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Image shows a  countryside landscape with a pending storm in the dark clouds. An All-Digital Radar in the foreground is emitting Parabolic Radar Signals out into the sky  and a commercial airplane is flying over the clouds.
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      利用全数字雷达增强气象检测和预测能力,帮助拯救生命


      如果你能早几分钟,在龙卷风席卷地面,对生命构成严重威胁之前更可靠地预测到它,并更准确地跟踪到它在地面的行进路线,会怎么样?

      如今,俄克拉荷马大学先进雷达研究中心(ARRC)的气象学家、数据科学家和工程师与ADI公司合作,共同设计、构建、测试和部署下一代全数字极化相控阵雷达系统。这项突破性的创新技术由NOAA的国家强风暴实验室(NSSL)资助,将能实时监测、更准确地预测以及比以往的任何技术更早地检测到恶劣天气。

      ARRC执行总监兼气象学教授Bob Palmer表示:“有了这款先进的雷达系统,我们就能够观测到风暴的具体结构,更早地检测到旋转风,及早做出预警,从而减少伤害避免造成人员伤亡。”

      ARRC的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,并克服计算能力这一挑战。

      概览

      ARRC研究组织

      俄克拉荷马大学先进雷达研究中心(ARRC)成立于2005年,是非常杰出的学术机构,通过研发先进的雷达解决方案,帮助提升安全、安防、环境质量并促进经济繁荣。

      技术

      这种雷达解决方案可以降低延迟,提高分辨率、精度和数据可靠性。使用先进的信号处理、相控阵雷达和检索算法,增强强风暴观测能力。

      挑战

      超越技术极限,基于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、全数字、相控阵波束赋形架构和收发器,以减小尺寸、重量和功耗 (SWaP)。

      目标

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

      在风暴的中心

      Image shows scenic focus on the Advanced Radar Research Center (ARRC); it is located on the campus of the the University of Oklahoma.
      俄克拉荷马大学先进雷达研究中心(ARRC)。

      位于俄克拉荷马州诺曼市,该州是世界上龙卷风频发的地区之一。在这里,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窗口。早期检测技术的进步将有利于我们做出更明智的决策,部署早期预警通知和应急响应服务,从而帮助保护财产,减少人员伤亡,挽救生命。

      ARRC专注于扩展雷达边界,利用全数字雷达技术提供更高的精度,该技术能够生成数百个高度定向的相控阵波束,连续扫描一个区域,并生成实时、高分辨率的图像。ARRC的全数字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跟踪和非合作式飞机监控。

      ADI多市场平台集团市场营销总监Wyatt Taylor表示:“早在2015年初,ARRC就邀请ADI前往他们的研究机构参加其相控阵研究计划的演示。”当时,ARRC使用我们的AD9361芯片作为主要元件。ARRC雷达工程师Matt McCord表示:“通过使用该芯片,我们得以构建一个全数字相控阵雷达,并进行强风暴和早期龙卷风检测。

      Headshot image of Matthew McCord, a Radar Enginner at ARRC. Headshot image of Matthew McCord, a Radar Enginner at ARRC.
      “AD9371芯片是我们的全数字相控阵系统的核心和关键功能部件。”

      Matthew McCord

      ARRC雷达工程师

      ADI向ARRC透露了他们正在开发的下一代集成芯片AD9371,这是一款高性能宽带RF收发器,可以取代多达20个分立组件,同时保持低功耗水平。ARRC的首席技术专家对这款尚未发布、尚未公示的芯片产生了兴趣,他向ADI公司表达研究意向并获得了提前接触该芯片的许可。

      McCord表示:“我们一直在试图迁移评估板,并解决与校准相关的问题。”他解释说:“ADI提供了更新、应用支持和信息共享,并为我们提供了其他部件,包括电源监视器,这是我们整个系统的门卫,还提供了ADP5054,这是我们广泛使用的一种电源解决方案。”

      HORUS项目:天气观测的终极梦想

      之后,在与ADI公司会面之后,ARRC启动了Horus项目的调查,这是一种早期的高分辨率全数字相控阵雷达,由位于诺曼的NOAA国家强风暴实验室(NSSL)资助。目前,产品原型还只是用于演示系统中。

      ARRC选择了ADI公司的全数字波形发生器和接收器、低功耗、低延迟的集成式数据处理微芯片、高性能数据转换器和DSP,将它们集成在全数字移动雷达系统的每个“元件”(天线)背后。

      Graphic image of Horus; ARRC's All-digital architecture phased array mobile truck.
      Horus,ARRC的全数字架构相控阵移动卡车。

      全数字雷达:巨大的飞跃

      全数字相控阵雷达系统有望生成比现有雷达系统更多的波束,并以更高分辨率跟踪更多目标。

      与其“表亲”模拟相控阵一样,全数字计算机指令控制雷达波束,使系统能够快速扫描特定区域,而无需使用机械硬件、电机或旋转雷达天线。但模拟相控阵的性能受到硬件限制。模拟系统只能在垂直方向上产生少量的RF波束或“切片”,使得分辨率以及一次跟踪的目标数量均受到限制。数字系统除了克服这些限制外,还可以通过软件升级来“进化产生”新功能。

      Graphic image of a conventional anlalog 2D radar. Plane in the sky and clouds while 2D radar detects very low-resolution information.

