A Guerra Eletromagnética do Futuro: conceitos de Fotônica aplicados à interferência em radares

De Renan Miranda Richter

O mundo observou nas últimas décadas uma crescente revolução baseada no espectro eletromagnético. Desde o surgimento das comunicações móveis, redes 4GLTE chegando até o 5G e à Internet das Coisas (IoT), a sociedade contemporânea demanda por interatividade em tempo real e tráfego crescente de dados. As aplicações militares invariavelmente seguem a tendência das tecnologias emergentes de sensores e comunicações. Esse é o caso da Fotônica, ramo transversal que descortina empregos em áreas de Defesa relacionados ao processamento de sinais radar incluindo as ações de interferência hostil (jamming). Os sistemas interferidores da atualidade convivem com o constante incremento da tecnologia dos radares e precisam fornecer capacidade de contraposição proporcional a essa ascensão. Com isso, o DRFM (Digital Radio Frequency Memory), uma memória digital de RF e um dos dispositivos que provê a capacidade de interferência de mais alta letalidade da Guerra Eletrônica, precisa estar em constante evolução para a lida contra radares que empregam as mais diversas e complexas formas de onda bem como que se utilizam de técnicas de processamento de elevada robustez. Neste livro, é proposta a exploração de um loop recirculante com amplificação óptica por SOA com viés de memória para análise de suas potencialidades no suprimento dos gargalos de operação dos DRFM.

• Idioma: Português
• Editora: Editora Dialética
• Data de lançamento: 29 de ago. de 2022
• ISBN: 9786525253282

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1 INTRODUÇÃO

O desenvolvimento de sistemas radar data do período pré-guerra (Segunda Guerra Mundial) [1]. Já suas potencialidades ganharam especial notoriedade na Batalha da Inglaterra de 1940, um dos episódios mais célebres do conflito que comprovou a eficácia destes equipamentos. Os ingleses, se valendo da capacidade de detecção das aeronaves alemãs, conseguiram se contrapor à Força Aérea oponente, mesmo que ela fosse mais numerosa e consequentemente de maior capacidade bélica.

Com o pleno êxito do emprego do radar em combate, tal equipamento passou a ser foco de intensa atividade de pesquisa e apresentou evolução exponencial em suas capacidades. No entanto, ao passo que o radar ascendia em níveis de tecnologia, surgiram os primeiros dispositivos interferidores eletrônicos capazes de degradar sua operação [1].

A primeira geração de interferidores se baseou puramente na inserção de ruído nas bandas de recepção dos radares [2]. Enquanto a geração de receptores destes radares se utilizou de processamento não coerente, esta tática foi bem-sucedida. No entanto, a partir do advento do processamento coerente de sinais, a interferência eletrônica por ruído tornou-se obsoleta. Abriu-se, então, o precedente para a investigação de métodos efetivos contra os radares de detecção coerente.

Neste ínterim, os interferidores de repetição ou repeater jammers eclodiram como uma alternativa de contraposição às modernas técnicas de processamento. Tais equipamentos atuam como reprodutores das formas de onda incidentes e com isso, conseguem emitir réplicas para os radares os quais se pretende degradar, confundindo suas lógicas [3]. Para o cumprimento deste objetivo, as memórias de radiofrequência (RF) são componentes imprescindíveis para estes interferidores. Desta forma, ao passo que as formas de onda dos radares bem como suas técnicas de processamento tornam-se mais complexas, a exigência por uma alta fidelidade de armazenamento de sinais cresce como um dos principais desafios da atualidade em Guerra Eletrônica (GE) [4].

Uma memória de RF é usada para armazenar e retransmitir uma ou mais réplicas de um pulso de ameaça radar. Esta característica é o cerne de táticas como o RGPO (Range Gate Pull-Off), a qual o interferidor é capaz de degradar a operação do radar oponente pelo uso de emissões falsas. Memorizando o pulso e retransmitindo-o com sucessivos atrasos, o interferidor ou jammer é capaz de despistar o radar oponente, inserindo uma informação falsa em sua lógica de processamento [5]. Porém, o armazenamento de modernas formas de onda radar com a fidedignidade requerida pelo estado-da-arte do combate eletrônico impõe sérias restrições à eletrônica convencional, especialmente as direcionadas às limitações de conversão analógico-digital para frequências de micro-ondas.

