Radar: Ontwikkelingen periode 1946 – 1965

Radarontwikkelingen periode 1946 – 1965

Direct na de oorlog (1946 – 1947)

Met medewerking van de Marine Radio Dienst onderzochten technici van het Physisch Laboratorium PTT de ‘bereikbare’ Engelse en Duitse radarsystemen in de eerste helft van 1946. Hierbij werd met name gekeken naar de mechanische constructie. Ook werd een bezoek gebracht aan de radio- en  radarmasten op het eiland Voorne. Door tussenkomst van Von Weiler kreeg het laboratorium van de Marine een defecte 10 cm  (S-band) radarset. Die werd onderzocht, hersteld en in bedrijfgenomen voor het doen van proeven. 

In de tweede helft van 1946 verzocht de Technische Staf van de Koninklijke Landmacht het Physisch Laboratorium PTT om twee beschadigde mobiele 200 MHz radarsets van het Canadese leger weer operationeel te maken. Deze AA No 3 Mk4 radar had vier Yagi-antennes die handmatig met een wiel moesten worden gedraaid. De Plan Position Indicator (PPI) werd mechanisch gekoppeld aan de radar. Microgolfcomponenten zijn op dat moment schaars en vaak alleen verkrijgbaar in de legerdump. Ondanks deze moeilijkheden slaagt het laboratorium er in de twee radar sets weer operationeel te maken.

Ontwikkeling van de lange afstands luchtwaarschuwingsradar LW-01 (1949 – ~1952)

De Koninklijke Marine gaf op 7 juni 1949 de opdracht aan de Marine Radio Dienst in Oegstgeest en het TNO Physisch Laboratorium in Den Haag om in samenwerking een lange-afstands luchtwaarschuwingsradar (LW-radar) te ontwikkelen in de 25 cm/L-band. De radar moest worden geïnstalleerd aan boord van het vliegdekschip De Ruijter en de in ontwikkeling zijnde ‘Holland’ klasse onderzeebootjagers. Het prototype van de radar moest op tijd klaar zijn voor serieproductie zodat deze LW-radar gelijktijdig met de andere radarsystemen geïnstalleerd zou kunnen worden. Op het moment van de opdracht kwam de L-band magnetron type 5J26 op de markt, een magnetron die in licentie is vervaardigd door meer fabrikanten.

De 5J26 magnetron (500-600 kW, 0.25% duty cycle, 1.2-1.4 GHz)
De 5J26 magnetron (500-600 kW, 0.25% duty cycle, 1.2-1.4 GHz)

De werkzaamheden aan de zender en ontvanger zijn uitgevoerd bij de Marine Radio Dienst, terwijl de antenneontwikkeling heeft plaatsgevonden bij het Physisch Laboratorium.
Het LW-radarsysteem moest helemaal van de grond af opgebouwd worden omdat veel componenten nog niet op de markt waren. De componenten moesten dus ontworpen en ontwikkeld worden in het laboratorium. De LW-radar ontwikkeling had ook de interesse van de luchtmacht.
Al in een vroeg stadium werd de industrie betrokken bij de ontwikkeling, wat leidde tot de productie van de LW-radar door Philips Telecommunication Industry (PTI) en Hollandse Signaalapparaten. De LW-01 radar vormde het begin van een zeer succesvolle serie LW-radars in gebruik bij de Nederlandse Marine.
 

Model van de LW-01 lange-afstand luchtwaarschuwingsradar (met dank aan A. v. Beem, Signaalmuseum)
Model van de LW-01 lange-afstand luchtwaarschuwingsradar (met dank aan A. v. Beem, Signaalmuseum)

De LW-01 radar was bedoeld voor plaatsing op twee kruizers en het vliegkampschip. De productieversie van de antenne was 11 meter breed en 4,88 meter hoog en had een gewicht van 1,45 ton. Het maximale bereik van de LW-01 radar was 259,3 km. De dode zone van de radar was 700 meter. De LW-02 met een breedte van 6.5 meter is ontwikkeld voor de nieuwe onderzeebootjagers en had een bereik van 139 km bij een hoogte van 11 km.

