本文敘述如何透過下一代全數(shù)位極化相位陣列雷達(dá)系統(tǒng)，即時監(jiān)測、更準(zhǔn)確預(yù)測，觀測氣象具體的結(jié)構(gòu)，能夠更早檢測到災(zāi)害程度，及早做出預(yù)警與部署來降低風(fēng)險。

如果你能早幾分鐘，在龍捲風(fēng)席捲地面並對生命構(gòu)成嚴(yán)重威脅之前更可靠地預(yù)測，並更準(zhǔn)確追蹤到其在地面的行進(jìn)路線，那會如何？

如今，美國奧克拉荷馬大學(xué)先進(jìn)雷達(dá)研究中心（Advanced Radar Research Center；ARRC）的氣象學(xué)家、資料科學(xué)家和工程師與ADI合作，共同設(shè)計、建構(gòu)、測試和部署下一代全數(shù)位極化相位陣列雷達(dá)系統(tǒng)。此項突破性的創(chuàng)新技術(shù)由NOAA的國家強(qiáng)風(fēng)暴實驗室（NSSL）資助，將能即時監(jiān)測、更準(zhǔn)確預(yù)測以及比以往的任何技術(shù)更早檢測到惡劣天氣。

ARRC執(zhí)行總監(jiān)兼氣象學(xué)教授Bob Palmer表示：「有了此款先進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)，我們就能夠觀測到暴風(fēng)的具體結(jié)構(gòu)，更早檢測到龍捲風(fēng)，及早做出預(yù)警，進(jìn)而減少傷害避免造成人員傷亡。」ARRC新型雷達(dá)產(chǎn)品必須跨越嚴(yán)峻的尺寸、重量、功率和成本（SWaP+C）障礙，並克服計算能力此一挑戰(zhàn)。

技術(shù)

此種雷達(dá)解決方案可以降低延遲，提升解析度、精確度和數(shù)據(jù)可靠性。使用先進(jìn)的訊號處理、相位陣列雷達(dá)和檢索演算法，增強(qiáng)強(qiáng)烈風(fēng)暴觀測能力。

挑戰(zhàn)

超越技術(shù)極限，基於完善的工程和科學(xué)原理，推出經(jīng)濟(jì)高效、可靠的解決方案。啟用大規(guī)模、全數(shù)位、相位陣列波束賦形架構(gòu)和收發(fā)器，以縮減尺寸、重量和功耗 （SWaP）。

目標(biāo)

透過增強(qiáng)檢測技術(shù)和改進(jìn)預(yù)測模型，防止生命和財產(chǎn)損失。將新雷達(dá)技術(shù)用於更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，以觀測自然災(zāi)害和人為災(zāi)害。並能更瞭解這些現(xiàn)象來降低風(fēng)險。

在風(fēng)暴的中心

位於奧克拉荷馬州諾曼市，該州是世界上龍捲風(fēng)頻傳的地區(qū)之一。在此處，先進(jìn)雷達(dá)研究中心（ARRC）的創(chuàng)新團(tuán)隊正在開發(fā)一款突破性的雷達(dá)解決方案，為早期識別和持續(xù)監(jiān)測惡劣天氣提供更大的視野。早期檢測技術(shù)的進(jìn)步將有利於做出更明智的決策，部署早期預(yù)警通知和應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)，進(jìn)而協(xié)助保護(hù)財產(chǎn)，減少人員傷亡，挽救生命。

ARRC專注於擴(kuò)展雷達(dá)邊界，利用全數(shù)位雷達(dá)技術(shù)提供更高的精確度，該技術(shù)能夠產(chǎn)生數(shù)百個高度定向的相位陣列波束，連續(xù)掃描一個區(qū)域，並產(chǎn)生即時、高解析度的圖像。ARRC的全數(shù)位解決方案具有廣泛的應(yīng)用範(fàn)圍，從更準(zhǔn)確的天氣預(yù)報和氣象研究到增強(qiáng)型飛機(jī)追蹤和非合作式飛機(jī)監(jiān)控。

ADI多市場平臺集團(tuán)市場行銷總監(jiān)Wyatt Taylor表示：「早在2015年初，ARRC便邀請ADI前往其研究機(jī)構(gòu)參加相位陣列研究計畫展示。當(dāng)時，ARRC使用我們的AD9361晶片作為主要元件。」ARRC雷達(dá)工程師Matt McCord表示：「透過該晶片，我們可建構(gòu)一個全數(shù)位相位陣列雷達(dá)，並進(jìn)行強(qiáng)烈風(fēng)暴和早期龍捲風(fēng)檢測。」

