Bogie on your six!

Als jij weleens actiefilms hebt gekeken, dan heb jij onvermijdelijk wel eens in vliegtuigen of schepen een groen kleurig scherm met flikkerende punten gezien. Dit scherm waarschuwt de gebruiker of er vijanden in de buurt zijn en of ze wel niet jouw positie naderen tot in de millimeter. Erg beslissend wanneer men een gevecht moet winnen. De technologie van deze bijzondere apparaat heet “RAdio Detecting And Ranging”. Onder velen is het ook bekend als de radar. Het nut van deze technologie wordt door niemand in twijfel getrokken. Maar als jij zou vragen aan iemand hoe het eigenlijk werkt, dan zou jij niet al te verhelderende antwoorden krijgen. Wij verwelkomen jou dan ook om kennis te maken met de werkende principes achter de radar. Daarnaast zul jij kennis maken met onze op STEAM-educatie gebaseerde radarproject.

Radar: Wat is het en hoe werkt het?

Het principe van radar is eigenlijk erg simpel. Er wordt een signaal uit een apparaat verstuurd. Dat signaal wordt vervolgens teruggekaatst door een object. En uiteindelijk wordt het teruggekaatste signaal weer opgepakt door de radar. De sterkte en de tijdsduur van het weerkaatste signaal geeft informatie over de afstand, hoek en snelheid van het object. De radar is in principe een actief meetinstrument. Er moet dus eerst een signaal worden uitgezonden om weer iets binnen te krijgen. Een voorbeeld van een passief meetinstrument zijn onze ogen. Het hoeft alleen maar licht binnen te krijgen van de omgeving. Is nu elk actief meetinstrument een radar? Nee, de signalen van een radar zijn specifiek radio golven. Jij raadt het al van waar de naam komt: het werkt op dezelfde frequenties als de radio doet. Maar dat is het gekke nog niet! Het licht dat ons ogen binnenkomt is eigenlijk hetzelfde als het radiosignaal van een radar! Het zijn beide elektromagnetische signalen.

Simpele animatie van de werking van de radar

Elektromagnetische signalen

Om radarsignalen te begrijpen is het belangrijk om te weten wat elektromagnetische signalen zijn. Eigenlijk zijn er boeken toe te wijden aan deze fenomeen, maar hier geven wij er een korte uitleg ervan. Elektromagnetische signalen zoals de naam doet raden bestaan uit een elektrisch en magnetisch deel. Het kleiner en groter worden van de elektrische & magnetische velden is wat het laat bewegen door de ruimte.

           Een elektromagnetisch signaal met in het blauw de elektrische deel en in het rood de magnetische.

Vroeger kon men nooit bedenken dat het licht om ons heen en signalen van elektrische apparaten eigenlijk allemaal hetzelfde zijn. Maar uit de experimenten blijkt het tegendeel. Het verschil tussen deze 2 zit hem namelijk alleen in de golflengtes oftewel de frequenties van de signalen. Onderstaande illustreert het verschil mooi weer.

Schema met de soorten elektromagnetische stralingen

Radiogolven werken dus op veel grotere golflengtes dan lichtgolven. Namelijk tussen 1 mm en 10.000 km. de Wat elektromagnetische golven zo speciaal maakt is dat zij heel erg snel zijn (300.000 km/s) maar die snelheid is ook constant. Dat is ideaal als er metingen moeten worden gemaakt aan objecten. Wat ook erg helpt is dat elektromagnetische golven goed weerkaatsen op verschillende oppervlakken. Jij zou nu kunnen denken, waarom worden er radiogolven gebruikt als zichtbaar licht hetzelfde is? Het is namelijk wel zo dat straling met grotere golflengtes langere afstanden kan afleggen zonder dat het wordt gedempt. De golflengte van radiosignalen zijn dus optimaal voor het detecteren van objecten op verschillende afstanden. Dan rijst natuurlijk de vraag wanneer heb ik een radar die bruikbare signalen kan ontvangen?

Een werkende radar

Om een radar functioneel te maken is de eerste vraag die er gesteld moet worden waarvoor het gebruikt zal worden. Wil jij er vliegtuigen mee kunnen detecteren? Of wil jij het gebruikt voor weersverwachtingen? De radar moet dus speciaal ontwikkeld worden voor zijn toepassing. Om het radarapparaat te ontwikkelen moeten er dus naar bepaalde eigenschappen worden gekeken. De meest belangrijke eigenschappen zijn: Nauwkeurigheid, resolutie, te meten afstand en de te meten hoek.

