Digitale techniek: radarbeeldverwerking

Radarbeeldverwerking

Tot in de jaren ’70 toe werd het ruwe radarbeeld niet al te helder’ geschreven op kleine radarschermen met een doorsnede van zo’n 30 cm. Het beeld kon door slechts één persoon worden bekeken en wel in het donker. Het ging immers om de nalichtende echo’s van de radar, waaruit de operator doelen moest herkennen, positie moest en mondeling doorgeven. Naarmate de militaire commandanten de radar meer als belangrijke sensor gingen zien, ontstond een groeiende behoefte om het in kaart brengen (plotten) van radarecho’s centraal in de commandoruimte te doen. In eerste instantie gebeurde dit door de radarwaarnemer die de coördinaten van de echo’s telefonisch aan de plotters aan de plottafel in de commandoruimte doorgaf.

Televisiezender voor het overzenden van radarbeelden naar een commandoruimte op afstand van de radar (1958)
Televisiezender voor het overzenden van radarbeelden naar een commandoruimte op afstand van de radar (1958)

 

TV-camera om via scanconversie radarbeelden om te zetten naar TV-beelden (1958)
TV-camera om via scanconversie radarbeelden om te zetten naar TV-beelden (1958)

De TNO researchgroep van ir. Piket, later Moerman, werkte al in de jaren ’50 aan de verbetering van radarbeeldschermen en de verwerking van radargegevens. Bovenstaande TV-camera is in 1958 ontworpen om via scanconversie radarbeelden om te zetten in TV-beelden. Het radarbeeld afkomstig van een lange afstandsradar werd via een langzaam ronddraaiende radarsweep (360 graden in 10 seconden) op een kathodestraalbuis met een lange nalichting geschreven. De TV-camera uitgerust met een Vidicon-opneembuis nam het radarbeeld op. Dat werd gepresenteerd op een normale TV-monitor met het Europese 625-lijnensysteem. Het doel was na te gaan of het op deze manier mogelijk was “niet heldere” radarbeelden, die slechts konden worden bekeken door een à twee personen in het donker, om te zetten naar TV-beelden met grotere helderheid die in een normale omgeving getoond konden worden aan een grotere groep mensen, eventueel op een grootbeeld TV. In het begin had de Vidicon een vervelende eigenschap voor normaal TV-camerawerk. Een snel bewegend voorwerp werd met een ‘staart’ zichtbaar op het scherm (nalichting). Juist van die eigenschap werd gebruik gemaakt in het scanconversiesysteem. Het radarvideobeeld, dat op de gevoelige laag van het Vidicon geschreven werd op het moment dat met de ronddraaiende radarafbuigstraal (sweep) het beeld op de opgenomen radarmonitor geschreven werd, kon daardoor seconden lang bewaard blijven. De bewaartijd was afhankelijk van de straalstroom van het Vidicon dat als een ontlaadstroom werkt van het “mosaic” (de gevoelige laag) en daarmee het TV-videosignaal opwekt. Terwijl voor normaal camerawerk een grote ontlaadstroom werd ingesteld voor een zo gering mogelijk “staarteffect”, werd in dit scanconversiesysteem juist een kleine ontlaadstroom ingesteld. Het radardoel als een oplichtende “blip” op de radarmonitor werd dus als een soort lading vastgelegd op zijn radarpositie op het mosaic van het Vidicon en kon dan seconden lang gescand worden met een TV-raster totdat tien seconden later opnieuw een nieuwe radarblip geschreven werd.
Een nadelig effect dat optrad als een kleine ontlaadstroom werd ingesteld, was het weglekken van de lading naar mozaic-elementen in de directe omgeving van de blip. Dit leverde een soort “smeereffect” op dat het oplossend vermogen zeer nadelig beïnvloedde. Het instellen van de straalstroom was dan ook een compromis tussen bewaartijd en oplossend vermogen. Het scansysteem is een proef geweest in de beginperiode van het automatiseren van gevechtsinformatiesystemen: het vervangen van de overzichtplottafel naar grootbeeld-TV.

