Введение

Метеорологический инструмент Sodar, сокращение от sonic detection and ranging, является метеорологическим инструментом, используемым в качестве профиля ветра, основанного на рассеянии звуковых волн атмосферными турбулентностями. Оборудование для измерения скорости ветра на различных высотах над землей и термодинамической структуры нижнего слоя атмосферы. Системы содара на самом деле не более чем сонарные системы, используемые в воздухе, а не в воде. Более конкретно, поскольку они работают с использованием эффекта Доплера с многолучевой конфигурацией для определения скорости ветра, они являются точным воздушным эквивалентом подкласса сонарных систем, известных как акустические профилирующие токи Доплера (ADCP). Другие названия, используемые для систем содар включают звуковой, эхозвуковой и акустический радар.

Допплеровский содар

Коммерческие содары, используемые для сбора измерений ветра в верхних слоях воздуха, состоят из антенн, которые передают и принимают акустические сигналы. Моностатическая система использует одну и ту же антенну для передачи и приема, в то время как бистатическая система использует отдельные антенны. Разница между двумя системами антенн определяет, происходит ли атмосферное рассеяние в результате колебаний температуры (в моностатических системах) или в результате колебаний температуры и скорости ветра (в бистатических системах). Моностатические антенные системы можно разделить на две категории: те, которые используют многоосевые индивидуальные антенны, и те, которые используют одну фазовую антенну. Многоосевые системы обычно используют три отдельные антенны, направленные в определенном направлении для направления акустического луча. Использование трех независимых (т.е. не коллинейно) осей достаточно для получения трех компонентов скорости ветра, хотя использование большего количества осей прибавит избыточность и повысит надежность шума при оценке скорости ветра, используя подход наименьших квадратов. Одна антенна обычно направлена вертикально, а две другие слегка наклонены от вертикали под ортогональным углом. Каждая из антенн может использовать один преобразователь, сфокусированный в параболический отражатель, чтобы сформировать параболический громкоговоритель, или массив драйверов громкоговорителей и рогов (преобразователей), все из которых передают в фазе, чтобы сформировать один луч. Угол наклона от вертикали и угол азимута каждой антенны фиксируются при установке системы. Системы фазовых антенн используют один массив динамиков и рогов (трансдукторов), а лучи управляются электронным путем фазирования соответствующим образом. Для установки фазовой антенны направление направления антенны является либо горизонтальным, либо ориентированным, как указано производителем. Горизонтальные компоненты скорости ветра рассчитываются из радиально измеренных доплеровских сдвигов и указанного угла наклона от вертикали. Угол наклона, или зенита, обычно составляет от 15 до 30 градусов, а горизонтальные балки обычно ориентированы под прямым углом друг к другу. Поскольку доплеровское смещение радиальных компонентов вдоль наклонных балок включает в себя влияние как горизонтальных, так и вертикальных компонентов ветра, коррекция вертикальной скорости необходима в системах с углами зенита менее 20 градусов. Кроме того, если система расположена в области, где вертикальные скорости могут быть больше, чем около 0,2 м/с, необходимы коррекции для вертикальной скорости, независимо от зенитного угла луча. Вертикальный диапазон содаров составляет примерно от 0,2 до 2 километров (км) и является функцией частоты, мощности, атмосферной стабильности, турбулентности и, самое главное, шумовой среды, в которой работает содар. Рабочие частоты варьируются от менее 1000 Гц до более 4000 Гц, с уровнями мощности до нескольких сотен Вт. Из-за характеристик ослабления атмосферы, высокая мощность, низкочастотные содары обычно производят большую высоту покрытия. Некоторые содары могут работать в разных режимах, чтобы лучше соответствовать вертикальному разрешению и диапазону приложения. Это достигается путем релаксации между длиной импульса и максимальной высотой.

Применение сода

Традиционно используемые в исследованиях атмосферы, содары теперь применяются в качестве альтернативы традиционному мониторингу ветра для разработки проектов ветроэнергетики. Содар, используемый для применения в ветроэнергетике, обычно сосредоточен на диапазоне измерений от 50 до 200 м над уровнем земли, что соответствует размеру современных ветровых турбин. Некоторые изделия для сода, такие как Fulcrum3D FS1 Sodar, REMTECH PA XS Sodar и AQ510 Sodar, были разработаны специально для этого рынка. Компактные содары более точны в сложной местности, где ветер может меняться по всей области измерения содара. Обеспечивая более компактный угол луча, эти содары уменьшают эффект от любого изменения вектора ветра. Это позволяет более точно оценить поток ветра и, следовательно, производство энергии ветровой турбины. Компактные светодиодные содары также уменьшают эффект фиксированного эхо и позволяют более компактную конструкцию блока. Многоосевые содары обеспечивают возможность одновременного запуска всех трех звуковых лучей, в отличие от одноосевых содаров, которые должны запускать каждый звуковой луч последовательно. Одновременное зажигание может обеспечить в три раза большее количество точек отбора образцов в любой период времени, что приводит к более высокому соотношению сигнал/шум (SNR), более высокой доступности данных и большей точности. Содары, предназначенные для ветроэнергетической промышленности, также отличаются по таким важным аспектам, как прослеживаемость данных, поскольку некоторые производители не возвращают полные данные о сигнале и шумовом спектре от содарного блока, а, скорее, возвращают только обработанные данные о скорости ветра. Это означает, что исходные данные не могут быть повторно проанализированы или переработаны.

Аналогия и различия между содаром и АДСП

Физические принципы, лежащие в основе этих двух устройств, абсолютно одинаковы. Оба устройства используют звуковые волны для удаленного определения свойств окружающей среды. Оба устройства используют эффект Доплера для измерения радиальных скоростей по крайней мере на трех неколинейных пучках, которые после простых вычислений дают три векторные компоненты скорости передающей среды (воздуха или воды) на разных высотах. Как содар, так и акустические допплеровские токопрофилирующие устройства (ADCP) могут использовать либо отдельные преобразователи для каждого пучка, либо использовать фазированные массивы. Наконец, оба устройства могут использовать пьезоэлектрические преобразователи для производства и приема звука. Однако частоты работы между содарами и АДКП обычно различны. Коммерческие ADCP, например, производимые Teledyne RDI (фактический лидер на этом рынке), обычно используют частоты носителя, которые находятся в диапазоне сотен килогерц (300 кГц, 600 кГц, 1200 кГц), в то время как содары передают только в низком диапазоне килогерц. Передача на более высокой частоте возможна для АДЦП из-за лучших качеств передачи звука воды, и это также выгодно для компактности устройства (диаметр, как правило, 25 см / 10 "или меньше для АДЦП). Кроме того, акустический импиденс преобразователей не одинаковый, потому что они не работают в одной среде: воздух для содаров, вода для АДКП; иначе говоря, АДКП не будет работать в воздухе, а содар не будет работать под водой. Наконец, для ADCP более распространено использование четырех пучков, даже когда они не используют фазированный массив. Это имеет преимущество добавления некоторой формы избыточности, таким образом делая оценку водных течений более надежным для шума. Это возможно и для содаров, но за счет стоимости добавления четвертого преобразователя. Рабочий диапазон типичных АДЦП составляет менее двухсот метров (это снижается по мере увеличения частоты, как в воздухе).