Radar: Radar-video extractor voor de detectie van schepen (1965 – 1979)
De ontwikkeling van de radar-video extractor voor de detectie van schepen
Radar wordt voor verkeerskundige doeleinden op grote schaal toegepast voor het detecteren van objecten. In het begin ging dat uitsluitend door naar een radarbeeldscherm te kijken. Dat gebeurde wel met een ‘kennersoog’ want buiten objecten die van belang zijn (vliegtuigen, schepen) is er nog veel meer te zien. Alles wat radargolven reflecteert wordt zichtbaar gemaakt en verstoort het beeld voor de waarnemer. Hierbij moet gedacht worden aan reflecties van het wateroppervlak, bebouwing, regenwolken, enzovoorts. Daarnaast zijn er interferenties met onder andere radio- en radarbronnen, geestecho’s en ruis, kortom een veelheid van informatie waardoor alleen een getrainde operator het kaf van het koren kon scheiden. Met een dergelijk complex beeld is het lastig om er automatische signaalverwerking op toe te passen. Daarvoor is het nodig dat de echo’s van belang, “de doelen”, elektronisch en automatisch onderscheiden kunnen worden van de rest van het radarsignaal. Hiervoor is een radar-video extractor ontwikkeld, een apparaat dat de doelen aan de hand van een aantal parameters detecteert uit het totale radarsignaal en daardoor de positie, en soms ook de afmetingen, van de doelen elektronisch beschikbaar maakt voor verdere verwerking zoals automatische doelvolging.
In eerste instantie werd deze techniek ontwikkeld voor het detecteren van vliegtuigen. Dat is het gemakkelijkste. De echo van een vliegtuig is bijna altijd even groot en daardoor redelijk goed te beschrijven. Die echo wordt gedefinieerd door de lengte van de zendpuls van de radar, de breedte van de bundel van de radarantenne en de rotatiesnelheid daarvan. De afmetingen van het vliegtuig spelen hierbij een te verwaarlozen rol. We spreken dan ook van ‘puntdoelen’. De eerst bekende extractor voor het detecteren van vliegtuigen werd ontwikkeld in het midden van de jaren 1960. Hiervoor werd het principe van de ‘moving window’ toegepast. Binnen een venster, dat met de afstand en omwenteling van de radar meeliep, werd een aantal overschrijdingen van een ingestelde drempel van het radarsignaal geteld en aan de hand daarvan werd vastgesteld of er een doel in het venster zat. Dit ging vrij onnauwkeurig omdat ook bij een bepaalde hoeveelheid clutter (valse echo’s) en ruis een doel werd gedetecteerd. Hierdoor werden vrij veel ‘false alarms’ gerapporteerd.
De ontwikkeling van radar-video extractie bij TNO
Midden 60’er jaren werd daarom door ing. J.(Joop) P. Kunz van het toenmalige Physisch Laboratorium RVO-TNO begonnen met het door hem ontwikkelde idee van een extractor van het type ‘detector-accumulator’. Hierbij wordt het radarsignaal van een aantal zendpulsen geïntegreerd waardoor reflecties van doelen worden versterkt. Ruis en clutter worden hierdoor afgezwakt. Deze methode bleek superieur boven de ‘moving window’ extractor. Het belangrijkste nadeel bleef dat het goed bruikbaar is voor het detecteren van puntdoelen (vliegtuigen) maar onbruikbaar is voor doelen waarvan de afmetingen groot zijn vergeleken bij de parameters van de radar (zendpulslengte en antennebundel). Het detecteren van schepen was daarmee dus nog steeds niet haalbaar.
Begin 1970 wordt echter gezocht naar een nieuwe methode om schepen automatisch te detecteren. Dit wordt ingegeven door het automatiseren van zeewaarschuwingsradars bij de Koninklijke Marine en door de komst van Side Looking Airborne Radar (SLAR) die gebruikt moet gaan worden door Rijkswaterstaat voor waarnemingen van schepen door een vliegtuig. Het idee werd geboren om een radar-video extractor te ontwikkelen die zodanig kan worden gedimensioneerd dat de output van alle typen radars kon worden verwerkt. Dit project werd opgepakt door ing. W.(Wim) F.M. van der Heijden en de heer E.(Eddy) L. Intres. Hierbij werd aan een combinatie van de moving window extractor en de detector accumulator extractor gedacht waarbij de nadelen van beide methodes worden omzeild.