Televisieontvanger om de opgenomen radarbeelden voor groepjes mensen in daglicht te presenteren. Een nadeel van dit proefsysteem was het smeereffect van de TV-camera (1958)
Televisieontvanger om de opgenomen radarbeelden voor groepjes mensen in daglicht te presenteren. Een nadeel van dit proefsysteem was het smeereffect van de TV-camera (1958)

De vroegste door TNO ontwikkelde beeldschermsystemen waren proefbeeldschermen voor de ontwikkeling van het latere Teleplotsysteem. Daarbij werd gewerkt aan het probleem dat op een beeldscherm met afbuigspoelen die synchroon met de radarantenne ronddraaien en de ronddraaiende “radarsweep” zichtbaar maken, naast het ruwe radarbeeld niet veel meer konden tonen dan:

  • Range-ringen en afstandsmarkers
  • Azimutlijnen, azimutmarkers, noordlijn
  • Referentierasters (via het Videomapsysteem).

Alle signalen moeten daarbij worden afgebeeld gedurende het schrijven van de radarsweep zelf. In het kader van de automatisering van radargegevens was er echter behoefte aan beeldschermen met vaste afbuigspoelen. Die beeldschermen laten toe om in de “rusttijd” van de radar tussen twee radarzendimpulsen, de tijd dus die overblijft nadat de radarzaagtand de informatie van die radarsweep heeft geschreven (de videoinformatie die de radarontvanger heeft ontvangen na het uitsturen van de radarimpuls) – de zogenoemde interscan-periode – de kathodestraal zodanig af te buigen dat willekeurige posities op het scherm ingenomen kunnen worden. Op die manier was het beeldscherm in staat “computergegenereerde” (synthetische) beelden te schrijven met posities van doelen, bepaalde symbolen, snelheids- en koersvectoren en aanvullende informatie. Voor synthetische informatie is een zo hoog mogelijke herhalingsfrequentie nodig om een flikkervrij beeld op de nalichtende fosfor van het radarbeeldscherm) te kunnen schrijven. Daarvoor is het noodzakelijk dat de radarzaagtand-terugslagtijd zo kort mogelijk is. Een deel van de interscanperiode, de radarrusttijd tussen het einde van een geschreven radarsweep en de start van de volgende radarsweep moet echter worden gebruikt om de kathodestraal aan het einde van de van het radarbereik (= einde van een radarsweep) zo snel mogelijk terug te krijgen naar de oorsprong van het beeldscherm, dat is in het algemeen het centrum van het radarscherm. Immers daar moet de volgende radarsweep starten. Dit geldt uiteraard ook als de kathodestraal, voor het schrijven van een symbooltje, aan de rand van het scherm een positie heeft ingenomen. Ook dan moet de kathodestraal op tijd terug zijn op de nulpositie van het afbuigsysteem om de volgende radarsweep of een tweede synthetische positie te kunnen gaan schrijven. Als de terugslag niet kort genoeg is, wordt de positie van bijv. een symbool ergens op het scherm te schrijven, beïnvloed door de restafbuiging van de voorgaande radarsweep of een voorafgaand geschreven synthetische positie. Het symbool wordt dan vervormd geschreven. De situatie waarin een korte terugslagtijd het meest belangrijk is, is wanneer de kathodestraal tijdens de terugslag de volle diameter van het scherm moet afleggen om aan de andere kant een nieuwe opgedragen positie in te nemen.
Door het laboratorium zijn daarom een aantal beeldschermen met vaste afbuigspoelen ontwikkeld, met name voor het later te bespreken Teletracksysteem.

Met dit Videomap-systeem kunnen kaarten op het beeldscherm worden "geprojecteerd". Hiermee kan sneller inzicht worden gekregen in de positie van eigen en vijandelijke doelen (1963)
Met dit Videomap-systeem kunnen kaarten op het beeldscherm worden “geprojecteerd”. Hiermee kan sneller inzicht worden gekregen in de positie van eigen en vijandelijke doelen (1963)

 

