Sodar

El sodar , acrónimo de detección y medición sónica , es un instrumento meteorológico que se utiliza como perfilador de viento basado en la dispersión de ondas sonoras por la turbulencia atmosférica . El equipo sodar se utiliza para medir la velocidad del viento a diferentes alturas sobre el suelo y la estructura termodinámica de la capa inferior de la atmósfera .

Los sistemas sodar no son más que sistemas de sonar utilizados en el aire en lugar de en el agua. Más específicamente, dado que funcionan mediante el efecto Doppler con una configuración multihaz para determinar la velocidad del viento, son el equivalente aéreo exacto de una subclase de sistemas de sonar conocidos como perfiladores de corriente Doppler acústicos (ADCP). Otros nombres utilizados para los sistemas sodar incluyen sonda, ecosonda y radar acústico. ^{[ 1 ]}

Los sonares comerciales utilizados para medir el viento en las capas altas de la atmósfera constan de antenas que transmiten y reciben señales acústicas . Un sistema monoestático utiliza la misma antena para transmitir y recibir, mientras que un sistema biestático utiliza antenas separadas. La diferencia entre ambos sistemas de antenas determina si la dispersión atmosférica se debe a fluctuaciones de temperatura (en sistemas monoestáticos) o a fluctuaciones tanto de temperatura como de velocidad del viento (en sistemas biestáticos).

Los sistemas de antenas monoestáticas se pueden dividir en dos categorías: aquellos que utilizan antenas individuales de múltiples ejes y aquellos que utilizan una sola antena de matriz en fase . Los sistemas de múltiples ejes generalmente utilizan tres antenas individuales orientadas en direcciones específicas para dirigir el haz acústico. El uso de tres ejes independientes (es decir, no colineales) es suficiente para obtener las tres componentes de la velocidad del viento, aunque el uso de más ejes agregaría redundancia y aumentaría la robustez frente al ruido al estimar la velocidad del viento, utilizando un método de mínimos cuadrados . Una antena generalmente apunta verticalmente y las otras dos se inclinan ligeramente con respecto a la vertical en un ángulo ortogonal. Cada una de las antenas individuales puede usar un solo transductor enfocado en un reflector parabólico para formar un altavoz parabólico , o una matriz de transductores y bocinas ( transductores ) que transmiten en fase para formar un solo haz. Tanto el ángulo de inclinación con respecto a la vertical como el ángulo azimutal de cada antena son fijos cuando se configura el sistema.

Los sistemas de antenas de arreglo en fase utilizan un único conjunto de transductores y altavoces, y los haces se dirigen electrónicamente ajustando la fase de los transductores. Para configurar una antena de arreglo en fase, la dirección de apuntamiento del conjunto debe ser horizontal u orientada según las especificaciones del fabricante.

Las componentes horizontales de la velocidad del viento se calculan a partir de los desplazamientos Doppler medidos radialmente y el ángulo de inclinación especificado con respecto a la vertical. El ángulo de inclinación, o ángulo cenital, suele estar entre 15 y 30 grados, y los haces horizontales normalmente se orientan perpendicularmente entre sí. Dado que el desplazamiento Doppler de las componentes radiales a lo largo de los haces inclinados incluye la influencia tanto de las componentes horizontales como verticales del viento, se requiere una corrección para la velocidad vertical en sistemas con ángulos cenitales inferiores a 20 grados. Asimismo, si el sistema se encuentra en una región donde las velocidades verticales pueden ser superiores a unos 0,2  m/s, se requieren correcciones para la velocidad vertical, independientemente del ángulo cenital del haz.

El alcance vertical de los sodars es de aproximadamente 0,2 a 2 kilómetros (km) y depende de la frecuencia , la potencia de salida, la estabilidad atmosférica, la turbulencia y, sobre todo, del entorno de ruido en el que operan. Las frecuencias de operación varían desde menos de 1000  Hz hasta más de 4000  Hz, con niveles de potencia de hasta varios cientos de vatios. Debido a las características de atenuación de la atmósfera, los sodars de alta potencia y baja frecuencia generalmente producen una mayor cobertura de altura. Algunos sodars pueden operarse en diferentes modos para ajustar mejor la resolución vertical y el alcance a la aplicación. Esto se logra mediante una relajación entre la duración del pulso y la altitud máxima. ^{[ 2 ]}

Tradicionalmente utilizados en la investigación atmosférica, los sodars se están empleando ahora como alternativa a la monitorización eólica tradicional para el desarrollo de proyectos de energía eólica. Los sodars utilizados en aplicaciones eólicas suelen tener un rango de medición de entre 50 y 200 metros sobre el nivel del suelo, correspondiente al tamaño de las turbinas eólicas modernas. Algunos productos, como el Fulcrum3D FS1, el REMTECH PA-XS y el AQ510, se han desarrollado específicamente para este mercado.