Omdat de specificaties van een zeewaarschuwingsradar (groot bereik, lange zendpuls met lage herhalingsfrequentie uit een langzaam ronddraaiende antenne) voor de Koninklijke Marine, een SLAR (middelmatig bereik, middelmatige zendpuls met hoge herhalingsfrequentie uit een lineaire antenne) en een havenradar (kort bereik, korte zendpuls met hoge herhalingsfrequentie uit een snel ronddraaiende antenne) nogal uiteen lopen, werd besloten om de nieuwe extractor zo universeel mogelijk te maken. Alle parameters voor de detectie van schepen zouden volledig instelbaar moeten zijn evenals de aanpassingen aan de radar en de antenne waarop het apparaat zou moeten worden aangesloten. Uiteraard zou de extractor ook nog vliegtuigen moeten kunnen detecteren uit een luchtwaarschuwingsradar. En zo ontstond de “Automatische meetextractor met instelbare parameters”.
Precies ook in die tijd wordt een begin gemaakt met de vernieuwing van het walradarsysteem voor de haven van Rotterdam. Het oude radarsysteem was alleen geschikt voor visuele waarnemingen. De haven heeft behoefte aan automatische verwerking van radardoelen en de koppeling van de identiteit van de schepen met hun positie. Radar-video extractie is de schakel tussen de analoge radar en de digitale verwerking van gegevens. Het Gemeentelijk Havenbedrijf Rotterdam nodigde daarom marktpartijen uit voor demonstratieprojecten en één daarvan was de automatische verwerking van radardata waarbij extractietechnologie gebruikt werd. De demonstratie door een potentiële leverancier gegeven was echter teleurstellend. Het Loodswezen, op dat moment nog een onderdeel van de Koninklijke Marine en toekomstig medegebruiker van het nieuwe walradarsysteem, zette een groot aantal vraagtekens bij de uitkomsten van die demonstratie zonder direct te achterhalen waarom het niet goed functioneerde. Het Loodswezen benaderde daarvoor de experts van het Physisch Laboratorium RVO-TNO. Onderzoek toonde aan dat voor de demonstratie gebruik gemaakt was van een radarextractor van het type ‘moving window’ dat totaal ongeschikt is voor de detectie van schepen op relatief korte afstand. Het vernietigende TNO rapport maakte een eind aan deze demonstratie. Hierbij raakte dit walradarvernieuwingsproject in een impasse omdat er eigenlijk geen alternatieven voorhanden waren. Wel is door TNO aangegeven dat een nieuw idee voor radarextractie met name voor het detecteren van schepen in ontwikkeling was.
Automatische meetextractor met instelbare parameters
De extractor zoals die werd ontwikkeld was geen prototype voor een bepaalde toepassing. Door de mogelijkheid om alle parameters aan te passen aan de radar, de te detecteren doelen en de omgevingssituatie liet toe dat deze extractor kon worden ingezet bij metingen om de uiteindelijke parameters en specificaties te bepalen voor een operationeel systeem. De extractor werd in twee fasen gerealiseerd. In eerste instantie werd hij ingezet voor het detecteren van schepen op zee vanuit een vliegtuig met de SLAR die dan door het Physisch Laboratorium TNO in samenwerking met Rijkswaterstaat werd gebruikt. Omdat daarbij een antenne werd gebruikt die vast was gemonteerd aan het vliegtuig, werd de verwerking van hoekinformatie nog niet geïmplementeerd. Hoewel er een paar kinderziektes werden vastgesteld, konden schepen goed worden gedetecteerd.
