PARSAX-radar bekijkt ontstaan en levensduur van waterdruppels in wolken

Geroezemoes in de foyer van het EWI-gebouw bij de Technische Universiteit Delft. Ongeveer vijftig belangstellenden zijn gekomen naar de inauguratie van de PARSAX-radar; hapjes en drankjes worden geproefd terwijl prof. dr. ir. L.P. Ligthart begint aan de openingsspeech. Vandaag, 29 oktober 2009, neemt het International Research Centre for Telecommunications and Radar (IRCTR) deze radar in gebruik. Elektronisch ontwerper Fred van der Zwan zit vanaf het begin bij het door STW gefinancierde project en verzorgt voor deze dag de publiciteit.

Wat is PARSAX?

Van der Zwan: ‘Een polarimetrische radar (zie kader) die binnen een straal van 15 km met hoge resolutie bewegende objecten kan meten. Deze rader stuurt twee verschillende signalen uit die na reflectie worden bemonsterd en doorgerekend. Deze radar levert een veel hogere resolutie op dan doorsnee radarsystemen, en dankzij die hoge resolutie kan PARSAX kleine deeltjes, zoals waterdruppels in wolken bestuderen. Hiermee kunnen onderzoekers het ontstaan en de levensduur van waterdruppels in een wolk volgen. Zo wordt het mogelijk de wolk in detail te volgen en dus te bestuderen hoe deze ontstaat en verdwijnt. De bestaande waarnemingstechnieken voor onderzoek aan de atmosfeer kennen zo’n nauwkeurigheid niet. Wolken spelen een belangrijke rol in onze atmosfeer maar zijn tot op heden nauwelijks te vangen in de modellen die klimaatonderzoekers gebruiken. We verwachten dat de waarnemingen met PARSAX, die de komende vijftien jaar in bedrijf moet zijn als onderzoeksfaciliteit, daar verandering in brengen.’

Is PARSAX nieuw?

‘Hij is nieuw. Eigenlijk is het de opvolger van de DARR (Delft Atmospheric Research Radar), die hier al sinds 1978 in bedrijf was. Die was inmiddels sterk verouderd dus schreven we een projectvoorstel voor PARSAX. Daarin konden we onze eisen beschrijven: de radar moest twee golfvormen tegelijkertijd kunnen uitzenden. De scatteringmatrix moet in één frequentiezwaai gemeten kunnen worden, alles met het doel om het object beter te kunnen beschrijven. Vervolgens zochten we partners bij het project. Zoals bij elk STW-project zijn dat bedrijven die een belang hebben in het onderwerp, hier zijn dat Thales, het KNMI, Wageningen Universiteit en TNO.’

Welk belang hebben die partners?

Van der Zwan: ‘Het KNMI en Wageningen Universiteit zijn geïnteresseerd in de bestudering van wolken en de hoeveelheid regen die ter plekke valt. Doordat PARSAX het ontstaan van waterdruppels in wolken - en daarmee dus het ontstaan van wolken - van begin tot eind kan volgen, kunnen we gaan zoeken welke rol wolken spelen in de algehele klimaatverandering die nu aan de gang is. We weten dat wolken daar belangrijk in zijn, maar nog niet alles van die wolk is bekend. Met de data uit PARSAX hopen we een tipje van de sluier op te lichten.’

Albert Huizing, senior research scientist op het gebied van radar bij TNO en als zodanig lid van de gebruikerscommissie in het project, schuift aan bij ons tafeltje. Waarom TNO bij dit project?
Huizing: ‘Wij zijn altijd op zoek naar innovatieve techniek op radargebied en daar past dit project prima in. Een radarsysteem met zowel flexibiliteit als de mogelijkheid van digitale processing betekent een grote stap vooruit.
Daarnaast is kennisuitwisseling tussen universiteit en bedrijfsleven voor ons belangrijk. Dat ging uitstekend: alle partijen hebben in een open sfeer van gedachten kunnen wisselen, en er is een goed resultaat geboekt. Nu kunnen we door naar vervolgonderzoek.’

