Газировка

Измерение ветра с помощью фазированной антенной решетки SODAR

Содар , аббревиатура от звукового обнаружения и измерения дальности , представляет собой метеорологический инструмент, используемый в качестве профилометра ветра , основанного на рассеянии звуковых волн атмосферной турбулентностью . Содарное оборудование используется для измерения скорости ветра на различных высотах над землей, а также термодинамической структуры нижнего слоя атмосферы .

Содарные системы на самом деле представляют собой не что иное, как гидролокационные 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 эквивалентом в воздухе подкласса гидролокационных систем, известных как акустические доплеровские профилометры тока (ADCP). Другие названия, используемые для содарных систем, включают эхолот, эхолот и акустический радар. ^[1]

Допплеровский припой

Коммерческие содары, используемые для сбора данных о ветре на высотах, состоят из антенн, которые передают и принимают акустические сигналы. В моностатической системе для передачи и приема используется одна и та же антенна, а в бистатической системе используются отдельные антенны. Разница между двумя антенными системами определяет, происходит ли рассеяние в атмосфере за счет колебаний температуры (в моностатических системах) или за счет колебаний температуры и скорости ветра (в бистатических системах).

Моностатические антенные системы можно разделить на две категории: те, которые используют несколько осевых отдельных антенн, и те, которые используют одну фазированную антенную решетку. В многоосных системах обычно используются три отдельные антенны, направленные в определенных направлениях для управления акустическим лучом. Использование трех независимых (т.е. неколлинеарных) осей достаточно для получения трех компонентов скорости ветра, хотя использование большего количества осей добавит избыточность и повысит устойчивость к шуму при оценке скорости ветра с использованием метода наименьших квадратов . Одна антенна обычно направлена вертикально, а две другие слегка наклонены от вертикали под ортогональным углом. Каждая из отдельных антенн может использовать один преобразователь, сфокусированный в параболическом отражателе для формирования параболического громкоговорителя , или массив динамиков и рупоров ( преобразователей ), передающих синфазно, чтобы сформировать один луч. Угол наклона от вертикали и угол азимута каждой антенны фиксируются при настройке системы.

Антенные системы с фазированной решеткой используют единый массив динамиков и рупоров (преобразователей), а лучи управляются электроникой путем соответствующей фазировки преобразователей. Чтобы настроить антенну с фазированной решеткой, направление наведения решетки должно быть либо горизонтальным, либо ориентированным, как указано производителем.

AQ500 на севере Швеции. — AQ500 SoDAR используется для развития ветроэнергетики и мониторинга состояния ветра.

Горизонтальные составляющие скорости ветра рассчитываются на основе радиально измеренных доплеровских смещений и заданного угла наклона от вертикали. Угол наклона, или зенитный угол, обычно составляет от 15 до 30 градусов, а горизонтальные лучи обычно ориентированы под прямым углом друг к другу. Поскольку доплеровский сдвиг радиальных составляющих вдоль наклонных лучей включает в себя влияние как горизонтальной, так и вертикальной составляющих ветра, в системах с зенитными углами менее 20 градусов необходима поправка на вертикальную скорость. Кроме того, если система расположена в регионе, где вертикальные скорости могут превышать примерно 0,2 м/с, необходимы поправки на вертикальную скорость, независимо от зенитного угла луча.

Вертикальный диапазон содаров составляет примерно от 0,2 до 2 километров (км) и зависит от частоты , выходной мощности, стабильности атмосферы, турбулентности и, что наиболее важно, шумовой среды , в которой работает содар. Рабочие частоты варьируются от менее 1000 Гц до более 4000 Гц, а уровни мощности достигают нескольких сотен Вт. Из-за характеристик затухания в атмосфере содары большой мощности и более низкой частоты обычно обеспечивают больший охват высоты. Некоторые содары могут работать в разных режимах, чтобы лучше соответствовать вертикальному разрешению и дальности применения. Это достигается за счет релаксации между длиной импульса и максимальной высотой. ^[2]

Содар-приложения

Традиционно используемые в исследованиях атмосферы содары теперь применяются в качестве альтернативы традиционному мониторингу ветра для разработки ветроэнергетических проектов. Содары, используемые в ветроэнергетике, обычно ориентированы на диапазон измерений от 50 до 200 м над уровнем земли, что соответствует размеру современных ветряных турбин. Некоторые содары, такие как содар Fulcrum3D FS1, содар REMTECH PA-XS и содар AQ510, были специально разработаны для этого рынка.