De nauwkeurigheid van de radar bepaalt in hoeverre het meetresultaat klopt. Stel jij doet een afstandsmeting tot een vliegtuig en daaruit komt als resultaat 1500 ± 500 meter. Dan bevindt het vliegtuig zich het meest waarschijnlijk tussen 500 en 1500 meter. Als radarmetingen een hobby van jou zijn dan is dit misschien een leuk resultaat. Maar als de radar wordt gebruikt door bijvoorbeeld het leger dan is zo een meting waardeloos te noemen. Voor professionele doeleinden zou je bijvoorbeeld nauwkeurigheden van enkele meters of centimeters willen.

De resolutie van de radar bepaalt de kleinste verandering dat moet plaatsvinden om gemeten te kunnen worden. Stel de radar zou een resolutie van 2 meter hebben. Dan zouden objecten minimaal 2 meter van elkaar af moeten staan om gedetecteerd te worden. Als zij te dicht bij elkaar staan zou de radar ze dus niet kunnen onderscheiden. De radar moet dus op kleinere schalen kunnen meten. Resolutie is ook belangrijk wanneer er een beeld van een object gevormd moet worden. Stel je wilt de vorm van een containership achterhalen, dan zou bijvoorbeeld een resolutie van 1 mm onhandig zijn. De metingen zouden te veel details bevatten voor zo een groot object. Maar als het zou gaan om een mini-drone dan zou een resolutie van 1 mm veel toepasselijker zijn.

De te meten afstand en hoek bepalen ook hoe de radar in vorm en elektronica zal zijn. Om in grote afstanden bruikbare metingen te kunnen doen, moet de radar een groot vermogen hebben. Anders is het signaal dat jij teruggestuurd krijgt te zwak om te meten. De hoek waarin jij meet is een andere belangrijke factor. Als jij een heel gericht signaal wilt sturen op bijvoorbeeld 1 object. Dan heeft jouw radar een andere vorm nodig dan bijvoorbeeld als jij je hele omgeving wilt scannen.

Een laatste belangrijke eigenschap is de radar cross-section oftewel het reflecterend oppervlak. Deze behoort niet tot de radar, maar bij het te meten object zelf. Deze eigenschap bepaald in hoeverre het object te detecteren is met de radar. Want hoe meer van het signaal wordt gereflecteerd naar de radar, des te beter de meetresultaten zullen zijn. De grootte, vorm en soort materiaal van het object hebben veel effect op deze eigenschap. Een containerschip is veel makkelijker te detecteren dan een fruitvlieg. Hier speelt dus de grootte van het object een rol. De vorm van het object bepaalt in hoeverre het radiosignaal wordt gereflecteerd naar de radar. Het is makkelijk in te zien dat een plat object dat loodrecht t.o.v.  het signaal staat veel beter reflecteert dan bijvoorbeeld een bol. En als laatst bepaalt het materiaal van het object ook hoeveel er wordt gereflecteerd. Metalen staan bekend om hun hoge reflectiviteit. Zwarte verf is bijvoorbeeld bijna niet reflectief. Die absorbeert het grote deel van het elektromagnetisch signaal. Als een object dus veel van het binnenkomend signaal reflecteert naar de radar dan zeggen wij dat het object een groot reflecterend oppervlak heeft. Als het dus bijna niks reflecteert dan heeft het object een klein reflecterend oppervlak. Op basis van het reflecterend oppervlak zou er dus een geavanceerde radar nodig kunnen zijn, of juist een meer simpele radar.

Als men de bovenstaande factoren in acht neemt dan kan op basis daarvan een radar met de juiste specificaties ontwikkeld worden. Maar stel dat jij een vliegtuig moet ontwikkelen die niet mag gedetecteerd worden door radarsystemen. Dan moet ervoor gezorgd worden dat het vliegtuig een zo klein mogelijk reflecterend oppervlak heeft. Om te onderzoeken en te testen hoe zo een vliegtuig moet gemaakt worden hebben wij een start gemaakt aan ons reflecterend oppervlak STEAM-project: de RCS-platform!

Radar STEAM-project

Om de werking van de radar en het reflecterend oppervlak te demonstreren en uit leggen hebben wij als Qalbic een start gemaakt aan de RCS-platform project. Het project bestaat uit een circulair platform dat op een tafel past. Met de radar die wij hierbij hebben gemaakt kan het reflecterend oppervlak van het object op het platform worden gemeten. De radar zal dus metingen doen door 360 graden om het object te draaien. Omdat het relatief kleine objecten moet detecteren maken wij gebruik van een radar die werkt in de millimeter domein met een frequentie van 77 GHz. Door verschillende vliegtuigjes te ontwerpen kunnen de leerlingen kijken wat voor effect hun vliegtuig heeft op de radar dwarsdoorsnede. En zo kan er gewerkt worden naar een vliegtuig dat zo min mogelijk signalen reflecteert. Later volgt meer over dit project!

Reflecterend oppervlak diagram van een A-26 Invader vliegtuig