De ontwikkelingen rond de vernieuwing van het Rotterdamse walradarsysteem was echter aanleiding om ook de tweede fase in gang te zetten. Het Physisch Laboratorium TNO kreeg de opdracht om in samenwerking met Hollandse Signaalapparaten BV (HSA) uit Hengelo onderzoek te doen naar de mogelijkheden van automatische radarextractie voor het toekomstige walradarsysteem. De experimentele extractor werd hierbij geschikt gemaakt voor sneldraaiende rondzoekradars voor kort bereik met hoge pulsherhalingsfrequentie. Omdat de elektronica in die tijd nog niet snel genoeg was, moest een decompressietechniek worden ontwikkeld om voldoende resolutie te halen voor een goede vaststelling van de positie, afmetingen en de ligging van grote schepen op korte afstand. Om overbelasting van een aangesloten computersysteem voor de verwerking van de doelen achter de extractor te voorkomen werd daarnaast gewerkt aan het toevoegen van een maskeringstechniek. Hierbij werd alle radarinformatie buiten de vaarweg uitgefilterd zodat uitsluitend informatie van schepen verwerkt hoefde te worden. Tenslotte werden de detectiealgoritmes verbeterd zodat radarecho’s die zich splitsen of juist aan elkaar groeien beter te detecteren waren. Om analyses uit te voeren op bepaalde doelen werd een lichtpen toegevoegd die het mogelijk maakte om een geselecteerd doel manueel te volgen en te analyseren. Dat bespaarde veel rekenwerk na afloop van een onderzoek. Na al deze aanpassingen was de extractor klaar als meetapparaat. In 1976 werden daarmee een serie proeven in het Rotterdamse havengebied uitgevoerd. De studie resulteerde in een serie aanbevelingen en de parameterspecificaties voor een operationele radar video-extractor in een havengebied.
Naar aanleiding van deze metingen heeft HSA het principe van deze door TNO ontwikkelde extractietechniek gekocht. HSA betaalde voor de exclusieve rechten van het gebruik van deze technologie fl 40.000,– zijnde de gemaakte hardwarekosten voor de bouw van de meetextractor. TNO behield wel het recht voor eigen gebruik van de meetextractor voor andere projecten. HSA heeft op dit extractieprincipe in 1979 octrooi aangevraagd en gekregen waarbij de TNO medewerkers van der Heijden (auteur) en Intres als uitvinders worden genoemd. Het nieuwe walradarsysteem voor Rotterdam is daarna door HSA gebouwd en geleverd met dit extractieprincipe. Het was in 1987 volledig operationeel.
Uiteraard is er nadien wel wat veranderd. Toen deze meetextractor werd ontwikkeld was er geen computer in staat om snel genoeg de vereiste real-time berekeningen te doen om op deze manier scheepsdoelen uit een radarsignaal te extraheren. Daarom werd er een gespecialiseerd apparaat voor ontwikkeld dat met de toenmalige techniek en aan de rand van de technische mogelijkheden als eerste in staat was om een schip automatisch uit een radarsignaal te detecteren en de informatie daarover geschikt te maken voor automatische verwerking. Vandaag de dag doet men dat met een standaard PC! Het succes van TNO zit echter in het feit dat de onderliggende methode nog steeds wereldwijd en bij verschillende fabrikanten in gebruik is voor havenradarsystemen.
De beschreven meetextractor is daarna nog voor diverse projecten ingezet, niet alleen om de parameters voor een te bouwen extractiesysteem te bepalen maar ook voor het uitvoeren van analyses aan boord van marineschepen om de operationele inzetbaarheid te verbeteren. Dat werd gedaan met professionele videorecorders die door TNO aangepast waren om het radar-videosignaal op te nemen. Vooral de aanpassing van de synchronisatie van de videokoppen was belangrijk om achteraf de radarsignalen weer realistisch te kunnen afspelen. Het opgenomen signaal kon dan herhaaldelijk worden afgespeeld en aangeboden aan de meetextractor zodat met verschillend ingestelde parameters een optimale radarpresentatie (zowel voor display als voor verwerking) werd bepaald. Sommige marineradars hebben meer radarsignalen voorhanden die met verschillende HF-ontvangers zijn verkregen. Al die signalen werden voor analyse op meer videorecorders opgenomen en aan de extractor aangeboden om de meest optimale doeldetectie te kunnen bepalen.
Met dank aan
De basis voor deze bijdrage is geschreven door Ing. W.(Wim) F.M. van der Heijden