Содары с компактным лучом более точны на сложной местности, где вектор ветра может меняться в зоне измерения содара. Обеспечивая более компактный угол луча, эти содары уменьшают эффект любого изменения вектора ветра. Это обеспечивает более точную оценку ветрового потока и, следовательно, выработки энергии ветряной турбиной. Компактные содары с лучом также уменьшают эффект фиксированных эхо-сигналов и позволяют создать более компактную конструкцию устройства.

Многоосные содары обеспечивают возможность одновременного запуска всех трех звуковых лучей, в отличие от одноосных содаров, которые должны излучать каждый звуковой луч последовательно. Одновременное срабатывание может обеспечить в три раза больше точек выборки за любой заданный период, что приводит к более высокому соотношению сигнал/шум (SNR), более высокой доступности данных и большей точности.

Содары, разработанные для ветроэнергетической отрасли, также различаются по важным аспектам, таким как отслеживаемость данных, поскольку некоторые производители не возвращают полные данные о спектре сигнала и шума от содара, а возвращают только обработанные данные о скорости ветра. Это означает, что необработанные данные не могут быть повторно проанализированы или обработаны.

Аналогия и различия между содаром и ADCP

Основные физические принципы, лежащие в основе этих двух устройств, совершенно одинаковы. Оба устройства используют звуковые волны для удаленного определения свойств окружающей среды. Оба устройства используют эффект Доплера для измерения радиальных скоростей как минимум на трех неколлинеарных лучах, которые после простых вычислений дают три векторные компоненты скорости передающей среды (воздуха или воды) на разных высотах. И содары, и акустические доплеровские профилировщики тока (ADCP) могут использовать либо отдельные преобразователи для каждого луча, либо использовать фазированные решетки. Наконец, оба устройства могут использовать пьезоэлектрические преобразователи для создания и приема звука.

Однако рабочие частоты содаров и ADCP обычно различаются. Коммерческие ADCP, производимые, например, компанией Teledyne RDI ( фактический лидер этого рынка), обычно используют несущие частоты в диапазоне сотен килогерц (300 кГц, 600 кГц, 1200 кГц), тогда как содары передают только в низком килогерцовом диапазоне. Передача на более высокой частоте возможна для ADCP благодаря лучшим звукопередающим свойствам воды, что также способствует компактности устройства (диаметр обычно составляет 25 см / 10 дюймов или меньше для ADCP). Кроме того, акустический импеданс датчиков не то же самое, потому что они работают в разных средах: воздух для содаров, вода для ADCP, говоря по-другому, ADCP не будет работать в воздухе, а содар не будет работать под водой. ADCP чаще используют четыре луча, даже если они не используют фазированную решетку. Это дает некоторую форму избыточности, что делает оценку течений воды более устойчивой к шуму. Это возможно и для содаров. но за счет стоимости добавления четвертого преобразователя. Рабочий диапазон типичных ADCP составляет менее двухсот метров (он уменьшается с увеличением частоты, как в воздухе).

См. также

Примечания

^ «О Содаре» . ООО «Атмосферные исследования и технологии». 10 марта 2006 г. Архивировано из оригинала 29 июня 2012 г. Проверено 8 мая 2007 г.
^ Бейли, Десмонд Т. (февраль 2000 г.) [1987]. «Аэрологический мониторинг». Руководство по метеорологическому мониторингу для приложений нормативного моделирования (PDF) . Джон Ирвин. Research Triangle Park, Северная Каролина: Агентство по охране окружающей среды США . стр. 9–9–9–11. ЭПА-454/Р-99-005.

Ссылки

В этой статье использованы общедоступные материалы из Руководство по метеорологическому мониторингу для приложений нормативного моделирования (PDF) . Правительство Соединенных Штатов .

Внешние ссылки

[1] «О Содаре» . ООО «Атмосферные исследования и технологии». 10 марта 2006 г. Архивировано из оригинала 29 июня 2012 г. Проверено 8 мая 2007 г.

[2] Бейли, Десмонд Т. (февраль 2000 г.) [1987]. «Аэрологический мониторинг». Руководство по метеорологическому мониторингу для приложений нормативного моделирования (PDF) . Джон Ирвин. Research Triangle Park, Северная Каролина: Агентство по охране окружающей среды США . стр. 9–9–9–11. ЭПА-454/Р-99-005.

[1]

[2]