Hr.Ms. Zeeland, een onderzeebootjager van de ‘Holland’ klasse, met de kenmerkende zwarte LW-02 (1955 to 1979)
Hr.Ms. Zeeland, een onderzeebootjager van de ‘Holland’ klasse, met de kenmerkende zwarte LW-02 radar (1955 to 1979)

 

Magnetronontwikkeling (1953 – 1955)

Het gebrek aan microgolfcomponenten leidt ook tot de succesvolle ontwikkeling van eigen magnetrons in de periode 1953 tot 1955. Na dit succes wordt een begin gemaakt met de ontwikkeling van een afstembare magnetron met hoog vermogen. Dit zou het mogelijk maken om de zendfrequentie te wijzigen als anti-jamming maatregel. Technologisch is het project een grote uitdaging. Na enkele jaren van onderzoek is het project afgesloten toen dergeljke buizen commercieel in de handel kwamen.
 

Stealth technologiën (vanaf 1951)

Na 1950 wordt Radar R&D door Defensie toegewezen aan het LEO(K). Het Physisch Laboratorium TNO start daarop onderzoek naar anti-radartechnieken zoals de ontwikkeling van materialen die elektromagnetische golven in de radarfrequentieband absorberen. Dat kan worden beschouwd als de vroege start van stealth-technologie in Nederland.
In 1951 begint de ontwikkeling van radarabsorberend materiaal (RAM). In nauwe samenwerking met Philips wordt een materiaal ontdekt dat radar absorbeert in een brede frequentieband.
De schaarste aan microgolfmeetapparatuur leidt tot het ontwerp en de ontwikkeling van speciale systemen die van grote waarde zijn voor het meten van objecten bedekt met dit RAM. De ontwikkelde meetradar wordt ook gebruikt voor het bepalen van de radarreflectie van objecten in de vrije ruimte en boven water.
In 1958 is bij aan de Roeleveense plas te Nootdorp een meetinrichting voor radardwarsdoorsneden (radar cross-section – RCS) gemaakt. Zie: Nootdorpse radarfaciliteiten.

Observeren met radar (vanaf 1957)

De krijgsmachten dragen rond 1957 het Physisch Laboratorium TNO op om te werken aan het onderwerp “Radar observability”. Dit werd de eerste activiteit op het gebied van Radar Remote Sensing in Nederland. De krijgsmachten zijn geïnteresseerd om te weten wat een vliegtuig uitgerust met radar voor navigatie en kartering “ziet” wanneer het op lage hoogte vliegt. Voor het onderzoek zijn scheepsnavigatieradars met golflengten van 3 cm (X-band) en 8 mm (Ka-band) ingezet. Omdat er geen vliegtuigen beschikbaar waren, werden de radars op radio- en tv-torens, die in aanbouw waren, gemonteerd. Op deze manier werden met radar gem aakte plan position indicator (PPI)-beelden verkregen op een hoogte van ongeveer 100 meter. De resultaten van het project op vlak land zijn besproken met de Amerikaanse luchtmacht. Deze discussies droegen bij aan het eisenpakket voor de Navigation And Situation Awareness Radar (NASAR) van de Starfighter om laag te vliegen.

Radar remote observaties vanaf de radio- en TV-toren te Roermond (1958)
Radar remote observaties vanaf de radio- en TV-toren te Roermond in 1958

Verbeteringen aan de LW-01 radar (~1960): automatische kanalenkiezer

Het operationele gebruik aan boord van de LW-01 leidt tot een aantal suggesties voor verbetering van het radarsysteem dat het LEOK zal onderzoeken. Een ernstig probleem is de kwetsbaarheid van de LW-01 voor jamming. Eind jaren vijftig wil de Koninklijke Marine de mogelijkheden van de radar tegen elektronische tegenmaatregelen (ECM) verbeteren. Bovendien wil de Marine, indien mogelijk, een verbeterde detectie van doelen in clutter. Het LEOK moet hiervoor oplossingen ontwikkelen.
De technische uitdaging is dat een magnetron een niet-coherent karakter heeft en beperkte mogelijkheden heeft om de zendfrequentie te wijzigen. Daarom is het gebruik van het Doppler-effect voor doeldetectie niet mogelijk en zijn de mogelijkheden voor het onderdrukken van jamming beperkt. De Marine heeft echter wel een aantal speciale typen radarontvangers die de gevolgen van jamming konden onderdrukken of in ieder geval konden verminderen. Afhankelijk van de situatie kon de radaroperator schakelen tussen de verschillende ontvangers om daarmee het beste resultaat te verkrijgen met betrekking tot detectectie van doelen en het verminderen van vals alarmen.
Dit soort ontvangers waren:

