|
|
|
Een sodar (Sonic Detection And Ranging) is een teledetectieapparaat in de meteorologie dat geluidsgolven gebruikt om de snelheid en richting van de wind in de lucht te meten, evenals de thermodynamische structuur en turbulentie in de lagere lagen van de aardatmosfeer, een soort windprofiler.
Het is dus een akoestisch detectie- en afstandsapparaat van de atmosfeer of Acdar (Akoestische detectie en afstandsmeting). De sodar is ook wel bekend als echolocatie-sirene of akoestische radar. |
 |
| Portable SODAR voor in situ experimenten |
|
|
 |
| Second Wind draagbare Sodar TRITON |
|
| Het apparaat bestaat uit een antenne die het geluid uitzendt en een ontvanger die de echo's opvangt. Dezelfde antenne kan gebruikt worden voor ontvangst, het is dan een monostatisch systeem, of een andere antenne in het geval van een bistatisch systeem. In het eerste geval kan het apparaat feedback van de verstrooiing van geluidsgolven opvangen door de temperatuurverandering met de hoogte. In het tweede geval kan het apparaat ook turbulentie opvangen. |
| |
| Monostatische systemen kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: systemen die meerdere antennes gebruiken en systemen die een enkele phased array-antenne gebruiken. Multi-antennesystemen hebben één antenne die verticaal is gericht en twee andere die in orthogonale richtingen onder een kleine hoek ten opzichte van de verticaal zijn gericht. Deze antennes kunnen parabolen zijn, en in dit geval wordt de emissie-ontvangst gedaan in het brandpunt, of een set luidsprekers die in fase uitzenden om een gefocusseerde golf te genereren. |
| |
| Array-antennes gebruiken een enkele reeks luidsprekers waarvan de emissiefase wordt gevarieerd zodat de uitgezonden golf verticaal of in de twee orthogonale richtingen wordt gefocust. |
|
De voortplanting van geluid in de atmosfeer is lange tijd bestudeerd, maar het is pas sinds de Tweede Wereldoorlog dat er verder onderzoek is gedaan om praktische toepassingen te ontwikkelen. Onderzoekers van het Amerikaanse leger gebruikten geluid om temperatuurinversies te identificeren die de verspreiding van microgolfcommunicatie beïnvloedden. In de jaren vijftig toonden de Sovjets en Australiërs aan dat het mogelijk was om terugverstrooiingsecho's tot enkele honderden meters boven de grond te verkrijgen. In de jaren zeventig bouwden onderzoekers van de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) de eerste apparaten om de windsnelheid en -richting te meten met behulp van het
Doppler-Fizeau-effect van akoestische golven. |
| |
| Vanaf dat moment brachten verschillende organisaties en bedrijven steeds meer geavanceerde frisdranken op de markt. In 1975 waren onderzoekers van de Universiteit van Nevada in Reno de eersten die digitale gegevensverwerking met een microcomputer incorporeerden. In de jaren tachtig was het Franse bedrijf Remtech de eerste die een phased array-antenne gebruikte in plaats van een paraboolantenne, en een van de eersten die meerdere pulsherhalingsfrequenties gebruikte. |
| |
| De meest recente sodars bevatten de nieuwste technologieën om omgevingsgeluid zoveel mogelijk te elimineren, de geluiden beter te focussen en het bruikbare bereik te vergroten. |
|
Commerciële sodars die worden gebruikt om windmetingen in de bovenlucht te verzamelen, bestaan uit antennes die akoestische signalen
verzenden en ontvangen. Een monostatisch systeem gebruikt dezelfde antenne voor zenden en ontvangen, terwijl een bistatisch systeem afzonderlijke antennes gebruikt. Het verschil tussen de twee antennesystemen bepaalt of atmosferische verstrooiing wordt veroorzaakt door temperatuurschommelingen (in monostatische systemen), of door zowel temperatuur- als windsnelheidsfluctuaties (in bistatische systemen). |
| |
Monostatische antennesystemen kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: systemen die individuele antennes met meerdere assen gebruiken en systemen die een enkelfasige array-antenne gebruiken. De meerassige systemen gebruiken over het algemeen drie afzonderlijke antennes die in specifieke richtingen zijn gericht om de akoestische straal te sturen. Het gebruik van drie onafhankelijke assen is voldoende om de
drie componenten van de windsnelheid te achterhalen, hoewel het gebruik van meer assen redundantie zou toevoegen en de robuustheid van ruis zou vergroten bij het schatten van de windsnelheid, met behulp van een kleinste-kwadratenbenadering. |
| |
Eén antenne is over het algemeen verticaal gericht en de andere twee zijn enigszins gekanteld ten opzichte van de verticaal in een orthogonale hoek. Elk van de afzonderlijke antennes kan een enkele transducer gebruiken die is gefocusseerd in een parabolische reflector om een parabolische luidspreker te vormen, of een reeks luidsprekerdrivers en hoorns (transducers) die allemaal in fase zenden om een enkele straal te vormen.
