Radar poogt te kennen; Race tussen wapen en afweermiddel

De dreigende oorlog rond de Golf heeft, bij wie daar ontvankelijk voor is, de belangstelling voor radar doen toenemen. Enerzijds vliegen daar boven die woestijn AWACS-vliegtuigen alsof met radar alles te zien is, anderzijds verschenen er plotseling 'Stealth' gevechtsvliegtuigen die juist niet zouden zijn waar te nemen. Tenslotte leest men in de vakpers dat er inmiddels radarapparatuur is die vliegtuigen niet alleen detecteert (zoals dat al vijftig jaar gebeurt) maar ook al zo'n beetje classificeert. De vraag is dus wie er nu in de co-evolutie tussen wapen en afweermiddel voor ligt.

Wat RADAR precies is (een acroniem natuurlijk: radio detecting and ranging) leert men het makkelijkst van de Encyclopedia Britannica. Die is nooit zo up-to-date, legt nogal het accent op de historie maar durft ook een paar kolommen voor een behoorlijke uitleg uit te trekken. Men kan zich hier in Nederland ook persoonlijk laten voorlichten. Thomsons 'Hollandse Signaal Apparaten' (HSA) in Hengelo produceert al decennia met wisselend succes radarapparatuur voor burger en soldaat. Denk aan walradar en de rondzoek- en volgradar voor het automatische snelvuurkanon 'Goalkeeper' dat het, wieweet, moet opnemen tegen de 46 Franse Exocet-raketten van Irak. Ook het Fysisch en Elektronisch Laboratorium van TNO op de Waalsdorpervlakte bij Scheveningen steekt al decennia onderzoek in radartechniek. FEL-TNO deed veel research in samenwerking met HSA toen dat nog van Philips was en verwachtdaarmee door te kunnen gaan.

FEL-TNO is een van de drie defensie-instituten van TNO; het is een voortzetting van het oude Physisch Laboratorium dat op dezelfde plaats al voor de oorlog defensie-onderzoek deed. Het was daar waar Nederland, zij het wat laat, omstreeks 1935 kennis maakte met het fenomeen radar, of om precies te zijn: het gebruik van radiogolven in het megahertz-bereik ('ultra korte golf') voor de detectie van luchtdoelen. Toen onderzoeker jonkheer ir. J. L. W. C. von Weiler 'bij proeven op de grens van de werkingssfeer' afstemde op het constante signaal van zijn zelf ontwikkelde, draagbare ultrakortegolf zender (die dus zo ver mogelijk van de ontvanger af stond en uitzond op een golflengte van 1,25 meter) hoorde hij op een goed moment het zwakke zendersignaal niet, zoals hij verwachtte, van constante sterkte maar afwisselend harder en zachter. Het effect hing samen met het passeren van een zwarte kraai.

Kennelijk weerkaatste de vogel het radiosignaal en trad interferentie op tussen het rechtstreeks ontvangen signaal en de gereflecteerde bundel. Zo'n interferentie uit zich in typische zwevingen, zoals die wel bij geluidsgolven voorkomen (bijvoorbeeld als twee identieke motoren draaien met een toerental dat net een beetje verschilt). Ook passerende vliegtuigen wisten de radiogolven te weerkaatsen. Von Weiler kwam tot de ontwikkeling van een 'radioluistertoestel' dat hij bij het uitbreken van de oorlog meenam naar Engeland.

Met de inrichting van Von Weiler die, zoals gezegd, bestond uit een aparte ontvanger en een aparte zender (elk met een eigen antenne), een zender die bovendien een constant signaal uitzond was niet meer dan de nabijheid van kraaien of vliegtuigen vast te stellen. Het praktisch nut daarvan was gering. Bij detectie van luchtdoelen gaat het erom richting en afstand van de reflectiebron op te meten.

Al vroeg is ingezien dat daartoe zender en ontvanger op dezelfde plaats moestenstaan en bij voorkeur zelfs dezelfde richtinggevoelige antenne moesten gebruiken (zoals bij het gebruik van een zoeklicht lichtbron en waarnemer vanaf dezelfde positie in dezelfde richting kijken). De richting van het doel wordt afgeleid van de positie van de antenne, de afstand tussen zender en doel volgt uit de tijd die verloopt voor de reflectie terug is bij de ontvanger. Die tijd is niet te bepalen als de radar-zender constant zou uitzenden en dat doe hij dus ook niet: hij zendt met tussenpozen van enige honderden microseconden zeer korte pulsen van hoge energie uit. De reflectie kan terug zijn voor een nieuwe puls wordt uitgezonden. (De voortplantingssnelheid van radiogolven is die van het licht: ongeveer 300 meter per microseconde.) Men spreekt van 'puls gemoduleerde radar' of kortweg pulsradar. Pulsradar is de klassieke radar die ook nu nog het meest gebruikt wordt. Het is technisch gezien niet moeilijk met een fosfor display, een beeldscherm, dat lekker lang nalicht een radarbeeld van de omgeving te maken.