ADI向ARRC透露了正在開發(fā)的下一代整合晶片AD9371，此為一款高性能寬頻RF收發(fā)器，可以取代多達(dá)20個分立元件，同時保持低功耗水準(zhǔn)。ARRC技術(shù)專家對此款尚未公佈的晶片產(chǎn)生了興趣，其向ADI表達(dá)研究意向並獲得了提前接觸該晶片的許可。

McCord表示ARRC一直試圖遷移評估板，並解決與校準(zhǔn)相關(guān)的問題。他解釋說明ADI提供更新、應(yīng)用支援和資訊共用，並為ARRC提供了其他組件，包括電源監(jiān)視器，這是整個系統(tǒng)的守門員，並提供了ADP5054，這是ARRC廣泛使用的一種電源解決方案。

天氣觀測的終極夢想：HORUS專案

在與ADI會面之後，ARRC啟動了Horus項目的調(diào)查，這是一種早期的高解析度全數(shù)位相位陣列雷達(dá)，由位於諾曼的NOAA國家強(qiáng)風(fēng)暴實驗室（NSSL）資助。目前，產(chǎn)品原型還只是用於展示系統(tǒng)中。

ARRC選擇了ADI的全數(shù)位波形產(chǎn)生器和接收器、低功耗、低延遲的整合式數(shù)據(jù)處理微晶片、高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和DSP，將其整合在全數(shù)位移動雷達(dá)系統(tǒng)的每個「元件」（天線）背後。

圖1 : Horus ，ARRC的全數(shù)位架構(gòu)相位陣列移動卡車。

巨大的飛躍：全數(shù)位雷達(dá)

全數(shù)位相位陣列雷達(dá)系統(tǒng)可望產(chǎn)生比現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)更多的波束，並以更高解析度追蹤更多目標(biāo)。

與其「表親」類比相位陣列一樣，全數(shù)位電腦指令控制雷達(dá)波束，使系統(tǒng)能夠快速掃描特定區(qū)域，而無需使用機(jī)械硬體、馬達(dá)或旋轉(zhuǎn)雷達(dá)天線，但類比相位陣列的性能受到硬體限制。類比系統(tǒng)只能在垂直方向上產(chǎn)生少量的RF波束或「切片」，使得解析度及一次追蹤的目標(biāo)數(shù)量均受到限制。數(shù)位系統(tǒng)除了克服這些限制外，還可以透過軟體升級來「進(jìn)化產(chǎn)生」新功能。

圖2 : 類比和傳統(tǒng)的「2D」雷達(dá)

傳統(tǒng)雷達(dá)只能在水準(zhǔn)方向上產(chǎn)生有限數(shù)量的波束，提供低解析度的資訊片段。

圖3 : 全數(shù)位雷達(dá)的「3D」成像

全數(shù)位雷達(dá)在水準(zhǔn)和垂直方向產(chǎn)生大量波束，提供許多高解析度的「切片」，提供更多詳細(xì)的資訊。

ARRC研發(fā)科學(xué)家、氣象學(xué)助理教授David Bodine表示：「傳統(tǒng)類比天氣雷達(dá)系統(tǒng)通常很擅長探測風(fēng)暴的位置、強(qiáng)度、移動等，但缺乏足夠的時間解析度和空間覆蓋範(fàn)圍來準(zhǔn)確觀測和預(yù)測惡劣天氣。」他也補(bǔ)充說明：「為了準(zhǔn)確檢測我們周圍的風(fēng)暴環(huán)境，雷達(dá)必須能夠在水準(zhǔn)和垂直方向上快速獲取高分頻率『切片』。」

元件數(shù)位化

「元件數(shù)位化」為每根天線（元件）配備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器晶片，使全數(shù)位感測器的檢測性能實現(xiàn)飛躍。一個大型全數(shù)位相位陣列雷達(dá)系統(tǒng)可能包含多達(dá)2萬個天線元件，並需要數(shù)千個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

McCord表示：「AD9371的整合水準(zhǔn)使我們能夠在元件層面實現(xiàn)全數(shù)位化。」他解釋：「在此之前，系統(tǒng)尺寸和成本持續(xù)激增，因而還需要一個小型資料中心控制室和數(shù)以萬計的電纜。對於所有相關(guān)人員來說，這都是一場噩夢。ADI AD9371是解決此困境的實用技術(shù)。」

圖4 : All-Digital 的輻射訊號可以電子控制，從而控制掃描的方式、時間和地點。

基於波束產(chǎn)生波束

在數(shù)據(jù)後處理過程中，所有數(shù)位波束均以數(shù)位方式形成。只有當(dāng)ADC處理器晶片接收到接收時返回的所有數(shù)據(jù)時，才可以透過應(yīng)用數(shù)學(xué)簡單創(chuàng)建波束。泰勒提到：「人們可以不斷重新應(yīng)用數(shù)學(xué)來創(chuàng)建所需數(shù)量的光束；你只需要重新計算資料，透過將波束分割成額外的波束，可以大幅提升時間解析度。