Los sonares de haz compacto ofrecen mayor precisión en terrenos complejos donde el vector del viento puede variar a lo largo del área de medición. Al proporcionar un ángulo de haz más compacto, estos sonares reducen el efecto de cualquier cambio en el vector del viento. Esto permite una estimación más precisa del flujo de viento y, por lo tanto, de la producción de energía de una turbina eólica. Los sonares de haz compacto también reducen el efecto de los ecos fijos y permiten un diseño de unidad más compacto.

Los sodars multieje permiten la emisión simultánea de los tres haces de sonido, a diferencia de los sodars monoeje, que deben emitir cada haz de forma secuencial. La emisión simultánea puede triplicar el número de puntos de muestreo en un periodo determinado, lo que se traduce en una mayor relación señal-ruido (SNR), mayor disponibilidad de datos y mayor precisión.

Los sonares diseñados para la industria de la energía eólica también difieren en aspectos importantes, como la trazabilidad de los datos. Algunos fabricantes no proporcionan el espectro completo de señal y ruido de la unidad sonar, sino solo datos procesados ​​de velocidad del viento. Esto significa que los datos brutos no se pueden volver a analizar ni reprocesar.

Los principios físicos subyacentes a ambos dispositivos son idénticos. Ambos utilizan ondas sonoras para determinar de forma remota las propiedades del entorno. Ambos emplean el efecto Doppler para medir velocidades radiales en al menos tres haces no colineales, que, tras cálculos sencillos, proporcionan las tres componentes vectoriales de la velocidad del medio transmisor (aire o agua) a diferentes altitudes. Tanto los sodars como los perfiladores acústicos de corriente Doppler (ADCP) pueden utilizar transductores independientes para cada haz o bien conjuntos de antenas en fase. Finalmente, ambos dispositivos pueden utilizar transductores piezoeléctricos para producir y recibir el sonido.

Sin embargo, las frecuencias de operación entre los sodars y los ADCP suelen ser diferentes. Los ADCP comerciales, como los fabricados por Teledyne RDI ( líder indiscutible de este mercado), suelen utilizar frecuencias portadoras del orden de los cientos de kilohercios (300  kHz, 600  kHz, 1200  kHz), mientras que los sodars transmiten únicamente en el rango de los kilohercios bajos. La transmisión a mayor frecuencia es posible para los ADCP debido a las mejores propiedades de transmisión de sonido del agua, lo que también beneficia la compacidad del dispositivo (un diámetro típico de 25  cm / 10" o menos para los ADCP). Además, la impedancia acústica de los transductores no es la misma, ya que no operan en el mismo medio: aire para los sodars, agua para los ADCP; dicho de otro modo, un ADCP no funcionaría en el aire y un sodar no funcionaría bajo el agua. Finalmente, es más común que los ADCP utilicen cuatro haces, incluso cuando no utilizan una matriz de fase. Esto tiene la ventaja de agregar cierta redundancia, lo que hace que la estimación de las corrientes de agua sea más robusta frente al ruido. Esto también es factible para los sodars, pero a costa de agregar un cuarto transductor. El alcance operativo de los ADCP típicos es inferior a doscientos metros (este disminuye a medida que aumenta la frecuencia, como en el aire).

• Sistema de sondeo radioacústico
• energía eólica

•  Este artículo incorpora material de dominio público de la Guía de Monitoreo Meteorológico para Aplicaciones de Modelado Regulatorio (PDF) . Gobierno de los Estados Unidos .

• Remtech, líder mundial en perfiles acústicos de viento.
• Sociedad Internacional de Teledetección Acústica de la Atmósfera y los Océanos
• Instalación de Investigación Climática ARM, Perfilador de Viento por Radar
• Fulcrum3D Sodar para mediciones de velocidad del viento y elaboración de perfiles de viento.
• Perfilador de viento Vaisala Triton, SoDAR para la industria de la energía eólica.