Passieve radarontvanger: hoe je vliegtuigen opspoort zonder zelf te zenden
Stel je voor dat je in een donkere kamer wilt weten of er iemand rondloopt, maar je mag zelf geen zaklamp aandoen omdat je niet gezien wilt worden. Wat je dan kunt doen, is luisteren naar het licht dat al in de kamer aanwezig is – bijvoorbeeld het schijnsel van straatlantaarns door het raam – en kijken naar de schaduwen die dat licht op de muur werpt. Een passieve radarontvanger doet iets vergelijkbaars, maar dan met radiogolven in plaats van licht.
Een gewone radar zendt zelf een radiosignaal uit en luistert naar de echo die terugkomt van een vliegtuig, schip of ander object. Een passieve radarontvanger zendt niets uit. In plaats daarvan maakt hij gebruik van radiosignalen die toch al door de lucht vliegen, zoals fm-radio, digitale televisie-uitzendingen (dvb-t) of signalen van mobiele netwerken. Door te vergelijken hoe zo'n signaal rechtstreeks van de zender binnenkomt met hoe het binnenkomt nádat het van een vliegtuig heeft weerkaatst, kan het systeem toch positie en snelheid van dat vliegtuig berekenen. Zonder zelf ooit een signaal de lucht in te sturen.
Wat is het precies?
Een passieve radarontvanger bestaat, anders dan klassieke radar, niet uit een zender en ontvanger in één opstelling, maar alleen uit ontvangende antennes en rekenapparatuur. Vakmensen noemen dit ook wel passive coherent location (PCL), letterlijk 'passieve coherente plaatsbepaling'. De bestaande radiozenders die het systeem gebruikt – een fm-zendmast, een dvb-t-toren, soms zelfs een gsm- of wifi-antenne – worden 'illuminators of opportunity' genoemd: gelegenheidszenders die toevallig al het gebied 'verlichten' met radiogolven.
Het systeem gebruikt twee soorten ontvangstkanalen. Het referentiekanaal vangt het rechtstreekse signaal op, zoals dat direct van de zendmast komt. Het surveillancekanaal richt zich op de rest van de lucht en vangt zwakke, vervormde echo's op die zijn weerkaatst tegen vliegtuigen, drones of andere objecten. Door beide signalen met elkaar te vergelijken, kan de computer het tijdsverschil tussen het directe en het weerkaatste signaal berekenen. Dat tijdsverschil vertelt iets over de afstand tot het object, terwijl een lichte verschuiving in de frequentie – het dopplereffect, hetzelfde effect dat een claxon van een voorbijrijdende auto anders laat klinken – de snelheid van het object verraadt.
Deze berekening heet een kruiscorrelatie of, technischer, de cross-ambiguity function. Het is rekenintensief werk: het systeem moet voortdurend miljoenen mogelijke combinaties van tijdsverschil en dopplerverschuiving doorrekenen om de zwakke echo tussen alle ruis en storing te herkennen. Pas met de komst van snelle digitale signaalverwerking en krachtige processoren, vanaf de jaren negentig, werd dit praktisch haalbaar.
Omdat er meerdere zendmasten tegelijk gebruikt kunnen worden, spreekt men vaak van multistatische radar: de ene zender 'verlicht' het doel, terwijl meerdere ontvangers op verschillende plekken naar de echo's luisteren. Door de metingen van al die ontvangers te combineren, ontstaat een vrij nauwkeurig beeld van positie en koers van een object, ook al heeft geen van de ontvangers zelf een signaal uitgezonden.
Wat wil men ermee bereiken?
Het grootste voordeel van een passieve radarontvanger is dat hij onzichtbaar blijft voor de tegenpartij. Een klassieke radar verraadt zijn eigen positie zodra hij een signaal uitzendt: vijandelijke systemen kunnen die uitzending oppikken, de locatie peilen en de radar vervolgens uitschakelen of storen. Een passieve ontvanger zendt niets uit, dus is er simpelweg niets te peilen. Voor militaire toepassingen is dat aantrekkelijk: je kunt luchtruim in de gaten houden zonder je eigen aanwezigheid prijs te geven.
Een tweede belofte betreft stealth-technologie. Vliegtuigen die zijn ontworpen om onzichtbaar te zijn voor radar, zijn dat meestal alleen voor de specifieke, hoge frequenties die militaire gevechtsradars gebruiken. Fm-radiogolven hebben een veel lagere frequentie en een andere golflengte, waardoor de stealth-vormgeving van een vliegtuig daar minder goed tegen is geoptimaliseerd. In theorie zou een passieve radar die fm- of tv-signalen gebruikt dus gevoeliger kunnen zijn voor bepaalde stealth-vliegtuigen dan klassieke radar. Dit idee wordt vaak genoemd, maar de praktische effectiviteit ervan tegen moderne stealth-ontwerpen is publiekelijk niet goed gedocumenteerd en wordt door onafhankelijke experts met de nodige scepsis bekeken.
