Кіріспе
Метеорологиялық аспап Содар - ауа райының атмосфералық турбуленттілігі салдарынан дыбыс толқынының шашырауына негізделген жел профилін анықтау үшін қолданылатын метеорологиялық аспап. Содар құрылғысы жер бетінен әр түрлі биіктікте желдің жылдамдығын және атмосфераның төменгі қабатының термодинамикалық құрылымын өлшеу үшін қолданылады. Содар жүйелері судағы емес, ауадағы сонар жүйелері ғана. Нақтырақ айтқанда, олар желдің жылдамдығын анықтау үшін көп сәулелі конфигурациямен Допплер эффектісін пайдалана отырып жұмыс істейтіндіктен, олар ауада акустикалық Допплер тогы профильдеушілері (ADCP) деп аталатын сонар жүйелерінің кіші класына дәл тең. Содар жүйелеріне қолданылатын басқа атаулар: сондар, эхосондар және акустикалық радар.
Sodar, an acronym of sonic detection and ranging, is a meteorological instrument used as a wind profiler based on the scattering of sound waves by atmospheric turbulence. Sodar equipment is used to measure wind speed at various heights above the ground, and the thermodynamic structure of the lower layer of the atmosphere. Sodar systems are in fact nothing more than sonar systems used in the air rather than in water. More specifically, since they operate using the Doppler effect with a multi beam configuration to determine wind speed, they are the exact in air equivalent to a subclass of sonar systems known as acoustic Doppler current profilers (ADCP). Other names used for sodar systems include sounder, echosounder and acoustic radar.
Допплер содары
Жоғары ауадағы желдің өлшемін жинау үшін пайдаланылатын коммерциялық содарлар акустикалық сигналдарды беретін және қабылдайтын антенналардан тұрады. Моностатикалық жүйеде хабарды тарату және қабылдау үшін бір ғана антенна қолданылады, ал бистатикалық жүйеде бөлек антенналар қолданылады. Екі антенна жүйесінің айырмашылығы атмосфералық шашыраудың температураның ауытқуымен (моностатикалық жүйелерде) немесе температура мен жел жылдамдығының ауытқуымен (бистатикалық жүйелерде) байланысты екенін анықтайды. Моностатикалық антенна жүйелерін екі топқа бөлуге болады: бірнеше осьті жеке антенналарды қолданатын және бір фазалы массивті антеннаны қолданатын. Көп осьті жүйелер әдетте дыбыстық сәулелерді бағыттау үшін белгілі бір бағытта бағытталған үш жеке антеннаны қолданады. Жел жылдамдығын бағалауда үш тәуелсіз (яғни, коллинейлік емес) осьтерді пайдалану жел жылдамдығының үш компонентін алу үшін жеткілікті, бірақ көбірек осьтерді пайдалану шамадан тысдықты және шудың беріктілігін арттырады, ең аз квадраттарды қолдану арқылы. Бір антенна әдетте тік бағытта, ал қалған екеуі тік жағынан ортогональ бұрышпен сәл еңкейген. Әр жеке антенна параболалық дыбыс беруші құрайтын параболалық шағылыстырғышқа бағытталған бір ғана трансформаторды немесе бір сәуле құрайтын фазалық түрде таратылатын динамик драйверлері мен мүйіздер (трансдукторлар) массивін пайдалана алады. Әрбір антеннаның тік бұрышы мен азимут бұрышы жүйе орнатылған кезде бекітіледі. Фазалы массивтік антенна жүйелері дыбыс беруші драйверлері мен мүйіздер (трансдукторлар) бір массивті пайдаланады, ал сәулелер трансформаторларды тиісті түрде фазалау арқылы электрондық түрде басқарылады. Фазалы массивті антеннаны орнату үшін массивтің бағыттау бағыты өндіруші көрсеткендей тегіс немесе бағдарланған болуы тиіс. Жел жылдамдығының көлденең компоненттері радиалды өлшенген Допплер ауысуынан және тік жағынан көрсетілген еңіс бұрышынан есептеледі. Бұрыштық бұрыш, немесе зенит бұрышы, әдетте 15 - 30 градус болады, ал көлденең арқалықтар әдетте бір-біріне тік бұрышпен бағдарланады. Бұралған арқалықтар бойымен радиалды компоненттердің Доплер ауысуы желдің көлденең және тік компоненттерінің әсерін қамтиды, сондықтан зенит бұрыштары 20 градустан аз жүйелерде тік жылдамдыққа түзету қажет. Сонымен қатар, егер жүйе тік жылдамдық шамамен 0,2 м/с-тан жоғары болуы мүмкін аймақта орналасқан болса, сәуле сәулесінің зенит бұрышына қарамастан, тік жылдамдыққа түзетулер қажет. Содарлардың вертикальдық қашықтығы шамамен 0,2 - 2 шақырым (км) және жиіліктің, қуаттың, атмосфералық тұрақтылықтың, турбуленттіліктің және ең бастысы, содар жұмыс істейтін шулы ортаның функциясы болып табылады. Жұмыс жиілігі 1000 Гц-ден 4000 Гц-ден жоғары, қуат деңгейі бірнеше жүз Ваттқа дейін. Атмосфераның әлсірету сипаттамаларына байланысты, жоғары қуатты, төменгі жиілікті содарлар әдетте биіктіктегі үлкен қамтуды береді. Кейбір содарларды вертикальді ажырату қабілеті мен қашықтығын қосымшаға сәйкес келтіру үшін әртүрлі режимдерде пайдалануға болады. Бұл импульс ұзындығы мен ең жоғары биіктік арасындағы демалу арқылы жүзеге асырылады.