Walradar die naast de Nieuwe Waterweg staat ontvangt van een passerende supertanker een beeld waarin de omtrekken van het schip wel min of meer zijn terug te vinden. Vliegtuigen die zich op 30 kilometer afstand van het radartoestel bevinden verschijnen uitsluitend als stip op het scherm. Sterker (en gevaarlijker) nog: vliegtuigen die erg dicht bij elkaar in formatie vliegen worden op grote afstand als een doel gezien.

Dat heeft twee oorzaken. Enerzijds hangt het samen met de breedte van de bundel van de zendantenne. Op 30 kilometer van de zender is de bundelbreedte al gauw 750 meter en alle objecten die zich binnen die bundel op dezelfde afstand van de radarbron bevinden worden als een reflectiebron gezien.

Daarnaast is er het nadelige effect van de eindige duur van de radarpuls. Die duurt makkelijk een microseconde waardoor een 'venster' van 150 meter ontstaat. Men kan met andere woorden bij verre doelen geen onderscheid maken tussen doelen die (in de kijkrichting) dichter dan 150 meter bij elkaar vliegen.

Het versmallen van de radarbundel en het verkorten van de pulslengte, hoe succesvol ook, hebben beide hun fysische beperkingen. De bundelbreedte op een gegeven afstand (of juister gezegd: de openingshoek of apertuur) is recht evenredig met de golflengte van de gebruikte radarsoort (meestal zo'n 1 tot 10 centimeter) en omgekeerd evenredig met de diameter van de antenne. Hoe groter de antenne hoe beter dus het scheidend vermogen en inderdaad zijn de Early Warning radarinstallaties in Canada en op Groenland van een indrukwekkende omvang. Erg praktisch is zo'n reuzeninstallatie niet natuurlijk.

Een aardige oplossing voor het probleem is te vinden in satellieten die radarbeelden van de aarde maken en vanzelf problemen hebben met de apertuur. Die gebruiken het SAR-systeem: Synthetic Aperture Radar. De essentie daarvan is dat de verschillende reflecties die de radarontvanger gedurende, zeg, twee seconden van hetzelfde object ontvangt (terwijl de radarbron zich intussen verplaatst) in een computer worden opgeslagen en verwerkt. Een geavanceerd rekenprogramma verzorgt hier dus het oplossend vermogen.

Het kan ook andersom, dan heet het ISAR:Inverse Synthetic Aperture Radar. Dat is de truc waarmee FEL-TNO sinds enige tijd experimenteert. Met een volgradar waaraan voldoende computerkracht is gekoppeld kun je de reflecties van een doel dat zich verplaatst eveneens enige seconden verzamelen en opslaan. De extra moeilijkheid hier is dat de waarnemingen ook nog eens een goede beschrijving van de beweging moeten geven voor er gerekend kan worden. (Bij de satelliet is de aard van de beweging bekend). Toch zijn met ISAR al erg goede resultaten bereikt.

Een verhoging van het oplossend vermogen in de kijkrichting gaat heel anders. Het was fysisch niet aantrekkelijk te proberen de radarpulsjes nog korter te laten duren dan ze al duurden. De oplossing komt van een aanpassing van de frequentie. Een serie opvolgende pulsjes wordt met geleidelijk toenemende frequentie uitgezonden waarna een computerverwerking van de ontvangen reflectie het reflectiebeeld vormt dat bij een synthetisch ingekorte pulsduur hoort.

Wie het niet begrijpt neemt genoegen met het plaatje van die Airbus 310 die op 12 maart 1989 op 1800 meter hoogte (bezig aan een landing op Schiphol) en ruim 30 kilometer afstand van Waalsdorp door TNO werd waargenomen. We zien dat de 'stip' van vroeger in een aantal reflectiehaarden uiteenvalt. Sterk reflecteren de hoekige staart en de aanhechting van de motorgondels. (Merk op dat ook de achterste gondel nog onder de voorste is door te zien.) Het zijn constructiedelen die de radiogolven recht terugstralen naar de radarontvanger. Het is een kleine moeite een vliegtuig te bouwen dat praktisch alle radargolven steeds de verkeerde kant op spiegelt, het wordt wat anders als je daarmee ook echt vliegen wil. Over de vliegeigenschappen van de Stealth B-2 van Northrop en de oudere Stealth F-117A van Lockheed is het laatste woord nog niet gezegd. Projektleider dr. F. J. Willems van de researchgroep Signaalverwerking van FEL-TNO sluit niet uit dat tezijnertijd een redelijke classificatie van gewoon reflecterende vliegtuigen met het ISAR-systeem mogelijk zal zijn. Vooralsnog vraagt hij na verrichte waarnemingen aan de luchtmacht verkeersleiding in Nieuw Milligen op de Veluwe wat voor vliegtuig hij eigenlijk in de kijker had.

    • Karel Knip