Phase only Optimization for Low Probability of Intercept Method of Frequency Diverse Array

تخيل ساحة معركة لا تكون فيها أخطر الأسلحة صاروخاً، بل زوجاً من الآذان التي تصغي لوشوشة. هذا هو عالم الحرب الإلكترونية، حيث تحاول أنظمة الرادار رؤية الأعداء بينما يحاول المستمعون الأعداء سماع الرادار قبل أن يراهم. وللبقاء في حالة خفاء، يستخدم مهندسو الرادار حيل "احتمالية الاعتراض المنخفضة" (Lability of Intercept - LPI)، وهي تشبه الهمس بدلاً من الصراخ. ومن أذكى الأدوات في هذه اللعبة هو رادار "المصفوفة متنوعة التردد" (Frequency Diverse Array - FDA). فخلافاً للرادار القياسي الذي يرسل شعاعاً واحداً موحداً مثل كشاف ضوئي، يشبه رادار الـ FDA جوقة موسيقية حيث يغني كل مغنٍ نغمة مختلفة قليلاً. وبسبب هذه الاختلافات الطفيفة في حدة الصوت (التردد)، تختلط الموجات الصوتية بطريقة فريدة تتغير بناءً على مدى البعد، وليس فقط بناءً على الاتجاه الذي تنظر إليه. وهذا يسمح للرادار بتركيز "صوته" على صديق بعيد، بينما يظل صامتاً تماماً تجاه عدو يقف بجانبه مباشرة.

ومع ذلك، هناك عقبة. فلكي تجعل هذه الجوقة تغني بشكل مثالي، تحتاج عادةً إلى التحكم في كل من الحجم (السعة) والتوقيت (الطور) لكل مغنٍ على حدما. وفي العالم الحقيقي، يعد بناء أجهزة يمكنها ضبط حجم كل عنصر هوائي أمراً مكلفاً وثقيلاً ومعقداً. وقد حاول العديد من المهندسين ببساطة أخذ خطة الحجم والطور المثالية و"بتر" جزء الحجم منها، مع الإبقاء على التوقيت فقط. لكن كما تقترح هذه الورقة البحثية، فإن ذلك يشبه محاولة عزف البيانو بالضغط على المفاتيح فقط دون ضربها بقوة كافية؛ فتخرج الموسيقى ضعيفة ومشوهة، ولا يزال بإمكان العدو سماعك.

هذه الورقة البحثية، التي تحمل عنوان "تحسين الطور فقط لطريقة احتمالية الاعتراض المنخفضة لمصفوفة التردد المتنوعة" (Phase only Optimization for Low Probability of Intercept Method of Frequency Diverse Array)، تعالج هذه المشكلة تحديداً. فالكتّاب، وهم فريق من معهد شنزن لتكنولوجيا المعلومات، يقترحون طريقة جديدة لإدارة جوقة الرادار. فبدلاً من محاولة التحكم في الحجم، طوروا وصفة رياضية ذكية تحدد التوقيت (الطور) المثالي لكل عنصر هوائي لاستخدامه، حتى عندما يظل الحجم ثابتاً عند مستوى محدد. وقد استخدموا طريقة تسمى "البرمجة الكسرية" (fractional programming) مدمجة مع خوارزمية تعلم تكرارية (خوارزمية Adam) لحل لغز صعب: كيف تجعل شعاع الرادار ساطعاً للغاية للمستقبل الصديق بينما تجعله غير مرئي تقريباً للمستمع المعادي.

لم يكتفِ الباحثون بالتخمين؛ بل أجروا عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة لاختبار فكرتهم. فقد أعدوا سيناريو افتراضياً لمصفوفة رادار مكونة من 32 عنصراً، تعمل بتردد 10 جيجاهرتز، مع فرق تردد ضئيل قدره 10 كيلوهرتز بين كل عنصر والآخر. وفي اختباراتهم، قارنوا طريقتهم الجديدة "المعتمدة على الطور فقط" بمنهجين آخرين: المنهج المثالي (ولكن الثقيل من حيث الأجهزة) الذي يتحكم في كل من الحجم والتوقيت، والمنهج "المبتور" الذي يأخذ التوقيت فقط من الخطة المثالية ويتجاهل الحجم.

كانت النتائج مذهلة. ففي عمليات المحاكاة، نجحت الطريقة الجديدة في كبح طاقة الرادار عند موقع العدو بأكثر من 45 ديسيبل مقارنة بالشعاع الرئيسي، مما جعل الرادار "غير مرئي" فعلياً لمعدات الاستماع التابعة للعدو. وفي المقابل، فشلت الطريقة "المبتورة" فشلاً ذريعاً، حيث فقدت ما يقرب من 20 ديسيبل من أدائها، مما ترك الرادار عرضة للكشف. ووجد المؤلفون أن نهجهم الجديد يمكنه تحقيق أداء يقارب المنهج المثالي المكلف، ولكن دون الحاجة إلى الأجهزة المعقدة للتحكم في الحجم. باختصار، أثبتوا أنه لست بحاجة إلى مدير جوقة فائق التعقيد لإبقاء العدو في حالة حيرة؛ بل تحتاج فقط إلى قائد ذكي يعرف تماماً متى يلوح بعصاه. وتخلص الورقة إلى أن استراتيجية الطور فقط هذه هي وسيلة عملية وفعالة من حيث التكلفة لجعل أنظمة الرادار أكثر تخفياً في ساحات المعارك الحديثة، رغم أن المؤلفين أشاروا إلى أن العمل المستقبلي سيحتاج إلى اختبار مدى صمود هذه الطريقة أمام الضوضاء والتشويش في العالم الحقيقي.