美国智库发布报告：激光雷达技术发展与应用

百科 2024-12-27 19:32 北京

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摘要：2024年12月2日，美国智库“保卫民主基金会”（FDD）发布题为《激光聚焦：对抗中国激光雷达对美国关键基础设施和军事系统的威胁》的研究备忘录。12月6日，美国国会研究服务处（CRS）更新了题为《中美新兴技术竞争：激光雷达》的报告。两篇文章均指出中国激光雷达技术的蓬勃发展对美国的军事设备和国防安全造成潜在威胁。本文将简要介绍激光雷达的定义类型、发展应用、美军项目用例以及技术本身具备的威胁能力。

关键词：激光雷达，间谍情报，美军，传感器，国防

激光雷达是一种遥感技术，使用脉冲激光测量物体的距离、速度和/或高度，从而绘制周围环境的地图。激光雷达可以对自然和人造环境进行精确、准确和快速的三维测量，其探测距离长，测量数据分辨率高。与其他传感技术（如摄像头）不同，激光雷达的性能在弱光条件下不会受影响。激光雷达包括但不限于以下几种类型：

机械式激光雷达通过机械旋转的方式来转动传感器，实现360度探测。美国公司Velodyne（现已与美国公司Ouster合并）开发了首台机械式激光雷达。
微机电（MEMS）激光雷达使用MEMS振镜扫描环境。Atomica是美国最大的MEMS代工厂。
光学相控阵（OPA）激光雷达由元件阵列组成，不需要传感器运动。美国Quanergy公司是光学相控阵激光雷达的领先供应商。
闪光激光雷达的工作原理和照相机类似，利用单次激光脉冲绘制环境地图。相关公司包括LeddarTech（加拿大）、Sense Photonics（美国）和Continental（德国）。

发展与应用

20世纪60年代，美国将激光雷达开发用于国防和航空航天用途。之后，随着具备自主导航技术的系统不断发展，激光雷达作为其关键使能技术，市场也随之扩大。

图1. 激光雷达应用的市场预测

商业用途：激光雷达在地图绘制、卫星和太空领域有广泛的应用。在汽车领域，激光雷达为车道保持、碰撞避免、高级驾驶辅助和自动导航提供传感能力。在精密农业中，激光雷达可以监测作物状况和土壤健康。在气象学中，激光雷达可以提高天气预报的准确性。在制造业中，企业使用激光雷达技术支持机器人技术应用，并监控安全性和生产效率。在智能城市建设中，激光雷达技术与其他技术结合以集成公用设施、交通管理和城市基础设施的传感器网络。

图2. 激光雷达在自动驾驶中的应用

军事用途：激光雷达的应用对现代军事和国防系统也至关重要。美国的侦察和导弹制导系统依靠激光雷达来增强敌对环境中的目标捕获、地形分析和导航能力。在未来，美国国防部的“联合全域指挥与控制”作战概念旨在整合跨军事平台的数据和技术以提高战场感知能力，其中就包括为下一代自主军用车辆和无人机配备完全集成的激光雷达套件。例如，美国陆军专注于开发先进直升机的“未来垂直起降”（FLV）项目将依靠激光雷达获得实时地形测绘和避障能力。美军也已经探索使用激光雷达来识别和确定濒海水雷的深度，并进行大气监测以预测激光武器的有效性。美国陆军表示，激光雷达的潜在用途包括“识别目标平台、选择瞄准点、支持射程测量、武器防御和测绘”。

战场测绘：支持精确地形分析，包括城市环境；
敌军探测：帮助定位敌军及基础设施位置；
导航：通过提供详细的空间感知来提高移动的效率和准确性；
水雷探测：确定水下威胁物的深度；
支持激光武器：通过分析大气层状况预测激光武器的有效性；
高空侦察：从高空迅速对大面积区域进行测绘。

图3. 机载雷达数据采集

尽管激光雷达已经在许多领域得到应用，但其潜力仍未完全开发。受高分辨率地图、自主系统和自动化技术等方面需求的推动，到2025年，全球激光雷达市场估值预计将超过28亿美元。

美军相关项目应用

1.HALOE系统

美国国防部高级研究计划局的“高空激光雷达运行实验”（HALOE）系统于2010年首次在阿富汗运用，为战术任务提供了高精度的地理空间数据，例如提供相关数据帮助直升机机组快速找到适合着陆的区域。HALOE系统传感器吊舱收集数据的速度比最先进的系统快10倍以上，比传统系统快100倍。项目负责人表示，HALOE系统在满负荷运作下，可以在90天内绘制覆盖阿富汗一半面积的地图，而此前的系统需要三年时间。