Zowel de kantelhoek van de verticaal als de azimuthoek van elke antenne zijn vast wanneer het systeem wordt ingesteld. |
| |
Phased-array antennesystemen gebruiken een enkele array van luidsprekerdrivers en hoorns (transducers), en de bundels worden elektronisch gestuurd door de transducers op de juiste manier te faseren. Om een phased-array-antenne op te zetten, is de richtrichting van de array waterpas
of georiënteerd zoals gespecificeerd door de fabrikant. |
| |
De horizontale componenten van de windsnelheid worden berekend uit de radiaal gemeten Doppler-verschuivingen en de opgegeven hellingshoek uit de verticaal. De hellingshoek, of zenithoek, is over het algemeen 15 tot 30 graden, en de horizontale stralen zijn typisch haaks op elkaar georiënteerd. Aangezien de Doppler-verschuiving van de radiale componenten langs de gekantelde bundels de invloed van zowel de horizontale als
de verticale componenten van de wind omvat, is een correctie voor de verticale snelheid nodig in systemen met zenithoeken kleiner dan 20 graden. Ook als het systeem zich in een gebied bevindt waar verticale snelheden groter kunnen zijn dan ongeveer 0,2 m/s, zijn correcties voor de verticale snelheid nodig, ongeacht de zenithoek van de bundel. |
| |
| Het verticale bereik van sodars is ongeveer 0,2 tot 2 kilometer (km) en is een functie van frequentie, vermogen, atmosferische stabiliteit, turbulentie en, belangrijker nog, de geluidsomgeving waarin een soda wordt gebruikt. Werkfrequenties variëren van minder dan 1000 Hz tot meer dan 4000 Hz, met vermogensniveaus tot enkele honderden watts. Vanwege de dempingseigenschappen van de atmosfeer, zullen sodars met een hoog vermogen en een lagere frequentie over het algemeen een grotere hoogtedekking produceren. Sommige sodars kunnen in verschillende modi worden gebruikt om de verticale resolutie en het bereik beter af te stemmen op de toepassing. Dit wordt bereikt door een relaxatie tussen pulslengte en maximale hoogte. |
| |
 |
AQ500 SoDAR gebruikt bij de ontwikkeling van windenergie en
bewaking van de windconditie. |
|
|
 |
| Windmonitoring met behulp van de Fulcrum3D Sodar |
|
|
| Traditioneel gebruikt in atmosferisch onderzoek, worden sodars nu toegepast als alternatief voor traditionele windmonitoring voor de ontwikkeling van windenergieprojecten. Sodars die worden gebruikt voor windenergietoepassingen zijn meestal gericht op een meetbereik van 50 m tot 200 m boven het maaiveld, wat overeenkomt met de grootte van moderne windturbines. Sommige sodaproducten, zoals de REMTECH PA-XS Sodar en de AQ510 Sodar, zijn speciaal voor deze markt ontwikkeld |
| |
| Compact-beam sodars zijn nauwkeuriger in complex terrein waar de windvector over het meetgebied van de soda kan veranderen. Door een compactere stralingshoek te bieden, verminderen deze sodars het effect van elke verandering in de windvector. Dit geeft een nauwkeuriger schatting van de windstroom en daarmee de energieproductie van een windturbine. Compacte straal-sodars verminderen ook het effect van vaste echo's en maken een compacter ontwerp van de unit mogelijk. |