Contouren en kaartvlakindeling
Contouren en kaartvlakindeling

Teleplot (1958) was in feite de vervanger van het aloude plotsysteem waarbij radarbeeldschermoperators via de radarecho’s de doelen identificeerden. Iedere operator voor zijn of haar eigen toegewezen gebied. Via de beeldtransformatie van het Teleplotsysteem kon het getransformeerde radarbeeld gereproduceerd worden op grotere beeldschermen tot op kleurengrootbeeld-projectoren toe. Hierdoor konden meer operators tegelijk in een ruimte met een (matige) omgevingsverlichting het totaalbeeld bekijken. Ook van zo’n grootbeeldprojectiesysteem is een proefopstelling gemaakt. Van het Teleplotsysteem heeft een zeer uitgebreide proefopstelling met vele schermen bestaan op het laboratorium. Vele demonstraties zijn gegeven. Uiteindelijk heeft Teleplot geleid tot een door Philips Telecommunicatie Industrie (PTI) te Huizen vervaardigd compleet systeem dat jaren dienst heeft gedaan in het Koninklijke Luchtmacht radarstation in Nieuw Milligen.
Het Teleplotsysteem was echter nog steeds een handbediend systeem: nog steeds moesten operators doelen herkennen, aantekenen, bijhouden, enz. Er ontstond begin jaren ’60 de behoefte om dergelijke informatieverwerking te automatiseren. Het daartoe ontwikkelde beeldscherm bevatte een verlicht “referentieraster” bestaande uit verticale en horizontale lijnen. Ieder vak had een unieke tweelettercode en had een afgesproken fijnere onderverdeling. De radardetectieoperator meldde, via de telefoon, de positie van het doel in een bepaald vak met de lettercode en de fijnere coördinaten. Deze echoposities werden vervolgens gemeld aan operators die in een goed verlichte ruimte aan een grote plottafel met het zelfde referentieraster werkten. Met lange ‘harken’ werden doelsvoorwerpen op de gemelde positie geschoven. Iedere operator aan de tafel bestreek een eigen gebied. De grote tafel met de gemelde doelen gaf een goed overzicht aan het commando. Het systeem was natuurlijk gevoelig voor foutieve aflezing en communicatie van doelposities vanaf het radarscherm door de radar operator en voor het fout verstaan van coördinaten door de operator aan de grote plottafel.

Het Teletrack-systeem (1963) bestond uit in totaal drie beeldschermen met vaste afbuigspoelen. Een beeldscherm van 30 cm diameter diende voor de initiatie van de doelen in het systeem. Twee beeldschermen (H50 en H5l) beide met een 50 cm vlak liggend beeldscherm boden rondom plaats voor in totaal acht operators. Deze operators hadden de taak de voorspelde posities van doelen in hun sector te controleren met de positie van de radarecho’s en indien nodig de informatie te corrigeren.
Via extra eenheden in het Teletracksysteem kon de operator aan het L30 beeldscherm voor gewenste doelen de hoogte laten bepalen. Hiertoe werd de positie van het uitgekozen doel uit de Teletrack computer automatisch toegevoerd aan een unit, de x,y/R,0 convertor [niet door TNO ontwikkeld].

Teletrack Beeldscherm L30 voor het initiëren van doelen in een semi-automatisch radargevensverwerkend systeem
Teletrack Beeldscherm L30 voor het initiëren van doelen in een semi-automatisch radargevensverwerkend systeem

 

Eenheid voor Bijkomende Informatie (EBI) diende voor het invoeren van doelsgegevens zoals sterkte, identificatie en voor het opvragen van sterkte, identificatie en hoogte van een radarecho voor een semi-automatisch radargevensverwerkend systeem (1963)
Eenheid voor Bijkomende Informatie (EBI) diende voor het invoeren van doelsgegevens zoals sterkte, identificatie en voor het opvragen van sterkte, identificatie en hoogte van een radarecho voor een semi-automatisch radargevensverwerkend systeem (1963)

 

Beeldscherm H50 van het Teletrack systeem voor het semiautomatisch volgen, verwerken en overseinen van radardoelen.
Beeldscherm H50 van het Teletrack systeem voor het semiautomatisch volgen, verwerken en overseinen van radardoelen.

Beeldscherm H50: de door een operator manuaal met behulp van een joystick ingevoerde positie van radardoelen worden als tracks automatisch bijgehouden door de computer. Operators konden afwijkingen van tracks met de joystick corrigeren. De tracks worden met speciale symbolen als een computerbeeld tezamen met het ruwe radarbeeld, weergegeven. Aanvullende informatie (o.a. identiteit wordt via de eenheid voor bijkomende informatie (EBI) ingevoerd of opgevraagd. Het bestand aan tracks (max. 60) wordt via datatransmissie overgestuurd naar de commandocentrale van het Air Operations Control Station Nieuw Milligen (AOCS NM). De tracks worden aldaar als “early warning data” op het scherm van het Teleplotsysteem weergegeven (1963).
 

