本文敘述如何透過下一代全數位極化相位陣列雷達系統，即時監測、更準確預測，觀測氣象具體的結構，能夠更早檢測到災害程度，及早做出預警與部署來降低風險。

如果你能早幾分鐘，在龍捲風席捲地面並對生命構成嚴重威脅之前更可靠地預測，並更準確追蹤到其在地面的行進路線，那會如何？

如今，美國奧克拉荷馬大學先進雷達研究中心（Advanced Radar Research Center；ARRC）的氣象學家、資料科學家和工程師與ADI合作，共同設計、建構、測試和部署下一代全數位極化相位陣列雷達系統。此項突破性的創新技術由NOAA的國家強風暴實驗室（NSSL）資助，將能即時監測、更準確預測以及比以往的任何技術更早檢測到惡劣天氣。

ARRC執行總監兼氣象學教授Bob Palmer表示：「有了此款先進的雷達系統，我們就能夠觀測到暴風的具體結構，更早檢測到龍捲風，及早做出預警，進而減少傷害避免造成人員傷亡。」ARRC新型雷達產品必須跨越嚴峻的尺寸、重量、功率和成本（SWaP+C）障礙，並克服計算能力此一挑戰。

技術

此種雷達解決方案可以降低延遲，提升解析度、精確度和數據可靠性。使用先進的訊號處理、相位陣列雷達和檢索演算法，增強強烈風暴觀測能力。

挑戰

超越技術極限，基於完善的工程和科學原理，推出經濟高效、可靠的解決方案。啟用大規模、全數位、相位陣列波束賦形架構和收發器，以縮減尺寸、重量和功耗 （SWaP）。

目標

透過增強檢測技術和改進預測模型，防止生命和財產損失。將新雷達技術用於更廣泛的應用領域，以觀測自然災害和人為災害。並能更瞭解這些現象來降低風險。

在風暴的中心

位於奧克拉荷馬州諾曼市，該州是世界上龍捲風頻傳的地區之一。在此處，先進雷達研究中心（ARRC）的創新團隊正在開發一款突破性的雷達解決方案，為早期識別和持續監測惡劣天氣提供更大的視野。早期檢測技術的進步將有利於做出更明智的決策，部署早期預警通知和應急響應服務，進而協助保護財產，減少人員傷亡，挽救生命。

ARRC專注於擴展雷達邊界，利用全數位雷達技術提供更高的精確度，該技術能夠產生數百個高度定向的相位陣列波束，連續掃描一個區域，並產生即時、高解析度的圖像。ARRC的全數位解決方案具有廣泛的應用範圍，從更準確的天氣預報和氣象研究到增強型飛機追蹤和非合作式飛機監控。

ADI多市場平台集團市場行銷總監Wyatt Taylor表示：「早在2015年初，ARRC便邀請ADI前往其研究機構參加相位陣列研究計畫展示。當時，ARRC使用我們的AD9361晶片作為主要元件。」ARRC雷達工程師Matt McCord表示：「透過該晶片，我們可建構一個全數位相位陣列雷達，並進行強烈風暴和早期龍捲風檢測。」

ADI向ARRC透露了正在開發的下一代整合晶片AD9371，此為一款高性能寬頻RF收發器，可以取代多達20個分立元件，同時保持低功耗水準。ARRC技術專家對此款尚未公佈的晶片產生了興趣，其向ADI表達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，並解決與校準相關的問題。他解釋說明ADI提供更新、應用支援和資訊共用，並為ARRC提供了其他組件，包括電源監視器，這是整個系統的守門員，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項目的調查，這是一種早期的高解析度全數位相位陣列雷達，由位於諾曼的NOAA國家強風暴實驗室（NSSL）資助。目前，產品原型還只是用於展示系統中。

ARRC選擇了ADI的全數位波形產生器和接收器、低功耗、低延遲的整合式數據處理微晶片、高性能數據轉換器和DSP，將其整合在全數位移動雷達系統的每個「元件」（天線）背後。

