本文叙述如何透过下一代全数位极化相位阵列雷达系统，即时监测、更准确预测，观测气象具体的结构，能够更早检测到灾害程度，及早做出预警与部署来降低风险。

如果你能早几分钟，在龙卷风席卷地面并对生命构成严重威胁之前更可靠地预测，并更准确追踪到其在地面的行进路线，那会如何？

如今，美国奥克拉荷马大学先进雷达研究中心（Advanced Radar Research Center；ARRC）的气象学家、资料科学家和工程师与ADI合作，共同设计、建构、测试和部署下一代全数位极化相位阵列雷达系统。此项突破性的创新技术由NOAA的国家强风暴实验室（NSSL）资助，将能即时监测、更准确预测以及比以往的任何技术更早检测到恶劣天气。

ARRC执行总监兼气象学教授Bob Palmer表示：「有了此款先进的雷达系统，我们就能够观测到暴风的具体结构，更早检测到龙卷风，及早做出预警，进而减少伤害避免造成人员伤亡。」ARRC新型雷达产品必须跨越严峻的尺寸、重量、功率和成本（SWaP+C）障碍，并克服计算能力此一挑战。

技术

此种雷达解决方案可以降低延迟，提升解析度、精确度和数据可靠性。使用先进的讯号处理、相位阵列雷达和检索演算法，增强强烈风暴观测能力。

挑战

超越技术极限，基於完善的工程和科学原理，推出经济高效、可靠的解决方案。启用大规模、全数位、相位阵列波束赋形架构和收发器，以缩减尺寸、重量和功耗 （SWaP）。

目标

透过增强检测技术和改进预测模型，防止生命和财产损失。将新雷达技术用於更广泛的应用领域，以观测自然灾害和人为灾害。并能更了解这些现象来降低风险。

在风暴的中心

位於奥克拉荷马州诺曼市，该州是世界上龙卷风频传的地区之一。在此处，先进雷达研究中心（ARRC）的创新团队正在开发一款突破性的雷达解决方案，为早期识别和持续监测恶劣天气提供更大的视野。早期检测技术的进步将有利於做出更明智的决策，部署早期预警通知和应急响应服务，进而协助保护财产，减少人员伤亡，挽救生命。

ARRC专注於扩展雷达边界，利用全数位雷达技术提供更高的精确度，该技术能够产生数百个高度定向的相位阵列波束，连续扫描一个区域，并产生即时、高解析度的图像。ARRC的全数位解决方案具有广泛的应用范围，从更准确的天气预报和气象研究到增强型飞机追踪和非合作式飞机监控。

ADI多市场平台集团市场行销总监Wyatt Taylor表示：「早在2015年初，ARRC便邀请ADI前往其研究机构叁加相位阵列研究计画展示。当时，ARRC使用我们的AD9361晶片作为主要元件。」ARRC雷达工程师Matt McCord表示：「透过该晶片，我们可建构一个全数位相位阵列雷达，并进行强烈风暴和早期龙卷风检测。」

ADI向ARRC透露了正在开发的下一代整合晶片AD9371，此为一款高性能宽频RF收发器，可以取代多达20个分立元件，同时保持低功耗水准。ARRC技术专家对此款尚未公布的晶片产生了兴趣，其向ADI表达研究意向并获得了提前接触该晶片的许可。

McCord表示ARRC一直试图迁移评估板，并解决与校准相关的问题。他解释说明ADI提供更新、应用支援和资讯共用，并为ARRC提供了其他组件，包括电源监视器，这是整个系统的守门员，并提供了ADP5054，这是ARRC广泛使用的一种电源解决方案。

天气观测的终极梦想：HORUS专案

在与ADI会面之後，ARRC启动了Horus项目的调查，这是一种早期的高解析度全数位相位阵列雷达，由位於诺曼的NOAA国家强风暴实验室（NSSL）资助。目前，产品原型还只是用於展示系统中。

ARRC选择了ADI的全数位波形产生器和接收器、低功耗、低延迟的整合式数据处理微晶片、高性能数据转换器和DSP，将其整合在全数位移动雷达系统的每个「元件」（天线）背後。

图1 : Horus ，ARRC的全数位架构相位阵列移动卡车。

巨大的飞跃：全数位雷达

全数位相位阵列雷达系统可??产生比现有雷达系统更多的波束，并以更高解析度追踪更多目标。

与其「表亲」类比相位阵列一样，全数位电脑指令控制雷达波束，使系统能够快速扫描特定区域，而无需使用机械硬体、马达或旋转雷达天线，但类比相位阵列的性能受到硬体限制。类比系统只能在垂直方向上产生少量的RF波束或「切片」，使得解析度及一次追踪的目标数量均受到限制。数位系统除了克服这些限制外，还可以透过软体升级来「进化产生」新功能。