Daarnaast is er een economisch en praktisch argument: omdat er geen eigen zender nodig is, zijn passieve systemen vaak goedkoper te bouwen en te onderhouden, gebruiken ze geen extra radiospectrum, en zijn ze eenvoudiger op te stellen op plekken waar zenden niet gewenst of toegestaan is, zoals dicht bij burgerluchtvaart of in dichtbevolkt gebied.
Voorbeelden uit de praktijk
Het idee is niet nieuw. Al tijdens de Tweede Wereldoorlog bouwde Duitsland het Klein Heidelberg-systeem, dat de radaruitzendingen van de Britse Chain Home-radarketen 'meeluisterde' om geallieerde vliegtuigen te detecteren zonder zelf een signaal uit te zenden dat de Britten konden opsporen.
De moderne ontwikkeling begon in de jaren negentig. Lockheed Martin presenteerde in 1998 het Silent Sentry-systeem, dat fm-radiozenders gebruikte om vliegtuigen te volgen en gold als een van de eerste serieuze demonstraties van moderne passieve radar.
Het Tsjechische bedrijf ERA (tegenwoordig onderdeel van het Franse Thales) ontwikkelde de Věra-systemen en later VERA-NG, passieve surveillancesystemen die door meerdere Europese landen zijn aangeschaft voor luchtruimbewaking.
Het Duitse Hensoldt bracht het Twinvis-systeem op de markt, dat gebruikmaakt van bestaande fm- en dvb-t-uitzendingen om zowel civiele luchtvaart als militaire doelen te volgen, en wordt onder meer ingezet voor de bescherming van kwetsbare locaties.
In het Verenigd Koninkrijk ontwikkelde het bedrijf Aveillant (later overgenomen door Thales) 'holografische radar', een vorm van passieve/laagvermogen radartechniek die specifiek werd ingezet om kleine, langzame drones rond luchthavens te detecteren, een groeiend probleem sinds verstoringen door drones op Britse luchthavens in de late jaren 2010.
Hoe ver is de techniek?
Passieve radar is inmiddels geen laboratoriumcuriositeit meer, maar wordt operationeel ingezet, vooral voor luchtruimbewaking en drone-detectie rond gevoelige locaties zoals luchthavens en evenementen. Toch blijft het een nichetechnologie naast klassieke, actieve radar, en geen vervanging ervoor.
De grootste technische hobbels zitten in de signaalverwerking. Het directe signaal van de zendmast is vaak vele malen sterker dan de zwakke echo die van een vliegtuig terugkomt, soms een verschil van tientallen tot honderd decibel. Al die 'ruis' moet worden weggefilterd zonder de zwakke echo mee weg te filteren, wat voortdurend geavanceerdere algoritmes en rekenkracht vergt.
Een andere beperking is dat het systeem afhankelijk is van zenders die het zelf niet in de hand heeft: als een fm-zendmast wordt uitgeschakeld voor onderhoud, of als de digitale omroep overstapt op een ander signaaltype, verandert de dekking van het passieve radarsysteem mee. Ook is de nauwkeurigheid ongelijk verdeeld over het gebied: vlak bij een zendmast is de dekking goed, verder weg of in een 'schaduw' van heuvels of gebouwen juist slecht.
Voor detectie van kleine, langzame objecten zoals drones is er de afgelopen jaren duidelijke vooruitgang geboekt, mede dankzij de brede beschikbaarheid van dvb-t-signalen die zich daar goed voor lenen. Voor de meer ambitieuze belofte – het betrouwbaar opsporen van geavanceerde stealth-gevechtsvliegtuigen – bestaat vooralsnog geen publiek beschikbaar, onafhankelijk geverifieerd bewijs dat dit in de praktijk net zo goed werkt als vaak wordt gesuggereerd.
Wie werken eraan?
In Europa zijn Thales (Frankrijk, met de voormalige Tsjechische ERA-technologie) en Hensoldt (Duitsland) de bekendste fabrikanten van operationele passieve radarsystemen. Onderzoeksinstituut Fraunhofer FHR in Duitsland doet al jaren fundamenteel onderzoek naar passive coherent location en multistatische radartechniek. Ook aan diverse Europese universiteiten, waaronder de Technische Universiteit Warschau in Polen en Nederlandse groepen zoals die van de TU Delft, wordt onderzoek gedaan naar signaalverwerkingstechnieken voor passieve radar.
Daarnaast investeren defensieorganisaties in verschillende landen, waaronder de Verenigde Staten, China en Rusland, in eigen onderzoeksprogramma's naar passieve en multistatische detectiesystemen, deels gemotiveerd door de wens stealth-technologie van tegenstanders te kunnen ondervangen. Publiek beschikbare informatie over deze programma's is doorgaans beperkt, omdat het een gevoelig militair onderzoeksterrein betreft.