圖1 : Horus ，ARRC的全數位架構相位陣列移動卡車。

巨大的飛躍：全數位雷達

全數位相位陣列雷達系統可望產生比現有雷達系統更多的波束，並以更高解析度追蹤更多目標。

與其「表親」類比相位陣列一樣，全數位電腦指令控制雷達波束，使系統能夠快速掃描特定區域，而無需使用機械硬體、馬達或旋轉雷達天線，但類比相位陣列的性能受到硬體限制。類比系統只能在垂直方向上產生少量的RF波束或「切片」，使得解析度及一次追蹤的目標數量均受到限制。數位系統除了克服這些限制外，還可以透過軟體升級來「進化產生」新功能。

圖2 : 類比和傳統的「2D」雷達

傳統雷達只能在水準方向上產生有限數量的波束，提供低解析度的資訊片段。

圖3 : 全數位雷達的「3D」成像

全數位雷達在水準和垂直方向產生大量波束，提供許多高解析度的「切片」，提供更多詳細的資訊。

ARRC研發科學家、氣象學助理教授David Bodine表示：「傳統類比天氣雷達系統通常很擅長探測風暴的位置、強度、移動等，但缺乏足夠的時間解析度和空間覆蓋範圍來準確觀測和預測惡劣天氣。」他也補充說明：「為了準確檢測我們周圍的風暴環境，雷達必須能夠在水準和垂直方向上快速獲取高分頻率『切片』。」

元件數位化

「元件數位化」為每根天線（元件）配備強大的數據轉換器晶片，使全數位感測器的檢測性能實現飛躍。一個大型全數位相位陣列雷達系統可能包含多達2萬個天線元件，並需要數千個數據轉換器。

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

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。

基於波束產生波束

在數據後處理過程中，所有數位波束均以數位方式形成。只有當ADC處理器晶片接收到接收時返回的所有數據時，才可以透過應用數學簡單創建波束。泰勒提到：「人們可以不斷重新應用數學來創建所需數量的光束；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。

使用全數位雷達，人們可以「照亮」天空中有雷雨的區域。之後在即時後期處理中產生更多的波束來集中指向更小的區域，以確認冰雹、強降雨或龍捲風形成初期的位置。

圖5 : 全數位相位陣列雷達建立多個波束來顯示物體的細節資訊。在收到返回訊號時創建波束圖案。波束越多，數據品質越高，圖像越清晰。

檢測處於形成初期階段的龍捲風

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

未來的全數位雷達應用

與傳統雷達系統不同的是，全數位雷達系統可以自我調整控制，支援軟體定義的天線方向圖和動態編程能力。Palmer表示：「其能適應未來發展，因為可以利用軟體升級針對新應用進行編程，而不是更換硬體。」外型尺寸和功率方面的進一步創新將推動全數位雷達技術解決方案輻射到各個市場，並且有望建立可擴展的解決方案，帶來社會經濟效益，包括以下應用領域：

中和無人機集群

圖6 : 世界上有兩種氣象雷達：一種能快速提供數據，另一種能提供包含詳細空間數據的資料，現今這兩種雷達終能結合使用。

一個全數位雷達系統可以同時追蹤數千個目標，這些目標可以作為時間點和空間點，同時提供它們的身份資訊。使用傳統雷達時，如果有一種威脅佔據了天空的很大部分，我們無法區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安全飛行，提高空域容量，安排更多航線班次，並提升航空經濟效率。

航太

因應衛星通訊的數位波束成形解決方案支援下一代軟體定義的衛星和智慧波束，並實現波束特性和同時服務區域的彈性。數位雷達的其他重要應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生的碎片。

根據報導，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，危及執行載人飛行任務的太空人生命安全。

監控

加強旨在保護政府、軍事機構和資產安全的關鍵監控支援技術。

兩用雷達

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

天氣預報

更先進的測量可以為天氣模型提供更準確的資料，從而提高天氣預報能力，能夠更及時的發出風暴預警，提供更安全、更高效的船舶、空中和地面運輸。