2.美国陆军AMAS系统

洛克希德·马丁公司开发的“自动化机动应用系统”（Autonomous Mobility Appliqué System，以下简称AMAS系统）将低成本传感器和控制系统集成到美国陆军和海军陆战队的战术车辆中，实现车队自主驾驶。根据洛·马的说法，AMAS系统包括传感器、致动器和控制器，可以安装在几乎任何军事战术轮式车辆上。AMAS系统提供驾驶员警告/驾驶员辅助，以及半自动领导/跟随能力，显著提高军用车辆的安全护航操作能力。该系统减少了车队行动的人力需求，士兵可以执行其他任务，并在执行补给任务时免受简易爆炸装置和其他敌军活动的影响。

AMAS系统的“无人任务模块”部分配备有高性能激光雷达传感器。激光雷达系统通过检测道路的曲线以及不同的路面类型（如沥青、碎石、草地）的变化，从而判断道路的位置和预计的行驶路径。

3.“机载激光水雷探测系统”（ALMDS）

“机载激光水雷探测系统”（ALMDS）是一种基于激光技术的系统，可覆盖大范围水面，旨在为航母打击群和远征打击群提供针对水雷威胁的广域侦察与评估。ALMDS系统利用脉冲激光和条纹管接收器对近水面区域进行成像，以探测、分类并定位近水面锚雷。

ALMDS系统与MH-60S直升机配合使用，采用激光雷达技术探测、分类和定位水雷。ALMDS作为光学探测系统，可安装于直升机上，而无需像传统的拖曳式设备一样浸在水中。这就使其能快速执行大面积探雷任务。

工作原理与美方宣称的潜在威胁

美方认为，激光雷达的变革潜力不容忽视，但其快速扩展也带来了显著的风险。激光雷达技术能够收集和传输精确的空间数据，使其成为间谍活动和破坏活动的主要工具，而当相关技术系统由位于潜在对立国家的公司制造或控制时，则可能带来风险和挑战。对于美方来说，中国在激光雷达领域的领先发展令其倍感威胁。这种宣称的威胁主要可能出现在以下方面。

第一，激光雷达传感器配备了高速光学收发器，包括激光发射器和光电探测器，使其能够通过光脉冲传输和接收信息。现代激光雷达系统通过光脉冲编码（类似“指纹”）的方式将信号与背景噪声区分开来，并减少其他传感器可能产生的干扰。随着激光雷达技术的不断迭代，脉冲编码的复杂性增强。对美方来说，虽然这种复杂性提高了系统性能，但也可能带来新的风险。具体来说，随着脉冲编码变得更加复杂，开发者可能创建出新的方法来操控信号模式，进而干扰激光雷达系统及其连接的更广泛网络。具体方法包括设计能破坏激光雷达传感器功能的“指纹”，甚至禁用传感器的安全功能。

第二，随着激光雷达信号处理能力的进步，每个传感器的支持硬件也变得更加复杂，进一步增加了被利用的可能。这种脆弱性源于多个因素。首先，激光雷达传感器使用先进的嵌入式处理器和非易失性存储器来存储固件、操作日志和其他信息。由于这些处理器非常复杂，可能会被利用来植入恶意代码或后门。这些恶意程序非常隐蔽，即使经过仔细检查，也很难发现和清除。

此外，许多新兴激光雷达传感器中采用的是先进定制芯片，美方认为，使用中国生产的芯片会对部署在美国的激光雷达系统造成额外的风险。这些定制芯片可以被恶意设计，埋下“硬件木马”，这样一来，激光雷达公司或其他势力未经授权就能访问和控制激光雷达设备。

第三，激光雷达传感器通常依赖于嵌入式操作系统，如Linux，并使用以太网标准进行数据传输。因此，这些传感器系统通常连接到更广泛的互联网，显著增加了其遭受网络攻击的脆弱性。例如，许多激光雷达传感器配有内置的网络界面，可以通过常见浏览器访问，并由传感器自带的网络服务器提供支持。美方认为，如果这些网络界面没有得到妥善保护，黑客或位于潜在对立国家的激光雷达公司可能进行远程访问和操控，进而控制已部署的激光雷达传感器，甚至可能控制由激光雷达支持的网络。

更重要的是，激光雷达系统经常通过互联网接收软件更新，这些更新通常会影响网络设置、网络安全协议和核心传感算法。通过互联网进行的更新可能会引入额外的网络安全漏洞。

美方宣称，鉴于这些硬件和软件配置，来自位于潜在竞争国家的公司生产的激光雷达系统，或是受到对方政府影响的公司生产的激光雷达系统，容易受到两种特定的网络安全威胁：一种是破坏性攻击，可能使技术失效或使其偏离正确方向；另一种是未经授权的数据外泄，可能导致敏感信息泄露。

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