O DRFM (Digital Radio Frequency Memory), uma memória de RF digital, é na atualidade, o único equipamento efetivo para o armazenamento coerente de formas de onda. Conquanto, por repousar sua operação sobre processos de quantização e a consequente produção de componentes espúrias, ele possui restrições em operar com larga capacidade de processamento de banda instantânea e grande faixa dinâmica de frequências simultaneamente, justamente as características do estado-da-arte dos radares, em específico os de compressão de pulsos e os de agilidade de frequências. DRFMs comerciais estão restritos a 2 GHz de largura de banda instantânea e a uma faixa dinâmica de frequências de 60 dBc [6].

A fotônica, por sua vez, oferece alternativas para tais limitações. Isto porque guias de onda ópticos são uma das melhores ações para se gerar linhas de atraso para sinais de micro-ondas modulados e além disso, o processamento fotônico oferece ganhos que podem suprir as deficiências de velocidade de amostragem de processadores eletrônicos convencionais [6]. Os primeiros estudos em memórias fotônicas se basearam em configurações híbridas (ópticas e elétricas) em que a linhas de atraso foram implementadas por fibra óptica com amplificação elétrica. Koffman et al [7] demonstrou a aplicação de uma memória de RF com 39 recirculações operando na faixa de frequência de 2 a 6 GHz. No entanto, o tempo de armazenagem dos pulsos e a largura de banda instantânea foi severamente afetada pelo incremento de ruído a cada volta do laço recirculante ou loop, assim como as conversões elétrico-ópticas e óptico-elétricas acabaram por degradar o sinal de RF injetado.

Neste contexto, o processamento totalmente óptico é preferível em detrimento do uso de configurações híbridas, já que pode suprir as deficiências de IBW (Instantaneous Bandwidth) e tempo de armazenamento de sinais em loops recirculantes, impostas por equipamentos elétricos. Esta estrutura é referenciada como memória de RF fotônica (PRFM – Photonic Radio Frequency Memory). Memórias de RF fotônicas são projetadas para fornecer uma grande faixa de operação de frequências, consequentemente, possuem a capacidade de armazenar múltiplos sinais de RF.

As duas implementações de PRFM da literatura foram propostas por [6] e [8]. A primeira delas foi severamente afetada por oscilações laser. Tais oscilações ocorreram pelo fato de o loop recirculante se aproximar de uma estrutura de laser em anel. Este efeito surge como consequência do emprego de um laser de comprimento de onda único e a utilização de ganhos de amplificadores com ganhos próximos da unidade, já que sua implementação propunha recircular o sinal o maior número de voltas possível. O sistema se mostrou deveras instável, capaz de corromper o sinal injetado. Já a segunda implementação suprimiu as oscilações laser pelo uso de um deslocador de frequência e com isso conseguiu armazenar pulsos de RF com degradação da SNR (Signal-to-Noise Ratio) em 10 dB por até 300 µs (200 recirculações), sendo o melhor resultado alcançado para uma PRFM, até então.

No contexto da GE no Brasil, o Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) desenvolve pesquisas na área de RF em fotônica desde a década de 90, com temas relacionados à análise de interferômetros com controle acústico-eletro-óptico [9], projeto e análise de moduladores eletro-ópticos em óptica integrada [10] e aplicação de dispositivo multifuncional a óptica integrada em interferômetros de Sagnac à fibra óptica birrefringente [11],[12]. Oliveira et al [13] identificou as principais tendências de RF em Fotônica dirigidas para a Força Aérea Brasileira (FAB). Esta iniciativa fomentou a criação do Programa de Pós-graduação em Aplicações Operacionais (PPGAO) e o Laboratório de Guerra Eletrônica (LAB-GE), em 2001, consolidando a pesquisa em optoeletrônica com foco em aplicações na área de GE no ITA. A partir deste marco, alguns dos trabalhos desenvolvidos abordaram: osciladores de RF com topologias fotônicas [14]; enlaces à fibra óptica para transmissão de sinais radar [15]; filtros de RF implementados por tecnologias fotônicas [16]; faixa dinâmica em moduladores integrados de intensidade [17]; e técnicas de multiplexagem por divisão de comprimento de onda (WDM –Wavelength Division Multiplexing) em enlaces por fibra óptica para transmissão de sinais analógicos [18].

O LAB-GE, portanto, atua como um polo de pesquisa de RF em fotônica que fornece à FAB alternativas de empregos operacionais disruptivos. Resultados relevantes obtidos na área de transmissão e processamento de sinais de micro-ondas em redes de fibra óptica de médias distâncias [19], [20] embasam a continuidade dos trabalhos de pesquisa na área de RF em fotônica no