使用全數(shù)位雷達(dá)，人們可以「照亮」天空中有雷雨的區(qū)域。之後在即時後期處理中產(chǎn)生更多的波束來集中指向更小的區(qū)域，以確認(rèn)冰雹、強(qiáng)降雨或龍捲風(fēng)形成初期的位置。

圖5 : 全數(shù)位相位陣列雷達(dá)建立多個波束來顯示物體的細(xì)節(jié)資訊。在收到返回訊號時創(chuàng)建波束圖案。波束越多，數(shù)據(jù)品質(zhì)越高，圖像越清晰。

檢測處於形成初期階段的龍捲風(fēng)

龍捲風(fēng)是一個快速變化的複雜系統(tǒng)。要瞭解龍捲風(fēng)的路徑及其可能造成的傷害類型，需要每隔幾秒鐘仔細(xì)觀察其變化。如今的雷達(dá)成像技術(shù)可以將雷達(dá)資料轉(zhuǎn)化為高解析度動態(tài)幀（以前只能得到低解析度靜止幀），使得氣象學(xué)家能夠即時追蹤氣象活動。全數(shù)位技術(shù)將更新速度從幾分鐘加快到幾秒，使科學(xué)家和研究人員能夠即時觀測天氣變化。

未來的全數(shù)位雷達(dá)應(yīng)用

與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)不同的是，全數(shù)位雷達(dá)系統(tǒng)可以自我調(diào)整控制，支援軟體定義的天線方向圖和動態(tài)編程能力。Palmer表示：「其能適應(yīng)未來發(fā)展，因為可以利用軟體升級針對新應(yīng)用進(jìn)行編程，而不是更換硬體。」外型尺寸和功率方面的進(jìn)一步創(chuàng)新將推動全數(shù)位雷達(dá)技術(shù)解決方案輻射到各個市場，並且有望建立可擴(kuò)展的解決方案，帶來社會經(jīng)濟(jì)效益，包括以下應(yīng)用領(lǐng)域：

中和無人機(jī)集群

圖6 : 世界上有兩種氣象雷達(dá)：一種能快速提供數(shù)據(jù)，另一種能提供包含詳細(xì)空間數(shù)據(jù)的資料，現(xiàn)今這兩種雷達(dá)終能結(jié)合使用。

一個全數(shù)位雷達(dá)系統(tǒng)可以同時追蹤數(shù)千個目標(biāo)，這些目標(biāo)可以作為時間點和空間點，同時提供它們的身份資訊。使用傳統(tǒng)雷達(dá)時，如果有一種威脅佔據(jù)了天空的很大部分，我們無法區(qū)分這是一個很大的物體，還是由1000個小物體匯聚而成。

航空

更高解析度的圖像使空中交通管制人員能夠以更緊湊的模式安排飛機(jī)安全飛行，提高空域容量，安排更多航線班次，並提升航空經(jīng)濟(jì)效率。

航太

因應(yīng)衛(wèi)星通訊的數(shù)位波束成形解決方案支援下一代軟體定義的衛(wèi)星和智慧波束，並實現(xiàn)波束特性和同時服務(wù)區(qū)域的彈性。數(shù)位雷達(dá)的其他重要應(yīng)用包括追蹤和確定空間碎片（也稱為空間垃圾）的特徵。這些物體包括失效的衛(wèi)星、廢棄的運載火箭級，以及大量廢棄的火箭主體和航天器解體產(chǎn)生的碎片。

根據(jù)報導(dǎo)，截至2021年1月，共計有21901個人造體沿著地球上空的軌道運行，這些還只是足夠大到能在目前追蹤到的物體。真正的危險其實是存在的，當(dāng)太空船與以軌道速度運行的一個非常小物體相撞都會造成太空船損毀，危及執(zhí)行載人飛行任務(wù)的太空人生命安全。

監(jiān)控

加強(qiáng)旨在保護(hù)政府、軍事機(jī)構(gòu)和資產(chǎn)安全的關(guān)鍵監(jiān)控支援技術(shù)。

兩用雷達(dá)

可以提升速度、靈敏度、掃描調(diào)度以及窄波束和寬波束的彈性，使美國NOAA國家氣象局和聯(lián)邦航空管理局（FAA）等組織能夠使用一個整合式雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)揮兩個雷達(dá)的作用。

天氣預(yù)報

更先進(jìn)的測量可以為天氣模型提供更準(zhǔn)確的資料，從而提高天氣預(yù)報能力，能夠更及時的發(fā)出風(fēng)暴預(yù)警，提供更安全、更高效的船舶、空中和地面運輸。