  1. Een lineaire ontvanger voor de hoogste gevoeligheid onder veilige omstandigheden.
  2. Een videofrequentiefilter (VFF) om verzadiging van het radarscherm te voorkomen in het geval van continue golf (CW) aanval of storing door spot noise jamming.
  3. Een logaritmische ontvanger met een pulslengte-discriminator (PLD) om doelen in clutter te detecteren.
  4. Een Dicke Fix-ontvanger met daarachter een limiter om een hoog aantal valse alarmen te onderdrukken [“ Dicke Fix “is een techniek die speciaal is ontworpen om de ontvanger te beschermen tegen rinkelen veroorzaakt door ruis, snelle sweep of nauwe pulsstoring.]
  5. Een CCM-2-ontvanger, een combinatie van de logaritmische PLD en Dicke Fix (3 + 4), tegen de combinatie van clutter en jamming.

Door de rotatie van de antenne is het voor de radaroperator niet eenvoudig om op tijd over te schakelen naar een ontvanger met het beste resultaat. Daarom wordt de ontwikkeling van een automatische kanalenkiezer bij het LEOK besteld. De criteria voor deze automatische kanalenkiezer zijn de gevoeligheid en het aantal valse alarmen die tijdens elke 360 graden ronddraaiing van de radar (‘sweep’) worden gemeten. Het percentage vals alarmen wordt gemeten door drempels in te stellen. De ontvangers met het hoogste percentage valse alarmen worden voor die sweep uitgeschakeld. Uit de overgeleven ontvangers wordt de meest gevoelige ontvanger geselecteerd. Dit wordt bereikt door de introductie van een aantal kunstmatige echo’s die van zwak naar sterk groeien. Het aantal gedetecteerde echo’s door elk van de overgebleven ontvangers wordt geteld. De ontvanger met het hoogste aantal gedetecteerde echo’s wordt vervolgens automatisch geselecteerd als de ontvanger met het beste resultaat.
De serieproductie van deze selector bij PTI Huizen begon rond 1960.
Tevens ging de middenfrequentie van de radar omhoog van 15 MHz naar 30 MHz.

 

Aanschafondersteuning en verbeteringen aan de lange-afstand luchtwaarschuwingsradar ER438 (~1960 – 1965)

Rond 1960 schaft de Koninklijke Luchtmacht de ER438 langeafstandswaarschuwingsradar van het Franse bedrijf CSF aan. Deze L-band radar maakt geen gebruik van een magnetron als zender maar van een keten aan microgolfcomponenten. De zenderketen bestaat uit een carcinotron als frequentiebron gevolgd door een aantal microgolfversterkerbuizen (zogenaamde traveling wave tubes (TWT’s) of ‘Tube Propagation de l’Onde’ (TPO) in het Frans). Als eindtrap volgt een cross field amplifier (CFA). Een carcinotron is een frequentiegenerator waarbij de frequentie wordt bepaald door de aangelegde spanning. Een carcinotron is daardoor snel te verstemmen. Dit maakt snelle frequentieaanpassingen mogelijk en het “système écoute”. Dit laatste is een ECCM-functie. Het systeem luistert eerst om ervoor te zorgen dat de geselecteerde zendfrequentie niet wordt gejammed. Bij een gejamde frequentie wordt snel naar een andere zendfrequentie overgeschakeld.

Het LEOK werd gevraagd om te assisteren bij de aanbesteding en van de radar en bij de acceptatietest van de radar. De ER438 radar maakte deel uit van het NATO Air Defense Ground Environment (NADGE) systeem voor vroegtijdige waarschuwing.