Содар қолдануы
Әдетте атмосфералық зерттеулерде қолданылатын содарлар қазір жел энергиясын өндіру жобаларын дамытуда дәстүрлі жел мониторингіне балама ретінде қолданылады. Жел энергиясын өндіру үшін қолданылатын содарлар әдетте жер деңгейінен 50 метрден 200 метрге дейінгі өлшеу диапазонына бағытталған, бұл қазіргі жел турбиналарының өлшеміне сәйкес келеді. Fulcrum3D FS1 Sodar, REMTECH PA XS Sodar және AQ510 Sodar сияқты кейбір содар өнімдері осы нарыққа арнайы әзірленді. Компактты сәулелі содарлар күрделі жер бедерінде, жел векторы содардың өлшеу аймағында өзгеруі мүмкін жерде, дәлдікті арттырады. Бұл содалар бұрыштықты азайта отырып, жел векторының кез келген өзгеруінің әсерін азайтады. Бұл жел ағынын және сол себепті жел турбинасының энергия өндірісін нақтырақ бағалауға мүмкіндік береді. Компактты сәулелі содалар сонымен қатар тұрақты эхоның әсерін азайтады және бірліктің дизайнын компакттырақ етуге мүмкіндік береді. Бірнеше осьті содарлар әрбір дыбыс сәулесін бірінен соң бірі атуы тиіс бір осьті содарлардан айырмашылығы, барлық үш дыбыс сәулесін бір мезгілде ату мүмкіндігін қамтамасыз етеді. Бір мезгілде ату кез келген кезеңде сынама нүктелерінің санын үш есеге арттыра алады, нәтижесінде сигнал мен шудың арақатынасы (SNR) жоғары болады, деректердің қол жетімділігі жоғары болады және дәлдігі артады. Сонымен қатар, жел энергиясы саласына арналған содалар маңызды аспектілерде, мысалы, деректердің ізденуге қабілеттілігі жағынан ерекшеленеді, өйткені кейбір өндірушілер сода блогынан толық сигнал және шу спектрінің деректерін қайтарып бермейді, тек желдің жылдамдығы туралы өңделген деректерді қайтарады. Бұл дегеніміз шикі деректерді қайта талдау немесе қайта өңдеу мүмкін емес.
Содар мен АДСП арасындағы ұқсастықтар мен айырмашылықтар
Екі құрылғының физикалық принциптері бірдей. Екі құрылғыда да қоршаған ортаның қасиеттерін қашықтан анықтау үшін дыбыс толқындары қолданылады. Екі құрылғы да Допплер эффектісін пайдаланады радиалды жылдамдықтарды өлшеу үшін кем дегенде үш түзу емес сәулелер, олар қарапайым есептеулерден кейін әр түрлі биіктіктегі тарату ортасының (ауа немесе су) жылдамдығының үш векторлық компонентін береді. Содарлар мен акустикалық допплерлік ток профильдеушілері (ADCP) әр сәуле үшін жеке трансформаторларды немесе фазалық массивтерді пайдалана алады. Соңында, екі құрылғыда да дыбысты шығару және қабылдау үшін пьезоэлектрлік трансформаторлар қолданылуы мүмкін. Алайда, содарлар мен АДКБ арасындағы жұмыс жиілігі әртүрлі. Кәсіптік ADCP-тер, мысалы, Teledyne RDI (бұл нарықтың нақты көшбасшысы) өндіреді, әдетте жүздеген килогерц диапазонында (300 кГц, 600 кГц, 1200 кГц) тасымалдаушы жиіліктерді қолданады, ал содарлар тек төменгі килогерц диапазонында ғана хабар таратады. АДКҚ үшін судың дыбысты жақсы тарату қасиеттеріне байланысты жоғары жиілікте хабар тарату мүмкін, бұл сондай-ақ құрылғының тығыздығына (әдетте АДКҚ үшін диаметрі 25 см / 10 " немесе одан аз) пайдалы. Сонымен қатар, аудиорецепторлардың акустикалық импедансы бірдей емес, өйткені олар бір ортада жұмыс істемейді: содарлар үшін ауа, АДКБ үшін су; басқаша айтқанда, АДКБ ауада жұмыс істемейді, ал содар су астында жұмыс істемейді. Ақырында, ADCP-лер үшін төрт сәуле қолдану жиірек, тіпті олар фазалы массивті қолданбаған кезде де. Бұл су ағымдарының шамасын шуға қарағанда сенімді етіп, қандай да бір артықшылықты қосудың пайдасын береді. Бұл содарлар үшін де мүмкін, бірақ төртінші трансформаторды қосу құны үшін. Әдеттегі АДКБ-ның жұмыс істеу қашықтығы екі жүз метрден кем (бұл жиілік көбейген сайын төмендейді, ауадағыдай).