以利用；而量子2.0技术的特征是根据实际需求主动制备合适的量子态并进行工程化应用。如今科学界和工程界将量子技术的

3、发展时期划分为量子1.0时代和量子2.0时代。在现代战争中，量子1.0技术已经有了广泛的应用，如激光、半导体、原子钟等在探测、通信、定位导航以及其他军事应用方面都发挥着举足轻重的作用。而目前正在兴起的量子2.0技术在军事应用上也展现其潜力，如量子传感、量子通信和量子计算。本文以量子技术在俄乌冲突的应用为例，详细介绍目前量子1.0技术以及未来量子2.0技术在军事领域的应用情况。关键词：军事应用；各种量子技术1 .引言量子技术是门无法用经典物理学解释的科学技术，通常量子技术的原理是对应一个或多个量子力学原理。与经典力学框架内的传统技术不同的是，量子技术允许我们组织和控制由量子力学支配的微观复杂系统

4、。由于量子技术更加接近物理定律的本质，因此它往往能在更小的尺度上实现比经典技术更强的性能。到20世纪90年代末，量子技术逐步开始从1.0时代发展到2.0时代。量子2.0技术是在量子力学的体系中根据我们需要的功能设计并制造出天然不存在的量子体系，比如人造高能量量子状态的原子一一里德堡原子、处于纠缠态的光子对、处于叠加态和纠缠态的量子比特等等。这种人造量子系统可以应用于量子传感、量子通信、量子计算等新兴领域。它们不仅能提供优于量子1O的技术，还能提供诸如绝对安全的通信、量子并行计算以及其他新功能，而这些功能在军事上具有广泛的应用前景。本文在第2章会回顾过去量子1.0技术的发展并以俄乌冲突为例分析它

5、们在现代战争中所起到的重要作用。之后在第3章中会介绍几个重要的量子2.0技术并预想其未来在战场上应用的方式。最后我们总结了量子技术的发展并给出未来发展方向的展望和建议。2 .量子1.0技术在俄乌冲突中的应用现代战争中的关键技术包括远程激光通信、导弹定位、制导、高分辨率卫星侦察以及计算机等，这些技术的具体应用都源自激光、半导体以及原子钟三种基础技术。其中激光在通信中作为主要信息载体，目前的光纤通信主要靠激光来实现。半导体作为集成电路和光传感器的载体，是运算和光探测必需的组件。而原子钟作为目前最精确的计时工具，确保了卫星定位的高精确度。这些基于量子力学理论并通过对自然微观世界的深刻认知所创造出来的

6、技术属于量子1O技术，其衍生技术也在量子1O的范围内。本章先简要介绍这三种技术背后的量子力学原理，并以量子技术在俄乌冲突中的实际应用为例，介绍它们在现代战争中的应用情况。2.1. 激光技术2.1.1.技术简介：激光的全名是“通过受激辐射实现光放大”。其技术原理是基于受激辐射理论通过特定频率的光子激发位于高能级的原子，就能向外辐射出与激发光同频、同向、同相的光子。它通过光泵浦或者电泵浦使大量原子保持高能级状态，从而源源不断地产生同频、同向、同相的光子。这些光子通过反射镜收集起来，然后定向发射，最终形成激光。由激光原理可见激光具有良好的相干性，在保持较窄线宽的前提下，其频率足够高。因为窄线宽的特性

7、可以让多种不同频率的激光通过同一根光纤传播而互不干扰，从而进一步提高了激光通信的带宽上限。同时高频率代表更大的带宽，太赫兹级别的激光所搭载的信息要比传统兆赫兹的无线电多出几个数量级。这种特性使得激光成为一种良好的信息载体，1976年，美国亚特兰大的地下管道试验成功的首条光纤通信系统的速率为44.7Mbs,而目前光纤网络的速率可达14Tbs,相当于电线通信上限12Mbs速率的一百万倍。2.1.2.举例：俄乌冲突中的自由空间激光通信激光相干性还带来了良好的指向性。指向性一般以发散角来量度，发散角越小，光越接近于平行光。激光的发散角比最好的探照灯要低一个数量级，可以在自由空间进行指向和通信。精准指向

8、的激光经过真空或空气远距离传播后仍然能被激光接收器捕获，从而使得激光通信无需搭建实体通信线路就能够实现高效率的远程通信，在当今战场局势瞬息万变的情况下，需要快速建立起可靠的远程通信信道。俄乌冲突的初期，俄军首要打击的目标就是乌克兰境内的光纤通信网络，这使得很多前线乌军无法通过地面与后方指挥进行远程通信。乌克兰解决远程通信的方案是使用基于空间激光通信的星链技术，该技术是美国公司SPaCeX推出的一项能够通过近地轨道卫星群给全球互联网提供的接入服务。它将地面天线和终端进行连接，通过天线将信号发到上空的星链卫星上，卫星间通过激光通信，将信号传递到数千公里之外的地面基站，再由卫星与地面基站通信，最终实

9、现与地面光纤互联网连接。数个卫星之间通过激光通信可以使战场信息与后方安全区域的地面基站直接相连，当地面通信被截断时，战场依然可以远程通信。星链既能实现连接又能保持一定带宽，当卫星距离地面基站约4,500公里时，其终端的数据速率为IoGbPs；当卫星距离地面基站3500公里时，则其终端的数据速率将达到20Gbps,这已经超过了4G网络的水平。目前，星链通信卫星累计入轨数已有2200枚左右，足以满足大多数用户上网的需求。搜狐号大可数学人生工作室Star1inkSate11ites总启科量子图1星链卫星入轨过程中形成的长链。图2近地卫星之间通过激光通信。图32023年SPaCeX发射的星链卫星包。俄

