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

Immaginate un campo di battaglia dove l'arma più pericolosa non è un missile, ma un paio di orecchie in ascolto di un sussurro. Questo è il mondo della guerra elettronica, dove i sistemi radar cercano di vedere i nemici mentre gli ascoltatori nemici cercano di sentire il radar prima che li veda. Per rimanere nascosti, gli ingegneri radar utilizzano trucchi di "Bassa Probabilità di Intercettazione" (LPI), che sono come sussurrare invece di gridare. Uno degli strumenti più ingegnosi in questo gioco è il radar Frequency Diverse Array (FDA). A differenza di un radar standard che emette un fascio singolo e uniforme come una torcia, un radar FDA è più simile a un coro dove ogni cantante canta una nota leggermente diversa. A causa di queste piccole differenze di intonazione (frequenza), le onde sonore si mescolano in un modo unico che cambia a seconda di quanto sei lontano, non solo di in quale direzione stai guardando. Ciò consente al radar di concentrare la sua "voce" su un amico lontano, rimanendo completamente silenzioso per un nemico che si trova proprio accanto a lui.

Tuttavia, c'è un problema. Per far cantare perfettamente questo coro, di solito è necessario controllare sia il volume (ampiezza) che il tempo (fase) di ogni singolo cantante. Nel mondo reale, costruire hardware in grado di regolare il volume di ogni elemento d'antenna è costoso, pesante e complicato. Molti ingegneri hanno cercato di prendere il piano perfetto di volume e fase e di "tagliare via" la parte del volume, mantenendo solo il tempo. Ma come suggerisce questo articolo, è come cercare di suonare un pianoforte premendo solo i tasti senza colpirli con la forza necessaria; la musica esce debole e distorta, e il nemico può comunque sentirti.

Questo articolo, intitolato "Phase only Optimization for Low Probability of Intercept Method of Frequency Diverse Array", affronta esattamente questo problema. Gli autori, un team del Shenzhen Institute of Information Technology, propongono un nuovo modo di dirigere il coro del radar. Invece di cercare di controllare il volume, hanno sviluppato una ricetta matematica intelligente che determina il tempo (fase) perfetto per ogni elemento d'antenna da utilizzare, anche quando il volume è bloccato a un livello fisso. Hanno utilizzato un metodo chiamato "programmazione frazionaria" combinato con un algoritmo di apprendimento iterativo (l'algoritmo Adam) per risolvere un puzzle complicato: come rendere il fascio del radar super luminoso per il ricevitore amico, rendendolo al contempo quasi invisibile all'ascoltatore nemico.

I ricercatori non hanno tirato a indovinare; hanno eseguito simulazioni informatiche dettagliate per testare la loro idea. Hanno impostato uno scenario virtuale con un array radar di 32 elementi, operante a una frequenza di 10 GHz, con una minuscola differenza di frequenza di 10 KHz tra ogni elemento. Nei loro test, hanno confrontato il loro nuovo metodo "solo fase" con altri due approcci: il metodo ideale (ma dotato di hardware pesante) che controlla sia il volume che il tempo, e il metodo "tagliato" che prende solo il tempo dal piano ideale e ignora il volume.

I risultati sono stati sorprendenti. Nelle simulazioni, il nuovo metodo è riuscito a sopprimere l'energia del radar nella posizione del nemico di oltre 45 decibel rispetto al fascio principale, rendendo il radar di fatto "invisibile" all'attrezzatura di ascolto del nemico. Al contrario, il metodo "tagliato" è fallito miseramente, perdendo quasi 20 decibel di prestazioni e lasciando il radar completamente esposto alla rilevazione. Gli autori hanno scoperto che il loro nuovo approccio poteva raggiungere prestazioni quasi pari al metodo ideale ed costoso, ma senza la necessità dell'hardware complesso per controllare il volume. Essenzialmente, hanno dimostato che non serve un direttore del coro super complesso per tenere il nemico sulle spine; serve solo un direttore molto intelligente che sappia esattamente quando agitare la bacchetta. L'articolo conclude che questa strategia basata solo sulla fase è un modo pratico ed economico per rendere i sistemi radar molto più furtivi nei campi di battaglia moderni, sebbene gli autori notino che il lavoro futuro dovrà testare come questo regga contro il rumore e il jamming del mondo reale.