De imec-reeks 10’ Tech werd speciaal ontwikkeld voor iedereen die een woordje wil kunnen meespreken over de grote technologische innovaties van de 21ste eeuw. In elk artikel worden de geheimen ontrafeld van één spitstechnologie die het leven van elke dag beïnvloedt. Zowel de werking van die technologie, (mogelijke) toepassingsgebieden, het ontstaan ervan, en toekomstige ontwikkelingen komen kort aan bod.
Quizvraag: in 1945 slaagden de Amerikanen erin met de bommen op de Japanse steden Hiroshima en Nagasaki de Tweede Wereldoorlog te beëindigen. Maar welke technologie stelde de geallieerden in staat de oorlog te winnen?
Antwoord: radartechnologie. Radar is de afkorting van ‘RAdio Detection And Ranging’. De technologie maakt gebruik van radiogolven om – zelfs in het donker en bij slechte weersomstandigheden – objecten vanop afstand te lokaliseren. Op die manier bepaalde radar mee de (af)loop van de Tweede Wereldoorlog. De technologie hielp Groot-Brittannië bijvoorbeeld om de Duitse Luftwaffe van zich af te slaan tijdens de Slag om Engeland – de strijd die in 1940 in het Britse luchtruim werd uitgevochten.
Vandaag is radar nog steeds immens populair. Het gereputeerde Time Magazine zette de technologie onlangs zelfs op gelijke hoogte met uitvindingen zoals de computer, bemande ruimtevaart en plastiek. Radar is dan ook heel nauw met ons dagelijks leven verweven. Zo is het een bouwsteen van de geavanceerde rijhulpsystemen in onze auto’s. De technologie zorgt er ook voor dat robots en andere autonome toestellen voldoende afstand houden van elkaar, en van de mensen in hun omgeving. En in de (nabije) toekomst zullen we dankzij radar op een heel nieuwe manier kunnen interageren met onze smartphones en allerlei sensoren op en rondom ons.
Dit artikel is gebaseerd op een meer technische presentatie die werd gegeven tijdens een recente Wireless Community-workshop.
De Wireless Community werd opgericht vanuit de vaststelling dat draadloze technologie zo snel evolueert dat het onbegonnen werk is voor één persoon of organisatie om alle trends en doorbraken van nabij op te volgen. Kennis delen is dus de boodschap, en daar speelt de Wireless Community graag op in.
Het initiatief verenigt enkele honderden experts uit de Vlaamse industrie en de academische wereld. Tijdens workshops delen ze informatie door middel van presentaties en demonstraties, en kan de basis worden gelegd voor gezamenlijke R&D-projecten.
Interesse om deel uit te maken van de Wireless Community? Meer info vind je op https://www.wirelesscommunity.be/, of neem contact op via wireless-community@imec.be.
Radar: de technologie waarop Adolf Hitler zijn tanden stuk beet
De uitvinding en verfijning van radartechnologie is niet zomaar de verdienste van één land of wetenschapper. Het is hét voorbeeld bij uitstek van hoe onderzoekers op elkaars werk voortbouwen om uiteindelijk een doorbraak te kunnen realiseren.
De theoretische basis werd in 1865 gelegd door de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell. Uit zijn zogenaamde Maxwellvergelijkingen kon hij afleiden dat elektromagnetische velden zich als golven door de ruimte voortbewegen. Het bestaan van die elektromagnetische golven werd in 1886 ook effectief aangetoond door de Duitser Heinrich Hertz.
Met die bevindingen ging uitvinder Nikola Tesla aan de slag. Hij suggereerde dat de weerkaatsing van elektromagnetische golven gebruikt zou kunnen worden voor het opsporen van bewegende (metalen) voorwerpen.
In 1904 werd een octrooi verleend aan de Duitse ingenieur Christian Hülsmeyer voor zijn telemobiloscoop: een toestel dat radiogolven uitzond en de reflectie ervan weer opving. In mei 1904 gaf hij een eerste demonstratie van zijn apparaat op een brug in Keulen, waarbij hij erin slaagde om schepen tot op een afstand van 3 kilometer te detecteren. Het gebrek aan nauwkeurigheid speelde de technologie echter parten; de telemobiloscoop stierf al snel een stille dood.