10、军进入乌克兰境内不久后，乌克兰就请求SPaCeX援助，并且快速收到了大批的星链地面终端。根据现场的测试，星链的网络速度达到5G的一半，超过了乌克兰现有的网络速度。每天有超过10万名乌克兰居民通过星链把乌克兰当地的消息传递给全世界。除了替代地基通信外，星链还展示了其为空军提供的通信能力。乌克兰前线的PD-I侦察无人机就装配了与星链通信的部件，而美国空军也试验了通过星链卫星为F-35提供通信，试验结果证明效果要比电子通信好。在俄乌冲突中，卫星间通过激光通信保障了战场网络的畅通，从而给社交媒体带来全新的应用。在前线战区的乌克兰居民会对乌境内行进的俄军进行拍摄，并把照片和位置信息上传到社交媒体上。乌克

11、兰官方通过社交媒体收集到这些照片，经过大数据运算后便能了解俄军每一天的行进情况。前线的乌军借助这些信息对俄军的行进路线进行预判，可提前做好伏击俄军的准备。在这场冲突中，俄军在几周内有2千多台车辆被破坏，其中包括坦克、装甲车等重型车辆。而大多数重型车辆是由乌军预判出车辆的行驶路线，再集中火力予以破坏。这属于首次出现借助网络和民间力量实现对敌方大面积侦察的军事案例。2.2.半导体技术2.2.1.技术简介：材料根据电导率通常可以分成导体、绝缘体以及不易导电但也不完全绝缘的半导体。电导率的定量分析需要借助量子力学，通过把单个原子能级的概念扩展到宏观材料的能带理论中，可以计算出宏观材料的电导率，并根据电

12、导率的需要对新型的半导体材料进行逆向设计。应用最广泛的半导体技术是1940年根据PN结的定向导通原理设计的晶体管，它可以控制电流的方向和大小，取代笨重的电子管作为逻辑门的载体。由大量的晶体管组成的逻辑电路可以实现各种复杂的逻辑运算，在1960年表面集成电路制造工艺成熟之后便出现了可以直接蚀刻在半导体晶圆上的晶体管。数以亿计的晶体管被集成到微米级的表面上，构成了集成电路，大大降低了计算机算力的成本，从而使得目前绝大多数的电子设备都可以搭载独立的运算芯片。运算芯片可以对传感器采集的数据进行快速处理，并承担涉及计算的遥感、通信、加密、解密、武器测轨等领域的主要数据处理工作。半导体技术不仅可以制造运算

13、芯片，还可以制造感光元件。感光元件的技术原理是基于光电效应，利用光电信号转换，将接收到的光信号转化成半导体芯片使用的电信号，然后在半导体晶圆上蚀刻大量的光敏传感器并使其构成二维阵列，从而实现二维的数字成像，且单位面积传感器越多，图像的分辨率越高。目前主流的数字成像设备有1969年美国贝尔实验室发明的CCD感光器件，以及1995年Photobit公司实现的商业化CMOS光学传感器。通过CCD或CMOS所获的图像在存储和传输方面具有巨大优势。由于数字图像的载体是数字信息，图像可以直接通过网络传递到其他设备上。相对于胶片时代而言，这大大扩宽了成像设备的应用场景，可以在胶片难以回收的环境下（如深海或外

14、太空）能即时读取数字图像。2.2.2.举例：俄乌冲突中的高精度数字成像高精度数字成像主要用于光学侦察。侦察卫星在高空俯瞰战场时，只要卫星图像具有足够高的分辨率就能获得更清晰的图像。自2023年2月以来，俄方的行军动向多次被卫星拍摄并通过网络发布，其清晰度甚至可以分辨行军车辆的具体型号。目前多数卫星图像由美国MaXar公司提供，他们的WOrIdVieW-3卫星是世界上首个多载荷、超光谱、高分辨率的商业卫星，也是目前世界上最好的民用光学地球观测卫星。WOrkiVieW-3的全色分辨率达到30cm,每天拍照覆盖面积为68万平方千米，并可以在同一地点不同时间段连续拍摄。如今MAXAR己经成为了俄乌战争

15、期间最清晰的一手图像来源，每隔几天，MAXAR就会发布乌克兰当地的卫星图片，从图片中可以获取到俄军的军事行动信息。图42023年2月28日Wor1dView-3所拍摄的俄军行进车队。图53月11日俄军炮兵营在乌克兰OZera向东南方向射击。2.3.原子钟2.3.1.技术简介:时间通常是借助一种稳定的周期现象来界定，例如以地球的自转周期来界定一天，以一米长钟摆的半周期界定一秒等等。但是自然界的宏观运动周期不可能确保每一次都是绝对一致的，例如钟摆会因为机械零件加工的误差而逐步累积误差，所以需要经常校准。如果可以寻找到较稳定的周期现象或者较稳定的振动频率且其周期足够短或频率足够高，这样就可以以此为源头制造更加精确的时钟。原子钟是目前最精确的计时工具，它使用微观原子极为稳定的共振频率来测量。前文提到激光的产生源自原子能级跃迁，根据量子力学的原理，相同的原子、相同的能级之间跃迁所产生的光子对应的频率都是固定的。用光照射原子时，若原子对光有吸收，则认为光会与原子产生共振，光的频率与原子能级的共振频率相同。这种频率最早是拉比于20世纪30年代读取出来的，他发现原子钟的稳定性比当时任何时钟都要好。1952年，第一台利用的原子能级跃迁频率的原子钟问世，此后各种原子相继应用于原子钟的制造，如氢原子钟、枷原子钟等。及呱弓火可数学入生工隹皇2. 图6常见的钏原子振荡器。3. 3.2.举例：俄乌冲突