Geopend carcinotron van CSF voor de L-band (1.000 tot 2.000 MHz)
Geopend carcinotron van CSF voor de L-band (1.000 tot 2.000 MHz)

 

De eerste trap TWT: TPO-25 (Tube Propagation de l'Onde) door CSF
De eerste trap TWT: TPO-25 (Tube Propagation de l’Onde) door CSF

 

Tweede trap TWT (1 kW) door CSF
Tweede trap TWT (1 kW) door CSF

 

Voorbeeld van een Cross-Field Amplifier (Varian-Beverly SFD 233 H)
Voorbeeld van een Cross-Field Amplifier (Varian-Beverly SFD 233 H)

Nadat de radar operationeel is geworden, ontvangt de Luchtmacht klachten van de Radiotelescoop in Dwingelo. Omdat het observatorium metingen uitvoert op een speciale frequentie in de L-band, moet het LEOK een absorberend filter ontwikkelen. In 1962 is het filter ingebouwd in de golfgeleider tussen de zender en de antenne om de radarstraling op de specifieke deep space frequentie tot een acceptabel niveau te verminderen.
Hoewel de EW438 radar is uitgerust met het “Système écoûte” blijkt de radar kwetsbaar voor breedband jamming. Daarom ontwikkelt het LEOK in 1965 aanvullende anti-jamming apparatuur. Deze wijziging bevat de volgende elementen:

  • Zijlusonderdrukker
  • Anti-jamming ontvangers
  • Automatische selector

Voor de zijlus-onderdrukker wordt gebruik gemaakt van een extra antenne. De signalen die worden ontvangen via de hoofdantenne en van de hulpantenne worden van elkaar afgetrokken. De echo’s die door de hoofdlus van de hoofdantenne worden ontvangen bleken echter te sterk om te onderdukken. Daarom moet alle clutter en jamming die via de zijlussen van de hoofdantenne worden opgevangen, worden onderdrukt. De via de hoofdlus van de radar ontvangen echo’s worden gedetecteerd.

De Thomson CSF-ER 438 zoekradar van het Air Operations and Control Station Nieuw-Milligen (AOCS). Foto 2157_071-002, NIMH-Beeldbank Defensie
De Thomson CSF-ER 438 zoekradar van het Air Operations and Control Station Nieuw-Milligen (AOCS). Foto 2157_071-002, NIMH-Beeldbank Defensie

 

Radar pulscompressie en hoger vermogen (vanaf 1963)

Op verzoek van de luchtmacht start het LEOK in 1963 een onderzoek naar pulscompressie met een mogelijke implementatie in de ER438. Er wordt een experimenteel systeem opgezet. Als zender wordt gebruik gemaakt van twee TWT’s uit de ER438, die de foto’s hierboven. De eerste heeft een uitgangsvermogen van 1 W terwijl de tweede een uitgangsvermogen van 1 kW heeft. Verder wordt gebruik gemaakt van de LW-antenne te Oegstgeest. Het pulscompressiesignaal is een tsjirp met een pulsduur van 10 µs en een lineaire frequentiemodulatie van 2 MHz. Dat resulteert in een gecomprimeerde pulsduur van 0,5 µs. Een dispergeerfilter moet worden ontwikkeld. Dat filter is gebouwd met all-pass filters bestaande uit condensatoren en inducties. Een sonische dispersieve vertragingslijn van General Electric vervangt later dit filter.

Dispergeerfilter
Dispergeerfilter

 

GE sonic dispersive delay line
GE sonic dispersive delay line: op een centerfrequentie van 30 MHz varieert de looptijd over 3 MHz lineair met de frequentie met 15 µs. Dit geeft een zogenaamd Time-Bandwidth product van 45. Een radarpuls van 15 µs met een lineaire frequentiezwaai van 3 MHz wordt daarbij gecomprimeerd tot een puls van 0,3 µs. De dispersieve ultrasonische vertragingslijn bestaat uit een aluminiumstrip, dat een dispersieve eigenschap heeft voor het ultrasone geluid. Aan begin en einde van de strip zijn transducers aangebracht om elektrische signalen om te zetten in akoestische en omgekeerd.