图2 : 类比和传统的「2D」雷达

传统雷达只能在水准方向上产生有限数量的波束，提供低解析度的资讯片段。

图3 : 全数位雷达的「3D」成像

全数位雷达在水准和垂直方向产生大量波束，提供许多高解析度的「切片」，提供更多详细的资讯。

ARRC研发科学家、气象学助理教授David Bodine表示：「传统类比天气雷达系统通常很擅长探测风暴的位置、强度、移动等，但缺乏足够的时间解析度和空间覆盖范围来准确观测和预测恶劣天气。」他也补充说明：「为了准确检测我们周围的风暴环境，雷达必须能够在水准和垂直方向上快速获取高分频率『切片』。」

元件数位化

「元件数位化」为每根天线（元件）配备强大的数据转换器晶片，使全数位感测器的检测性能实现飞跃。一个大型全数位相位阵列雷达系统可能包含多达2万个天线元件，并需要数千个数据转换器。

McCord表示：「AD9371的整合水准使我们能够在元件层面实现全数位化。」他解释：「在此之前，系统尺寸和成本持续激增，因而还需要一个小型资料中心控制室和数以万计的电缆。对於所有相关人员来说，这都是一场噩梦。ADI AD9371是解决此困境的实用技术。」

图4 : All-Digital 的辐射讯号可以电子控制，从而控制扫描的方式、时间和地点。

基於波束产生波束

在数据後处理过程中，所有数位波束均以数位方式形成。只有当ADC处理器晶片接收到接收时返回的所有数据时，才可以透过应用数学简单创建波束。泰勒提到：「人们可以不断重新应用数学来创建所需数量的光束；你只需要重新计算资料，透过将波束分割成额外的波束，可以大幅提升时间解析度。

使用全数位雷达，人们可以「照亮」天空中有雷雨的区域。之後在即时後期处理中产生更多的波束来集中指向更小的区域，以确认冰雹、强降雨或龙卷风形成初期的位置。

图5 : 全数位相位阵列雷达建立多个波束来显示物体的细节资讯。在收到返回讯号时创建波束图案。波束越多，数据品质越高，图像越清晰。

检测处於形成初期阶段的龙卷风

龙卷风是一个快速变化的复杂系统。要了解龙卷风的路径及其可能造成的伤害类型，需要每隔几秒钟仔细观察其变化。如今的雷达成像技术可以将雷达资料转化为高解析度动态帧（以前只能得到低解析度静止帧），使得气象学家能够即时追踪气象活动。全数位技术将更新速度从几分钟加快到几秒，使科学家和研究人员能够即时观测天气变化。

未来的全数位雷达应用

与传统雷达系统不同的是，全数位雷达系统可以自我调整控制，支援软体定义的天线方向图和动态编程能力。Palmer表示：「其能适应未来发展，因为可以利用软体升级针对新应用进行编程，而不是更换硬体。」外型尺寸和功率方面的进一步创新将推动全数位雷达技术解决方案辐射到各个市场，并且有??建立可扩展的解决方案，带来社会经济效益，包括以下应用领域：

中和无人机集群

图6 : 世界上有两种气象雷达：一种能快速提供数据，另一种能提供包含详细空间数据的资料，现今这两种雷达终能结合使用。

一个全数位雷达系统可以同时追踪数千个目标，这些目标可以作为时间点和空间点，同时提供它们的身份资讯。使用传统雷达时，如果有一种威胁占据了天空的很大部分，我们无法区分这是一个很大的物体，还是由1000个小物体汇聚而成。

航空

更高解析度的图像使空中交通管制人员能够以更紧凑的模式安排飞机安全飞行，提高空域容量，安排更多航线班次，并提升航空经济效率。

航太

因应卫星通讯的数位波束成形解决方案支援下一代软体定义的卫星和智慧波束，并实现波束特性和同时服务区域的弹性。数位雷达的其他重要应用包括追踪和确定空间碎片（也称为空间垃圾）的特徵。这些物体包括失效的卫星、废弃的运载火箭级，以及大量废弃的火箭主体和航天器解体产生的碎片。

根据报导，截至2021年1月，共计有21901个人造体沿着地球上空的轨道运行，这些还只是足够大到能在目前追踪到的物体。真正的危险其实是存在的，当太空船与以轨道速度运行的一个非常小物体相撞都会造成太空船损毁，危及执行载人飞行任务的太空人生命安全。

监控

加强旨在保护政府、军事机构和资产安全的关键监控支援技术。

两用雷达

可以提升速度、灵敏度、扫描调度以及窄波束和宽波束的弹性，使美国NOAA国家气象局和联邦航空管理局（FAA）等组织能够使用一个整合式雷达系统发挥两个雷达的作用。

天气预报更先进的测量可以为天气模型提供更准确的资料，从而提高天气预报能力，能够更及时的发出风暴预警，提供更安全、更高效的船舶、空中和地面运输。