Figuur-1: Patenttekeningen van de telemobiloscoop uit 1904. Bron: radarworld.org
Midden jaren ‘30 kwam radartechnologie echter opnieuw in de schijnwerpers te staan. Robert Watson-Watt ontwikkelde een manier om – door middel van radiogolven – vliegtuigen vanop afstand te detecteren. Zijn werk lag aan de basis van het uitgebreide netwerk van ‘Radio Direction Finding’ stations dat in 1939 door Groot-Brittannië werd uitgerold, en waarop Nazi-Duitsland een jaar later zijn tanden zou stukbijten tijdens de Slag om Engeland. De moderne radar was geboren en bleek onmiddellijk een gamechanger.
Figuur-2: Volgens Time Magazine is radartechnologie (op plaats 11) één van de belangrijkste uitvindingen van de 20ste eeuw.
Automotive radar: de eerste commerciële toepassing
Jarenlang waren radarsystemen voorbehouden voor militaire doeleinden. Dat veranderde echter in de jaren ‘60 en ‘70, toen de automobielindustrie interesse begon te tonen in de technologie.
Figuur-3: Een 10 GHz automotive radarsysteem uit het begin van de jaren ’70. Radarinstallaties namen toen nog zoveel plaats in dat ze op het dak van auto’s werden gemonteerd. Bron: Holger H. Meinel.
Opvallend is dat autobouwers er initieel voor kozen om radarsystemen te monteren aan de achterzijde van hun wagens. Dat werd, om evidente redenen, niet meteen een succes. Het is pas in een volgende stap dat ze (grote en onhandige) radarinstallaties voor op het dak ontwierpen – om zo aankomende obstakels te kunnen detecteren.
Hoe werkt radar?
Als kind vonden we het allemaal te gek om luid te roepen in een tunnel. Het geluid wordt immers weerkaatst, en komt terug als een echo.
Eigenlijk werkt radartechnologie op een erg gelijkaardige manier; ze maakt echter geen gebruik van geluid, maar wel van elektromagnetische energiepulsen, of radiogolven. Die energie wordt uitgezonden naar – en weerkaatst door – reflecterende objecten, waarna een deel van de energie terugkeert naar het radarsysteem. Net zoals in ons tunnelvoorbeeld wordt dat een ‘echo’ genoemd.
Wat rest, is eenvoudige fysica. Als we weten hoe snel die elektromagnetische pulsen zich door de lucht voortbewegen en hoeveel tijd er verstrijkt tussen het uitsturen van de pulsen en het opvangen van de echo ervan (de zogenaamde ‘time of flight’ van het radarsignaal), dan kunnen we niet alleen de richting maar ook de afstand van objecten bepalen.
Toch was het voor de eerste grote commerciële implementatie van die zogenaamde automotive radar nog wachten tot begin jaren ‘90, toen maar liefst 1.500 Greyhound-bussen in de VS met radar werden uitgerust. Wat bleek: het aantal ongevallen verminderde met ruim 20 procent[1].
[1] Hearings before the Subcommittee on Surface Transportation of the Committee on Public Works & Transportation, US House of Representatives, 1994
Figuur-4: VORAD-radar (24 GHz) geïnstalleerd aan de voorzijde van een Greyhound bus. Bron: W. Menzel
De technologie had haar potentieel bewezen. Ze zou spoedig haar weg vinden in de geavanceerde rijhulpsystemen van (exclusieve) personenwagens.
Radartechnologie anno 2022: een goedkope(re), siliciumchip-gebaseerde sensor
Het voorbije decennium hebben radarsystemen een ware metamorfose ondergaan. Het zijn niet langer dure, grote en energieverslindende installaties die op het dak van een auto moeten worden gemonteerd.
Dat heeft alles te maken met het feit dat radartechnologie vandaag beschikbaar is als een siliciumchip-gebaseerde sensor die relatief goedkoop en in grote volumes geproduceerd kan worden – en waarvan ook de energie-efficiëntie enorm verbeterd is. Daardoor kan de technologie quasi overal worden ingebouwd: van drones en robots tot smartphones en slimme luidsprekers.
Figuur-5: Radartechnologie is vandaag beschikbaar als een siliciumchip-gebaseerde sensor. Bron: imec
Qua functionaliteit heeft radar eveneens een hele evolutie doorgemaakt. In tegenstelling tot de eerste systemen, konden latere versies ons al gauw iets vertellen over de hoogte, koers en snelheid van aankomende objecten. En vandaag wordt zwaar ingezet op de koppeling met artificiële intelligentie – zodat een radarsysteem in essentie een intelligent systeem wordt dat objecten classificeert en zo bijvoorbeeld het onderscheid kan maken tussen voetgangers, fietsers, auto’s en (verschillende types) drones.