Wilt u daarin iets specifieks verbeterd zien?

Huizing: ‘Een optie voor de opvolgers van PARSAX is, dat ze kleiner kunnen worden. Dan kunnen ze gebruikt worden op zee om bijvoorbeeld, in het kader van de nationale veiligheid, laagvliegende vliegtuigjes en helikopters op te sporen. Op land zouden dit soort kleinere antennes in een netwerk opgesteld kunnen worden. Daarmee zou je ’s nachts kunnen zien of er mensen langs een muur lopen, of achter struiken staan. Toepassingen in de beveiliging dus.’

Het dak op

Intussen zijn de presentaties van de onderzoekers afgelopen en mogen we het dak op. Op de bovenste verdieping van het EWI gebouw voert een trapje ons naar de plek waar de radarinstallatie staat. Bovenop het gebouw is het vrijwel windstil met een fantastisch uitzicht naar alle kanten, al is het behoorlijk bewolkt. Van der Zwan wijst naar de hoge schoorstenen op de Maasvlakte: ‘Daarboven zie je de wolken ontstaan door condensatie op de uitgestoten deeltjes.’

Wat zag u als hoogtepunt binnen het project?

‘Erg leuk was de internationale samenwerking. We hebben connecties met Russische en Chinese universiteiten en die sturen ons hun toponderzoekers. Zo krijg je hier een groep mensen met sterk verschillende achtergrond die toch heel goed met elkaar omgaan. Het is een hechte club geworden.
Ook bijzonder vond ik dat onze simulaties en de echte metingen zo dicht bij elkaar lagen. We kunnen zo bij een defect een component met dezelfde eigenschappen moeiteloos vervangen.

En de toekomst?

‘Als het vervolgproject gehonoreerd wordt, richten we ons op twee dingen. Eerst klimaatonderzoek, waar we nu al mee bezig zijn. Daarnaast kijken we naar de mogelijkheid voor een netwerk van PARSAX radars voor beveiliging. Dan denk ik aan hulpverlening op zee. Bij storm bijvoorbeeld, de detectie en classificatie van rubberbootjes. Zoals Huizing al zei, bootjes opsporen die verdwaald raken, maar wat ook zou kunnen is mensen vinden die een speciaal voor PARSAX herkenbaar gemaakt zwemvest dragen, die overboord gespoeld zijn. Ook gaan we kijken naar toepassingen voor beveiliging op land. Er is nog genoeg te doen.’

*PARSAX: Polarimetric Agile Radar in S- And X-band

Polarimetrie is de afhankelijkheid van de polarisatie-eigenschappen van het gereflecteerde veld bij gegeven polarisatiekenmerken van het op een object invallend veld

In het PARSAX project wordt radarpolarimetrie gebruikt voor doelclassificatie en voor contrastverbetering, wat inhoudt dat een doel beter onderscheiden kan worden ten opzichte van de achtergrond waarin dat doel zich bevindt. Dit geldt zowel voor door de mens gemaakte doelen als voor natuurlijke doelen. Een voorbeeld is de detectie van kleine boten tegen de achtergrond van reflecties van de zee. In dit geval moeten de reflecties van de natuurlijke omgeving (zee) onderdrukt worden terwijl het omgekeerde ook plaats kan vinden, namelijk dat de reflectie van natuurlijke objecten gemeten moet worden en andere doelen moeten worden onderdrukt. Zo kunnen in het geval van metingen aan wolken, reflecties van gebouwen onderdrukken die de meting zeer nadelig beïnvloeden. Deze nadelige bijdrage kan geminimaliseerd worden door een juiste polarimetrische beschrijving van zowel de clutter als de wolkensignatuur. In beide applicaties zijn metingen aan de signatuur van zowel door de mens gemaakte objecten als natuurlijke objecten vereist. Met de PARSAX radar is in dit project real-time data verzameld en zijn modellen en signaal- en processsing-algoritmes geïmplementeerd en getest.*