      模拟和传统的“2D”雷达

      传统雷达只能在水平方向上产生有限数量的波束,提供低分辨率的信息片段。

      Graphic image of a conventional analog 3D all-digital radar imaging. Plane in the sky and clouds while the 3D radar generates numerous beams both in horizonal and vertical dimensions, much higher resolution slices revealing detailed information.

      全数字雷达的“3D”成像

      全数字雷达在水平和垂直方向产生大量波束,提供许多高分辨率的“切片”,提供更多详细的信息。

      ARRC研发科学家、气象学助理教授David Bodine表示:“传统的模拟天气雷达系统通常很擅长探测风暴的位置、强度、移动等,但缺乏足够的时间分辨率和空间覆盖范围来准确观测和预测恶劣天气。”他补充道:“为了准确检测我们周围的风暴环境,雷达必须能够在水平和垂直方向上快速获取高分频率‘切片’。”

      元件数字化

      元件数字化”为每根天线(元件)配备强大的数据转换器芯片,使全数字传感器的检测性能实现飞跃。一个大型全数字相控阵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的集成水平使我们能够在元件层面实现全数字化。”他解释说:“在此之前,系统尺寸和成本持续激增,因而还需要一个小型数据中心控制室和数以万计的电缆。对所有相关人员来说,这都是一场噩梦。ADI公司的AD9371是解决这一困境的实用技术。”

      Graphic image shows the top portion of an all-digital panel with antennas, as well as, the under side of one panel with focus on one area of the 'At-the-Element' sensing technology.
      All-Digital 的辐射“信号”可以电子控制,从而控制扫描的方式、时间和地点。

      基于波束生成波束

      在数据后处理过程中,所有数字波束均以数字方式形成。只有当ADC处理器芯片接收到接收时返回的所有数据时,才可以通过应用数学简单地创建波束。泰勒说:“人们可以不断地重新应用数学来创建所需数量的光束;你只需要重新计算数据。”“通过将波束分割成额外的波束,可以大幅提高时间分辨率,”他补充道。

      使用全数字雷达,人们可以“照亮”天空中有雷雨的区域。然后,在实时后期处理中,生成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。

      Graphic image shows all-digital phased array radar's parabolic signal creating mulitple beams to reveal objects. Here it shows clouds in sky and beams-from-beams. The more beams, the better data quality and image clarity.
      全数字相控阵雷达创建多个波束来显示物体的细节信息。在收到返回信号时创建波束图案。波束越多,数据质量越高,图像越清晰。

      “全数字元件相控阵雷达
      在功能层面实现了许多数量级飞跃。”

      Matthew McCord,雷达工程师 | ARRC


      检测处于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数据转化为高分辨率动态帧(以前只能得到低分辨率静止帧),使得气象学家能够实时跟踪气象活动。全数字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实时观测天气变化。

      Image of dark clouds after a storm. Sun rays are peaking through to reveal clear skies.

      “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的空间信息的数据。迄今为止,还从未将这两种雷达结合使用过。”

      David Bodine,研发科学家 | ARRC,气象学助理教授


      未来的全数字雷达应用

      与传统雷达系统不同,全数字雷达系统可以自适应控制,支持软件定义的天线方向图和动态编程能力。Palmer表示:“它们能够适应未来发展,因为你可以利用软件升级针对新应用进行编程,而不是更换硬件。”外形尺寸和功率方面的进一步创新将推动全数字雷达技术解决方案辐射到各个市场,并且有望创建可扩展的解决方案,带来社会经济效益,包括以下应用领域:

      中和无人机集群

      Graphic image shows on left side a blurred and pixelated image of sky with drones. The low image quality from Conventional Radar. On the right shows Clearer image with much more image data produced by the All-Digital Radar.

      一个全数字雷达系统可以同时跟踪数千个目标,这些目标可以作为时间点和空间点,同时提供它们的身份信息。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

      更高分辨率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,并提高航空经济效率。

      航天

      面向卫星通信的数字波束成形解决方案支持下一代软件定义的卫星和智能波束,并实现波束特性和同时服务区域的灵活性。数字雷达的其他重要应用包括跟踪和确定空间碎片(也称为空间垃圾)的特征。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。据报道,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,目前能够跟踪到的物体。真正的危险其实是存在的,宇宙飞船与以轨道速度运行的一个非常小的物体相撞,都会造成宇宙飞船损毁,危及执行载人飞行任务的航天员的生命安全。

      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持技术。

      两用雷达

      可以提高速度、灵敏度、扫描调度以及窄波束和宽波束的灵活性,使得美国NOAA国家气象局和联邦航空管理局(FAA)等组织能够使用一个集成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数据,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。

      “在展望未来机遇的同时,我们也密切关注ADI公司开发的其他新技术的进展。”

      Bob Palmer
      ARRC执行总监