Radar: hoe radiogolven de wereld om ons heen in kaart brengen
Radar is een techniek waarmee je objecten kunt opsporen, hun afstand kunt meten en soms zelfs hun vorm kunt reconstrueren, zonder dat er licht of zicht nodig is. Het werkt in het donker, door wolken heen en zelfs door een deel van de bodem. Vergelijk het met een vleermuis die in het donker vliegt: die stoot hoge piepjes uit en luistert naar de echo's die terugkaatsen van muren, takken en insecten, en bouwt zo een geluidsbeeld van zijn omgeving op.
Radar doet in feite hetzelfde, maar dan met radiogolven in plaats van geluid. Een politieagent met een snelheidspistool is een bekend, alledaags voorbeeld: het apparaat stuurt een radiosignaal naar een auto, vangt de weerkaatsing op en berekent uit de verandering van dat signaal hoe hard de auto rijdt. Diezelfde basisidee zit achter veel geavanceerdere toepassingen, van zelfrijdende auto's tot satellieten die de aarde in kaart brengen.
Wat is het precies?
De naam radar komt van het Engelse radio detection and ranging, oftewel opsporing en afstandsbepaling met radiogolven. Een radarinstallatie zendt korte pulsen of een continue golf van radiogolven uit via een antenne. Radiogolven zijn, net als licht, een vorm van elektromagnetische straling, maar met een veel grotere golflengte, waardoor ze door regen, mist en wolken heen kunnen reizen zonder al te veel te worden verstrooid.
Wanneer die golven een object raken, zoals een vliegtuig, een auto of een regendruppel, kaatst een deel van de energie terug naar de radar. Door te meten hoeveel tijd er verstrijkt tussen het uitzenden van het signaal en het ontvangen van de echo, kan de radar de afstand tot het object berekenen. Radiogolven bewegen met de snelheid van het licht, dus zelfs een verschil van een paar miljoenste seconden zegt al iets over hoe ver iets weg is.
Naast afstand kan radar ook snelheid meten, dankzij het Doppler-effect: als een object naar de radar toe beweegt, wordt de teruggekaatste golf een beetje samengeperst, en als het object zich verwijdert, wordt de golf een beetje uitgerekt. Die verschuiving in golflengte vertelt de radar of, en hoe snel, iets nadert of zich verwijdert. Door meerdere antennes te gebruiken of de antenne te laten draaien, is bovendien te bepalen uit welke richting de echo komt.
Moderne radars gaan een stuk verder dan dit basisprincipe. Een phased array radar gebruikt een groot aantal kleine antenne-elementen die elektronisch worden aangestuurd, waardoor de radarbundel razendsnel in verschillende richtingen kan worden gestuurd zonder dat er iets fysiek hoeft te draaien. Bij synthetic aperture radar (SAR, letterlijk 'kunstmatige apertuur-radar') maakt een radar aan boord van een bewegend vliegtuig of satelliet gebruik van zijn eigen verplaatsing om, door achtereenvolgende metingen slim te combineren, een veel scherper beeld te construeren dan met één enkele antenne mogelijk zou zijn. En in de auto-industrie wordt tegenwoordig gesproken over 4D-imaging radar: radar die niet alleen afstand, richting en snelheid meet, maar ook hoogte, waardoor bijvoorbeeld een liggend wegdek beter te onderscheiden is van een obstakel.
Wat wil men ermee bereiken?
Een belangrijk doel van moderne radartoepassingen is verkeersveiligheid. Radarsensoren in auto's herkennen ander verkeer, voetgangers en obstakels, ook bij slecht zicht of in het donker, en vormen daarmee een kernonderdeel van rijhulpsystemen (ADAS) zoals automatisch remmen en adaptieve cruisecontrol, en op termijn van zelfrijdende auto's.
Weerradar heeft als doel om neerslag, onweer en extreme weersomstandigheden vroegtijdig te signaleren, zodat waarschuwingen op tijd kunnen worden gegeven en waterbeheerders en hulpdiensten zich kunnen voorbereiden. Omdat radiogolven door wolken heen dringen, kan radar iets wat het menselijk oog niet ziet: de neerslag die letterlijk uit de lucht valt, in real time volgen.
Op grotere schaal wordt radar vanuit satellieten gebruikt voor aardobservatie: het meten van bodemdaling in Nederland, het volgen van smeltende ijskappen, het schatten van de hoeveelheid biomassa in bossen, en het in kaart brengen van overstromingen. Omdat SAR-satellieten dag en nacht werken en door bewolking heen kunnen kijken, leveren ze data die optische camera's vanuit de ruimte vaak missen.
Ten slotte speelt radar een rol in ruimtevaartveiligheid: grondstations met radar volgen satellieten en ruimtepuin, zodat botsingen kunnen worden voorkomen. Dat wordt steeds belangrijker naarmate er meer satellieten in een baan om de aarde worden gebracht.
