Українські вчені розробили метод поляризаційної селекції для навігації

Вчені з Одеської національної морської академії та Одеського національного морського університету розробили інноваційний метод поляризаційної селекції навігаційних об'єктів у складних атмосферних умовах. Дослідження базується на використанні статистичних властивостей параметрів Стокса частково поляризованих електромагнітних хвиль, що дозволяє значно підвищити точність морських радіолокаційних систем.

Новий підхід спрямований на вирішення критичної проблеми сучасного судноплавства — забезпечення надійної навігації в умовах обмеженої видимості, туману та інших складних атмосферних явищ. За останні десятиліття високоточні навігаційні системи стали критично важливими для широкого спектра застосувань, включаючи автономні транспортні засоби, безпілотні літальні апарати та морську навігацію.

Основою розробленого методу є аналіз чотирьох параметрів Стокса, які описують стан поляризації електромагнітної хвилі. Ці параметри виводяться з компонентів електричного поля та унікально визначають поляризаційні характеристики частково поляризованої електромагнітної хвилі. Перший параметр Стокса пов'язаний із загальною потужністю хвилі та коефіцієнтом відбиття цілі. Другий параметр характеризує горизонтальну та вертикальну поляризації через компоненти розсіювання. Третій параметр описує поляризацію під кутами 45 градусів, а четвертий — правосторонню та лівосторонню кругову поляризацію.

Дослідники використовували всеполяризовану антену з керованою поляризацією випромінювання, що дозволяє оптимально реалізувати енергетичні можливості суднових радіолокаційних поляризаційних комплексів. Під час радіолокаційного спостереження навігаційних об'єктів на фоні атмосферних утворень ехо-сигнали, що надходять на вхід приймача, є відбиттями від складного об'єкта.

Ключовим елементом методології є застосування правила максимальної правдоподібності для розв'язання задачі поляризаційної селекції. Це правило дозволяє віднести ехо-сигнал до того об'єкта, для якого функція правдоподібності є більшою. Використання цього алгоритму в задачі поляризаційної селекції навігаційних об'єктів дає змогу використовувати меншу кількість апріорної радіолокаційної інформації, що робить застосування цього правила практично обґрунтованим.

Експериментальна частина дослідження проводилася в Запорізькій області України з урахуванням інтенсивності випадкових опадів. Паралельно використовувалася радіолокаційна інформація, отримана з метеорологічного радара МРЛ-5. За результатами радіолокаційних вимірювань було проведено статистичну обробку ехо-сигналів першого параметра Стокса для навігаційного об'єкта та атмосферного утворення при певній інтенсивності опадів.

Статистична обробка результатів радіолокаційних спостережень навігаційного об'єкта та атмосферного утворення здійснювалася з використанням статистичних методів. Для кожної градації параметрів Стокса визначалася частота появи, сума частот усіх градацій дорівнювала загальній кількості спостережень. Математичне сподівання для навігаційного об'єкта та атмосферного утворення визначалося за спеціальною формулою, що враховує середину градації з найбільшою кількістю даних.

Середньоквадратичне відхилення визначає ступінь мінливості випадкового першого параметра Стокса для навігаційного об'єкта та атмосферного утворення. Дисперсія, як квадрат середньоквадратичного відхилення, розраховується за відповідною формулою. На основі отриманих статистичних характеристик було обчислено відповідні коефіцієнти, які використовуються для визначення критеріальних значень параметрів Стокса.

Результати дослідження показали, що при інтенсивності опадів 12 міліметрів на годину критеріальне значення першого параметра Стокса становить 1,68. Це означає, що коли радіолокаційні вимірювання ехо-сигналів першого параметра Стокса перевищують це значення, на індикаторі суднового радіолокаційного поляризаційного комплексу або на дисплеї комп'ютера буде присутній лише ехо-сигнал навігаційного об'єкта.

Верифікація виконання умови максимальної правдоподібності показала ефективність розробленого методу. Для навігаційного об'єкта функція правдоподібності склала 0,95, тоді як для атмосферного утворення — 0,67. Співвідношення цих значень підтверджує правильність застосування правила максимальної правдоподібності.

Практичне застосування методу передбачає одночасну реєстрацію всіх чотирьох параметрів Стокса та встановлення їхніх критеріальних значень. Коли виміряні значення параметрів Стокса перевищують критеріальні, оператор суднового радіолокаційного поляризаційного комплексу приймає рішення про наявність на індикаторі ехо-сигналу навігаційного об'єкта. У протилежному випадку приймається рішення про наявність атмосферного утворення.

Розроблений метод має значні переваги порівняно з існуючими підходами. Він забезпечує точну ідентифікацію та відстеження навігаційних об'єктів навіть у складних атмосферних умовах, надаючи операторам суден критично важливу інформацію для прийняття обґрунтованих рішень під час маневрування. Це не лише допомагає уникнути зіткнень, але й підвищує безпеку морських операцій.

Інтеграція передових поляриметричних технік узгоджується з більш широкою метою покращення безпеки навігації в різноманітних екологічних умовах. Методологія пропонує комплексний та строгий підхід до проблем поляризаційної селекції, демонструючи інтеграцію статистичного аналізу, радіолокаційних вимірювань та практичних міркувань.

Дослідження виконали Дмитро Корбан, Олексій Мельник, Сергій Курдюк, Олег Оніщенко, Валентина Очеретна, Ольга Щербина та Олег Котенко. Результати їхньої роботи сприяють розумінню методів поляриметричної селекції в навігаційних системах та можуть знайти застосування в покращенні продуктивності суднових радіолокаційних систем у різних атмосферних умовах.