| |
| Meerassige sodars bieden de mogelijkheid voor het gelijktijdig afvuren van alle drie de geluidsbundels, in tegenstelling tot enkelassige sodars die elke geluidsbundel opeenvolgend moeten afvuren. Gelijktijdig afvuren kan drie keer het aantal bemonsteringspunten in een bepaalde periode opleveren, wat resulteert in een hogere signaal-ruisverhouding (SNR), hogere gegevensbeschikbaarheid en grotere nauwkeurigheid. |
| |
Sodars die zijn ontworpen voor de windenergie-industrie verschillen ook in belangrijke aspecten, zoals de traceerbaarheid van gegevens,
aangezien sommige fabrikanten geen volledige signaal- en ruisspectrumgegevens van de soda-eenheid retourneren, maar eerder verwerkte windsnelheidsgegevens. Dit betekent dat de onbewerkte gegevens niet opnieuw kunnen worden geanalyseerd of opnieuw verwerkt. |
|
| |
| Analogie en verschillen tussen sodar en ADCP |
| |
| De onderliggende fysieke principes achter de twee apparaten zijn precies hetzelfde. Beide apparaten gebruiken geluidsgolven om op afstand eigenschappen van de omgeving te bepalen. Beide apparaten gebruiken het Doppler-effect om radiale snelheden te meten op ten minste drie niet-colineaire bundels, die na eenvoudige berekeningen de drie vectorcomponenten van de snelheid van het verzendende medium (lucht of water) op verschillende hoogten opleveren. Zowel sodars als ADCP's kunnen afzonderlijke transducers voor elke straal gebruiken of phased arrays gebruiken. Ten slotte kunnen beide apparaten piëzo-elektrische transducers gebruiken om het geluid te produceren en te ontvangen. |
| |
| De werkfrequenties tussen sodars en ADCP's zijn echter meestal verschillend. Commerciële ADCP's zoals vervaardigd, b.v. door Teledyne RDI (de feitelijke leider van deze markt) gebruiken doorgaans draaggolffrequenties die in het bereik van honderden kilohertz liggen (300 kHz, 600 kHz, 1200 kHz), terwijl sodars alleen uitzenden in het lage kilohertz-bereik. Zenden met een
hogere frequentie is mogelijk voor ADCP's vanwege de betere geluidoverdrachtseigenschappen van water, en dit komt ook ten goede aan de compactheid van het apparaat (een diameter van typisch 25 cm / 10 "of minder voor ADCP's). Ook de akoestische impedantie van de transducers is niet hetzelfde, omdat ze niet in hetzelfde medium werken: lucht voor frisdrank, water voor ADCP's; anders gezegd, een ADCP zou niet werken in de lucht en een sodar zou niet werken onder water. gebruikelijker voor ADCP's om vier bundels te gebruiken, zelfs als ze geen phased array gebruiken. Dit heeft het voordeel dat er een vorm van redundantie wordt toegevoegd, waardoor de schatting van de waterstromen robuuster wordt voor ruis. Dit is ook haalbaar voor sodars, maar tegen de kosten van het toevoegen van een vierde transducer.Het bereik van typische ADCP's is minder dan tweehonderd meter (dit wordt lager naarmate de frequentie toeneemt, zoals in de lucht). |
| Bronnen:
Wikipedia-fr, Wikipedia-en |
|
|
|
|
|
|
|
