Разработка позволит избежать неоднозначности оценки волнения моря при использовании различных шкал состояния моря и обеспечить более предсказуемую работу радиолокационных систем, что поможет точнее обнаруживать объекты на водной поверхности даже в штормовых условиях.
Радиолокация является фундаментом обеспечения безопасности и навигации в современном мире. Она позволяет обнаруживать объекты за пределами прямой видимости и в любых погодных условиях, что критически важно для безопасности морских перевозок. В отсутствии радиолокации суда станут «слепыми», что приведет к резкому увеличению числа столкновений и катастроф. Без радаров объекты можно заметить только визуально, что сокращает время на реакцию с десятков минут до секунд. Также отсутствие данных о водной поверхности и атмосферных явлениях ухудшит качество метеорологических прогнозов.
Эффективность работы радиолокационных систем напрямую зависит от состояния моря. Волны отражают радиосигнал и создают фон помех, который может скрывать небольшие суда, спасательные плоты или другие объекты. Поэтому для корректной работы радаров необходимы точные математические модели, описывающие отражение радиоволн от поверхности воды.
Исторически для оценки интенсивности отражения радиолокационного сигнала от поверхности использовались значения удельной поверхности рассеяния морской поверхности из таблиц Натансона, созданных на основе многочисленных экспериментов в середине XX века. Однако эти данные были привязаны к шкале Дугласа – системе оценки волнения моря в баллах, разработанной еще в XIX веке. Сегодня чаще применяется шкала Всемирной метеорологической организации. Кроме того, в России действует шкала волнения моря главного управления гидрометеорологической службы 1953 года.
При переводе между этими системами возникают неточности, поскольку балльные шкалы приходится пересчитывать в физические параметры, например, высоту волн. Это может приводить к ошибкам в моделях отражения радиосигнала и снижению точности работы радиолокационных систем.
Современные математические модели, используемые в навигации, также имеют ограничения. Модель GIT (Georgia Institute of Technology), широко применяемая в отрасли, хорошо согласуется с экспериментальными данными при волнении моря от 4 до 9 баллов. Однако при слабом волнении возникают значительные расхождения, что увеличивает вероятность пропуска небольших объектов на воде. Модель NRL (Naval Research Laboratory), предложенная в 2009 году и впоследствии модернизированная, обеспечивает повышенную точность относительно экспериментальных данных, но в явном виде опирается на шкалу Дугласа, что ограничивает ее применение при использовании других шкал.
Ученые СПбГЭТУ «ЛЭТИ» предложили новую математическую модель отражения радиосигналов от морской поверхности. Она не привязана к оценке волнения моря в баллах какой-либо шкалы и оптимизирована для малых углов скольжения радиоволн от 0,1° до 10°. Именно такие углы возникают при обнаружении объектов на большом расстоянии над поверхностью моря, поэтому их корректное моделирование особенно важно для радиолокации.
«Наша модель позволяет переводить любую шкалу волнения – Дугласа, Всемирной метеорологической организации или российскую – в физически измеряемый параметр, значимую высоту волн, и получать точный результат. При этом формула модели проще существующих аналогов, поскольку для расчета требуется меньше переменных». – Старший научный сотрудник кафедры радиотехнических систем (РС) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Вячеслав Николаевич Михайлов.
Модель основана на аппроксимации экспериментальных данных Натансона – математическом методе, при котором сложный набор экспериментальных точек описывается более простой функцией, максимально близко повторяющей исходные данные. Это позволяет сохранить высокую точность расчетов, но значительно упростить вычисления. В отличие от большинства существующих моделей (например NRL), в модели ETU используется не балльная оценка волнения моря, а значимая высота волн, что делает ее более универсальной. Значимая высота волн – это средняя высота высшей трети волн. Этот параметр широко применяется в океанографии и позволяет однозначно описать состояние морской поверхности: от спокойного моря до сильного шторма с высотой волн более 14 метров.
Модель ETU устраняет историческое несоответствие между различными шкалами оценки волнения моря и позволяет радиолокационным системам работать корректно независимо от источника метеорологических данных. Это особенно важно для современных цифровых навигационных систем, которые объединяют данные спутниковых наблюдений, метеослужб и бортовых датчиков.
«Мы назвали модель ETU в честь нашего университета – это символический подарок к 140-летию ЛЭТИ. Разработка может использоваться в гражданских радиолокационных системах, системах управления беспилотными судами, морском экологическом мониторинге, а также в системах обеспечения безопасности морских перевозок и поисково-спасательных операциях». – Старший научный сотрудник кафедры РС Вячеслав Николаевич Михайлов.
Исследование выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № FSEE-2025-0006. Результаты работы представлены на международной конференции Antennas Design and Measurement International Conference (ADMInC).
Фото: пресс-служба СПбГЭТУ "ЛЭТИ"Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.