Voorbeelden uit de praktijk
De Sentinel-1-satellieten van het Europese Copernicus-programma, gelanceerd in 2014 en 2016 (met een derde satelliet die in 2024 volgde ter vervanging), gebruiken SAR om Europa systematisch te monitoren op zaken als bodembeweging, overstromingen en ijsbedekking. De data zijn vrij toegankelijk en worden onder meer gebruikt door onderzoekers en waterschappen.
Het Finse bedrijf ICEYE, opgericht in 2014, lanceerde in 2018 zijn eerste kleine SAR-satelliet en bouwde sindsdien een van de grootste commerciële SAR-constellaties ter wereld op, gericht op onder meer het monitoren van overstromingsschade en verzekeringsclaims.
Aan boord van NASA's Mars-rover Perseverance, die in 2021 op Mars landde, zit het Noorse instrument RIMFAX, een grondradar die radiogolven de Marsbodem in stuurt om de laagstructuur onder het oppervlak in kaart te brengen, op zoek naar aanwijzingen over de geologische geschiedenis van de planeet.
In Nederland houdt het KNMI met een netwerk van weerradars, waaronder installaties in De Bilt en Herwijnen, continu neerslag boven het land in de gaten; deze data vormen de basis van de bekende regenradarbeelden die veel Nederlanders via apps en de site van het KNMI raadplegen.
In de auto-industrie werken toeleveranciers als Bosch, Continental en het Israëlische Arbe Robotics aan 4D-imaging radar met een steeds hogere resolutie, bedoeld om samen met camera's en soms lidar (een vergelijkbare techniek met laserlicht) een betrouwbaarder beeld van de omgeving van een auto te geven.
Hoe ver is de techniek?
Klassieke radar is allesbehalve nieuw: het principe werd al in de jaren dertig van de vorige eeuw ontwikkeld en tijdens de Tweede Wereldoorlog op grote schaal toegepast. Weerradar en luchtverkeersradar zijn dan ook al decennialang bewezen, operationele techniek.
SAR-satellieten en automotive radar zijn eveneens volwassen technologie die al breed wordt ingezet, maar ze verbeteren nog steeds gestaag: satellieten worden kleiner en goedkoper om te lanceren, waardoor constellaties met veel satellieten mogelijk worden, en automotive radarchips winnen aan resolutie, wat nodig is om objecten fijner te kunnen onderscheiden.
Minder uitgekristalliseerd is quantumradar, een onderzoeksrichting waarbij men verstrengelde fotonen (een kwantummechanisch verschijnsel waarbij twee deeltjes onderling verbonden blijven, ongeacht de afstand) wil inzetten om radarsignalen beter te onderscheiden van ruis en storing. Onderzoekers aan onder meer de universiteit van Waterloo in Canada werken hieraan, en er waren in 2016 Chinese claims over een werkend prototype; die claims zijn in de wetenschappelijke gemeenschap met de nodige scepsis ontvangen, mede omdat onafhankelijke verificatie en gedetailleerde publicaties grotendeels ontbraken. Quantumradar moet dan ook vooralsnog als experimenteel en onbewezen worden beschouwd.
Belangrijke praktische obstakels voor radar in het algemeen blijven de kosten van hoogwaardige sensoren, de resolutie die nodig is om kleine of dichtbij elkaar staande objecten te onderscheiden, onderlinge interferentie wanneer veel radars (bijvoorbeeld van verschillende automerken) tegelijk actief zijn, en regelgeving rond het gebruik van radiofrequenties, die per land verschilt.
Wie werken eraan?
Op het gebied van aardobservatie is de European Space Agency (ESA) een centrale speler, onder meer via het Copernicus-programma dat door de Europese Unie wordt gefinancierd. In de Verenigde Staten doet NASA, via onder meer het Jet Propulsion Laboratory, vergelijkbaar werk en ontwikkelt het instrumenten voor planetaire missies zoals RIMFAX op Mars.
Nationale weerinstituten zoals het Nederlandse KNMI beheren de operationele weerradarnetwerken die voor de dagelijkse weersvoorspelling worden gebruikt. Daarnaast zijn commerciële bedrijven als het Finse ICEYE en het Amerikaanse Capella Space actief in de groeiende markt voor SAR-satellietdata.
In de auto-industrie zijn Duitse toeleveranciers als Bosch, Continental en chipmaker Infineon grote spelers, samen met gespecialiseerde radarbedrijven zoals het Israëlische Arbe Robotics. Op het snijvlak van natuurkunde en radar doet onder meer de universiteit van Waterloo in Canada fundamenteel onderzoek naar quantumradar, terwijl ook onderzoeksgroepen in China en de Verenigde Staten zich met dit onderwerp bezighouden. Kortom: de ontwikkeling van radartechnologie is verspreid over de Europese Unie, de Verenigde Staten, Canada, China, Israël en Nederland, met zowel overheidsinstanties als commerciële bedrijven en universiteiten als drijvende krachten.