Het Teletrack-systeem omvatte ook een hoogtemeetscherm dat gekoppeld was aan een hoogtemeetradar. Dat scherm was niet ontwikkeld door TNO maar werd beschikbaar gesteld door de Koninklijke Luchtmacht. Met het in verticale richting scannen van de hoogtemeetradar kon door de operator op het hoogtemeetbeeldscherm de hoogte van het doel afgelezen worden. De gevonden hoogte werd dan handmatig via een invoerorgaan bij de andere gegevens van dat doel in het geheugen van de Teletrack-computer opgeslagen en kon op ieder op ieder moment opgevraagd worden. Teletrack is later uitgebreid met een eenheid waarmee het mogelijk was de positie en de bijkomende informatie van de maximaal 64 doelen opgeslagen in het geheugen van Teletrack via een data link systeem over te seinen naar het Teleplotsysteem van het Air Operations Control Station Nieuw Milligen (AOCS NM). Op deze manier werd de totale luchtruimdoelinformatie van de lange afstandsradar te Nieuw Milligen aangevuld met de lange afstandsinformatie gedetecteerd met de radar van het ‘Navigatiestation Noord(-Holland)‘, codenaam NS-N, te Den Helder (de term navigatiestation werd voor misleiding van het werkelijke operationele doel gebruikt). De ontvangen tracks werden aldaar als “early warning data” op het scherm van het Teleplot-systeem weergegeven.

Het Teletracksysteem bevatte een door TNO ontwikkelde beeldgeneratoreenheid met de naam Videomap. De eenheid leverde als videosignaal het referentieraster (grid) bestaande uit verticale en horizontale lijnen. Zoals hierboven aangegeven had ieder vak een unieke tweelettercode. Gelijktijdig met dit raster werd een kaart geschreven met bijvoorbeeld de kustlijn van Nederland. Het geheel werkte als volgt:

  • Op een 10-cm kathodestraalbuis met vlak scherm en snelle fosfor draaide synchroon aan de radarsweep een lijn rond.
  • Deze lijn werd geprojecteerd op een dia met een negatieve afbeelding van het referentieraster. Dus zwarte dia met lichtdoorlatende lijnen. De blauwe lichtstraal van de kathodestraal scande als het ware de dia.
  • Via een condensorlens viel het doorgelaten licht op een lichtversterker. De uitvoer leverde dus het videosignaal van het referentieraster.
  • Deze uitvoer werd synchroon met het radarsignaal op het operatorscherm geschreven. De intensiteit van het referentieraster kon op het beeldscherm worden ingesteld.

Dit videomap-systeem verving de verlichte overlay op het radarscherm.

Teletrack heeft vele jaren dienst gedaan voor de Koninklijke Luchtmacht in Den Helder. Personeel van de Luchtmacht is door TNO opgeleid voor zowel de operationele handelingen aan de beeldschermen als ook voor het onderhoud van het complete systeem. Teletrack werd daarmee de trigger voor verdere automatiseringsprojecten door TNO voor de Koninklijke Luchtmacht.

Interface tussen radarsysteem en een aantal Teletrack beeldschermen (1963)
Interface tussen radarsysteem en een aantal Teletrack beeldschermen (1963)

Ground Controlled Interception (GCI)

Teletrack is in 1964 gekoppeld aan de Interceptie RekenMAchine (IRMA) die ook ontwikkeld was op het laboratorium. Het digitale rekenmachinegedeelte en de instelpanelen voor intercepties op het IRMA-beeldscherm zijn ontworpen door de toenmalige researchgroep “Digitaal Rekenen”. Het specifieke drievoudige beeldscherm, uiteraard met vaste afbuigspoelen, is in 1963 ontwikkeld door de TNO researchgroep Automatisering Gevecht Informatie Systemen (AGIS). De ontwikkeling was gebaseerd op in 1955 voor de Koninklijke Marine in gang gezette digitale rekentechniekontwikkelingen. Via dit beeldscherm konden twaalf intercepties tegelijk uitgevoerd en begeleid worden. Een interceptie is het onderscheppen (eventueel een aanval) van een jachtvliegtuig op een vijandelijk luchtdoel. Het vereiste in die tijd een nauwkeurige tactische begeleiding voor het jachtvliegtuig vanaf de grond voor: de af te leggen weg, op welke hoogte, hoe snel en met wat voor bochten om het jachtvliegtuig in de buurt te brengen van het vijandelijke doel voor een geslaagde interceptie. Vele gegevens die eerder moeizaam met specifieke rekentoestellen in de hand van de interceptieofficier moesten worden bepaald en doorgegeven aan de piloot van het jachtvliegtuig. Door het IRMA-systeem werden de gegevens uitgerekend waarmee de interceptie meer automatisch kon verlopen. Uitgegaan werd van een visuele detectie van het doel door de vlieger op een afstand van zo’n 2.5 nautische mijl waarna de vlieger de aanval moest inzetten.
In eerste instantie heeft het IRMA-systeem, met als inputorgaan het analoge echovolgsysteem EVA (echovolgapparaat) dat was ontwikkeld door het LEOK, proefgedraaid op de Navigatie Gevechts-Informatie School (NAVGIS) van de Koninklijke Marine in Den Helder. EVA kon zes echo’s tegelijk automatisch volgen. IRMA zou uiteindelijk operationeel ingezet moeten gaan worden op het Nederlandse vliegdekschip Hr.Ms. Karel Doorman. Het analoge volgsysteem, bedoeld voor de doelen waarmee en waarop intercepties uitgevoerd moesten worden, bleek echter de posities niet nauwkeurig genoeg te kunnen aanleveren en vasthouden gedurende de tijd die nodig was voor een interceptie. Bij proeven bleek IRMA echter niet de verwachte vereenvoudiging van de menselijke taak van de Marine interceptieofficier op te leveren.
In luchtmachtkringen is toen het idee geopperd om het IRMA-systeem te koppelen aan het Teletrack-systeem. Het IRMA-systeem werd daarom verplaatst naar het radarstation van de Koninklijke Luchtmacht te Den Helder. Na modificaties aan beide systemen is Teletrack ingezet als inputsysteem voor de IRMA. 
Parallel aan deze ontwikkeling besloot de NAVO dat de Hr.MS. Karel Doorman geen luchtverdedigingsfunctie meer zou vervullen. De Koninklijke Marine besloot daarop de Hr.MS. Karel Doorman uit te gaan faseren en geen nieuwe investeringen meer te doen.