De snelheid van objecten berekenen dankzij het dopplereffect
Om de snelheid van objecten te meten, maakt radar gebruik van het zogenaamde dopplereffect. Het is het dopplereffect dat de verandering van de golflengte van geluid of licht verklaart naarmate de afstand tot de bron ervan groter of kleiner wordt.
Een praktisch voorbeeld: wanneer een ziekenwagen met loeiende sirene in aantocht is, hoor je een hoge toon. Maar eens hij voorbij is, neemt de toonhoogte af. Dat ligt uiteraard niet aan de sirene, want die loeit continu op dezelfde toonhoogte.
Het verschil zit hem in de beweging van de ziekenwagen: naarmate de afstand tussen jezelf en de ziekenwagen kleiner wordt, wordt ook de golflengte kleiner en hoor je een hogere toon. Maar anderzijds wordt de golflengte groter als de afstand opnieuw toeneemt (de ziekenwagen rijdt voorbij). Dan hoor je een lagere toon.
Radiogolven zijn onderhevig aan datzelfde effect. Door het verschil in golflengte van een bewegend object nauwkeurig te meten, kan een radarsysteem de snelheid ervan berekenen.
In tegenstelling tot cameratechnologie werkt radar ook als het donker is, en bij minder gunstige weersomstandigheden zoals felle zon, regen, hagel, sneeuw of dichte mist. Anno 2022 is – en blijft – radar dan ook een belangrijke bouwsteen van de rijhulpsystemen in onze auto’s. Concrete toepassingen ervan zijn systemen voor dodehoekwaarschuwing, voetgangersdetectie en adaptieve cruisecontrol.
Maar radar kan nog veel meer, zoals tellen hoeveel mensen zich in een bepaalde ruimte bevinden, signaleren of iemand gevallen is, of handgebaren herkennen. We vinden de technologie zelfs terug in de slimme halsbanden van huisdieren, om bijvoorbeeld de ademhaling en hartslag van onze trouwe viervoeters te meten.
De toekomst: een verhaal van hogere frequenties, sensorfusie en structurele elektronica
Radartechnologie heeft – letterlijk en figuurlijk – al een hele weg afgelegd, maar toch is het verhaal ervan verre van geschreven. Er wordt immers volop naar manieren gezocht om radarsystemen nog kleiner, krachtiger, energiezuiniger en intelligenter te maken.
Het gebruik van steeds hogere frequenties speelt daarbij een sleutelrol. Hogere frequenties laten toe om een radarsysteem kleiner te maken (zonder aan resolutie in te boeten), of de resolutie ervan te verbeteren (bij een constante grootte van het systeem).
Dat proces is al een aantal decennia gaande. Zo werd midden jaren ‘70 de frequentie van radarsystemen verhoogd van 10 GHz naar 34 en 50 GHz. In de jaren ’90 volgde dan de introductie van de 60, 77 en 94 GHz-systemen, waardoor de precisie van radar gevoelig verbeterde – zowel op korte als op langere afstand. En momenteel wordt het pad bewandeld van 140 GHz radar om de technologie verder te verfijnen en de toepassingsmogelijkheden ervan te vergroten.
140 GHz radar is bijvoorbeeld uitermate geschikt om de vitale levensfuncties te monitoren van autobestuurders of patiënten in rust- en verzorgingstehuizen, of om toestellen zoals smartwatches of VR-brillen met behulp van handgebaren te kunnen aansturen.
Figuur-6: Sensorfusie in de automobielindustrie. Bron: imec
Ook door de outputs van sensorsystemen te combineren, kan de nauwkeurigheid ervan verbeterd worden. Dat is de basis van sensorfusie. Vooral in de automobielindustrie bestaat daarvoor vandaag al veel interesse. En dat is niet toevallig, want recent onderzoek heeft aangetoond dat rijhulpsystemen die gebruik maken van sensorfusie er effectief in slagen om zwakke weggebruikers nog nauwkeuriger in kaart te brengen.
Figuur-7: Experimenten met structurele elektronica. Bron: imec
En ten slotte wordt ook verder werk gemaakt van een betere (onopvallende) integratie van radarsystemen, niet alleen in autobumpers maar bijvoorbeeld ook in koplampen en motorkappen. Daarvoor wordt geëxperimenteerd met structurele (geprinte) elektronica – zoals radarantennes die integraal deel uitmaken van kunststofstructuren, of geprint worden op dunne, lichtgewicht en flexibele substraten; een innovatie die zowel de (radar)prestaties als het oog ten goede komt.
Het staat nu al vast dat we de volgende jaren nog veel van radar zullen horen!
