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

가장 위험한 무기가 미사일이 아니라 속삭임을 듣기 위해 귀를 기울이는 한 쌍의 귀인 전장을 상상해 보십시오. 이것은 전자전의 세계로, 레이더 시스템은 적을 보기 위해 노력하고 적의 리스너들은 레이더가 자신들을 보기 전에 레이더의 소리를 들으려 노력하는 곳입니다. 숨어 있기 위해, 레이더 엔지니어들은 소리를 지르는 대신 속삭이는 것과 같은 "저탐지 확률(Low Probability of Intercept, LPI)" 기술을 사용합니다. 이 게임에서 가장 영리한 도구 중 하나는 주파수 다양성 배열(Frequency Diverse Array, FDA) 레이더입니다. 단일하고 균일한 빔을 손전등처럼 쏘아 보내는 일반적인 레이더와 달리, FDA 레이더는 모든 가수가 약간씩 다른 음을 노래하는 합창단과 같습니다. 이 미세한 음높이(주파수)의 차이 덕분에, 파동은 단순히 어느 방향을 보고 있느냐가 아니라 얼마나 멀리 떨어져 있느냐에 따라 독특한 방식으로 서로 섞이게 됩니다. 이를 통해 레이더는 멀리 있는 아군에게는 "목소리"를 집중시키면서, 바로 옆에 있는 적에게는 완전히 침묵을 유지할 수 있습니다.

하지만 여기에는 함정이 있습니다. 이 합창단이 완벽하게 노래하게 하려면, 보통 모든 가수의 음량(진폭)과 타이밍(위상)을 모두 제어해야 합니다. 현실 세계에서 각 안테나 소자의 음량을 조절할 수 있는 하드웨어를 만드는 것은 비싸고, 무거우며, 복잡합니다. 많은 엔지니어가 완벽한 음량 및 위상 계획을 세운 뒤, 위상 부분만 남기고 음량 부분을 "잘라내는" 방식을 시도해 왔습니다. 하지만 이 논문이 시사하듯, 그것은 피아노 건반을 누르되 충분히 세게 치지 않고 연주하려는 것과 같습니다. 음악은 약하고 왜곡되어 나오며, 적은 여전히 당신의 소리를 들을 수 있습니다.

"FDA의 저탐지 확률 기법을 위한 위상 전용 최적화(Phase only Optimization for Low Probability of Intercept Method of Frequency Diverse Array)"라는 제목의 이 논문은 바로 그 문제를 다룹니다. 심천 정보기술연구원(Shenzhen Institute of Information Technology)의 연구진인 저자들은 새로운 방식의 레이더 합창법을 제안합니다. 음량을 제 제어하는 대신, 그들은 음량이 고정된 수준에 묶여 있을 때도 각 안테나 소자가 사용할 완벽한 타이밍(위상)을 찾아내는 스마트한 수학적 레시피를 개발했습니다. 그들은 레이더 빔을 우호적인 수신기에 대해서는 매우 밝게 만들면서, 동시에 적의 리스너에게는 거의 보이지 않게 만드는 까다로운 퍼즐을 풀기 위해 "분수 프로그래밍(fractional programming)"과 반복 학습 알고리즘인 "Adam 알고리즘"을 결합하여 사용했습니다.

연구진은 단순히 추측만 한 것이 아니라, 자신들의 아이디어를 테스트하기 위해 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들은 32개의 소자로 구성된 레이더 배열이 10 GHz의 주파수에서 작동하며, 각 소자 사이에 10 KHz의 미세한 주파수 차이를 두는 가상 시나리오를 설정했습니다. 테스트에서 그들은 자신들의 새로운 "위상 전용" 방식의 성능을 두 가지 다른 접근 방식, 즉 이상적이지만 하드웨어가 무거운 방식(음량과 위상을 모두 제어하는 방식) 및 이상적인 방식에서 위상 부분만 가져오고 음량을 무시한 "잘라낸" 방식과 비교했습니다.

결과는 놀라웠습니다. 시뮬레이션에서 새로운 방식은 메인 빔에 비해 적의 위치에서 레이더 에너지를 45데시벨(dB) 이상 억제하여, 적의 청취 장비에 레이더를 거의 "보이지 않게" 만드는 데 성공했습니다. 반면, "잘라낸" 방식은 성능이 거의 20데시벨 가까이 떨어지며 처참하게 실패했고, 레이더를 탐지에 노출된 상태로 남겨두었습니다. 저자들은 자신들의 새로운 접근 방식이 복잡한 음량 제어 하드웨어 없이도 이상적이고 값비싼 방식의 성능에 거의 근접할 수 있음을 발견했습니다. 본질적으로, 그들은 적을 혼란스럽게 만들기 위해 초복잡한 합창 지휘자가 필요한 것이 아니라, 지휘봉을 언제 휘둘러야 할지 정확히 아는 매우 스마트한 지휘자만 있으면 된다는 것을 증명했습니다. 논문은 이 위상 전용 전략이 현대 전장에서 레이더 시스템을 훨씬 더 은밀하게 만드는 실용적이고 비용 효율적인 방법이라고 결론짓지만, 저자들은 향후 연구에서 이것이 실제 환경의 노이즈나 재밍에 어떻게 견디는지 테스트할 필요가 있다고 언급했습니다.