De combinatie IRMA-Teletrack heeft vervolgens wel vele jaren dienst gedaan op luchtmachtbases. Vele intercepties zijn succesvol uitgevoerd door luchtmachtofficieren en luchtmachtpersoneel. Ook marinepersoneel heeft via deze twee systemen kennis gemaakt met semiautomatisch radargevensverwerkende systemen. Daardoor leerde Defensie welke eisen ze moesten stellen aan verdere automatisering van diverse systemen.

Beeldkast van de Interceptie RekenMAchine (IRMA) met (VW kever) asbak voor rokende dienstplichtigen (1963)
Beeldkast van de Interceptie RekenMAchine (IRMA) met (VW kever) asbak voor rokende dienstplichtigen (1963)
De digitale processor van de IRMA
De digitale processor van de IRMA

 

Voorzijde paneel van de IRMA digitale processor
Voorzijde paneel van de IRMA digitale processor

 

Achterzijde paneel van de IRMA digitale processor
Achterzijde paneel van de IRMA digitale processor

 

Ringkerngeheugen zoals die in de loop der jaren op de laboratoria zijn gemaakt, o.a. voor de IRMA.
Ringkerngeheugen zoals die in de loop der jaren op de laboratoria zijn gemaakt, o.a. voor de IRMA.

Na deze ontwikkelingsperiode bestond er in de researchgroep AFGIS behoefte aan een eigen beeldschermkastensysteem met vaste afbuigspoelen. Dit in het kader van verdere automatisering van informatiesystemen. Op dit beeldschermkastensysteem kon de output van diverse projecten zichtbaar worden gemaakt en gedemonstreerd. Het beeldschermkastensysteem bestond uit zeven beeldschermen, zes ervan met buizenelektronica en één beeldscherm met transistoren. Op de foto zijn vijf van de zes buizenbeeldschermen te zien. Eén buizenbeeldscherm was geplaatst bij de centrale besturingssystemen in een aparte zaal (later de zogenaamde FUCAS-zaal). Het transistorbeeldscherm bevindt zich op de eerste rij van de foto rechts bij het raam.
Deze beeldschermen zijn ingezet in verschillende latere projecten:

  • Zichtbaar maken en beoordelen van de output van extractors. Een extractor omvatte elektronica om automatisch uit het ruwe radarsignaal doelen te extraheren en die informatie aan een computer aan te bieden voor het:
    • presenteren van een synthetisch radarbeeld
    • automatisch volgen van doelen
    • locken van  radardoelen
    • herkennen van vliegtuigtypen
  • Het presenteren van beelden en demonstreren vabn het System for Automatic Display of data Link Information (SADLY): het overbrengen van radardoelsinformatie van grote schepen naar kleinere schepen in de vloot. Uiteindelijk is dit systeem nooit gerealiseerd.
  • Tot 1990 als presentatie- en aansturingssysteem voor Follow-up Computer Assisted Inertialess Scanning System (FUCAS).

 

Radarbeeldschermopstelling
Radarbeeldschermopstelling op het Physisch Lab TNO