De behoefte van militaire zijde aan steeds grotere afstandsbereiken leidde tot steeds hogere zendvermogens. Aan het piekvermogen werden grenzen gesteld door overslagproblemen in de golfpijp. Dit werd in eerste instantie opgelost door de golfpijpen te vullen met SF6-gas. Dit resulteerde slechts tot een beperkte verbetering. Een andere mogelijkheid om het zendvermogen te vergroten is het gebruik van langere zendpulsen. Dat heeft echter nadelige gevolgen voor de afstandsresolutie van de radar, waardoor het moeilijk wordt twee dicht in afstand bij elkaar liggende objecten in dezelfde richting van elkaar te onderscheiden.
Dit is door het LEOK opgelost door een modulatie in de zendpuls aan te brengen. Bij voorbeeld door de frequentie van de zendpuls gedurende de pulsduur lineair in tijd te variëren. Bij ontvangst van een reflectie van een object wordt het signaal toegevoerd aan een dispersief filter. Dit dispersieve filter heeft de eigenschap dat de looptijd lineair varieert met de frequentie. Op deze manier wordt de lange puls gecomprimeerd tot een korte puls, waardoor dicht achter elkaar liggende doelen kunnen worden onderscheiden.

 

Controleapparaat radartoestellen (CORA)

Dit door het LEOK ontwikkelde apparaat had tot doel doelvolgradars te testen op dynamisch gedrag. Het apparaat bestond uit een molen met twee wieken. Aan het eind van iedere wiek was een transponder gemonteerd. De wieken gingen draaien en dan werd gekeken of de radar gelocked op de transponder het ronddraaiende doel bleef volgen.

 

Doppler in radar

Er ontstond de behoefte steeds verder en naar steeds kleinere doelen te kijken. Door gebruik te maken van het Dopplereffect was te voorkomen dat de kleine doelen niet te onderscheiden zouden zijn van clutter, ofwel de ongewenste rommel van omgevingsreflecties, zoals door neerslag (regen, hagel), bebouwing, bebossing en golven. Door gebruik te maken van het verschil in Dopplerfrequentie van vliegende objecten en clutter ontstaat onderscheid. In een radarclutteronderdrukker wordt hiervan gebruik gemaakt om de clutter te verzwakken waardoor de zwakke echo’s zichtbaar worden in de verzwakte clutter. Bij radars met een magnetron als zender is het gebruik van het Dopplereffect niet eenvoudig. De magnetron heeft van zendpuls tot zendpuls niet een heel stabiele frequentie met als gevolg dat de Dopplerfrequentie van puls tot puls varieert. Met een slim circuit kon echter een behoorlijke clutteronderdrukking worden gerealiseerd. 

Radarclutteronderdrukker (1965)
Kast clutteronderdrukker (1965)

Digitale verwerking radargegevens en visualisatie

Parallel hieraan werd bij het LEOK gewerkt aan digitale verwerking van radargegevens. In 1963 werd in het project Radar Informatie Verwerkende Apparatuur (RIVA) waarbij een digitale rekenaar van eigen ontwerp gebruikt. Deze verwerkte de door middel van een video-integrator verkregen radarinformatie en genereerde stuurgegevens voor de hoogteradarantenne.
Voor meer over de ontwikkelde digitale verwerking van doelinformatie en presentatie op schermen, zie Digitale Techniek: Radarbeeldverwerking.

Rekenaarkast RIVA, LEOK (1964)
Rekenaarkast RIVA, LEOK (1964)
RIVA
Geopende kasten van de RIVA

De ‘follow-up’ van het RIVA-project was het 3D-simulatorproject ten behoeve van de Koninklijke Marine (lopende van 1965 tot 1970). De 3D-simulator moest dienen voor het injecteren van gesimuleerde doelen en clutter in de in ontwikkeling zijnde 3D-radar. Zie ook: Computerhistorie: LEOK periode 1961 – 1974. De uiteindelijke 3D-radar voor de schepen van de Trompklasse fregatten van de Koninklijke Marine verenigde rond 1965 de eerdergenoemde radarfuncties van zoeken, volgen, richting-afstand-hoogte, anti-storing en Dopplerontvanger.

Bronnen
  • Radar Development in the Netherlands: 100 Years Since Hülsmeyer, van Genderen, P. (2004)
  • Radar en aanverwante onderwerpen 1954-1975: Het samenspel van marine, onderzoek en industrie, Ir. C.M.N. Belderbos CDR E bd, in “Herinneringsboek van het Korps Elektrotechnische Dienst van de Koninklijke Marine 1950-2014” (2014)