Sodar , acrónimo de sonic detection and measuring , es un instrumento meteorológico utilizado como perfilador de viento basado en la dispersión de las ondas sonoras por la turbulencia atmosférica . Los equipos Sodar se utilizan para medir la velocidad del viento a varias alturas sobre el suelo, y la estructura termodinámica de la capa inferior de la atmósfera .
Los sistemas de sonares no son más que sistemas de sonares que se utilizan en el aire y no en el agua. Más concretamente, dado que funcionan utilizando el efecto Doppler con una configuración de múltiples haces para determinar la velocidad del viento, son el equivalente aéreo exacto de una subclase de sistemas de sonares conocidos como perfiladores de corrientes Doppler acústicos (ADCP). Otros nombres que se utilizan para los sistemas de sonares son sonda, ecosonda y radar acústico. [1]
Los sodares comerciales que se utilizan para tomar mediciones del viento en la atmósfera superior 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 los dos sistemas de antena 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 antena monoestáticos se pueden dividir en dos categorías: los que utilizan antenas individuales de varios ejes y los que utilizan una única antena de matriz en fase . Los sistemas de varios ejes generalmente utilizan tres antenas individuales dirigidas en direcciones específicas para dirigir el haz acústico. El uso de tres ejes independientes (es decir, no colineales) es suficiente para recuperar los tres componentes de la velocidad del viento, aunque el uso de más ejes agregaría redundancia y aumentaría la robustez al ruido al estimar la velocidad del viento, utilizando un enfoque de mínimos cuadrados . Una antena generalmente está dirigida verticalmente y las otras dos están inclinadas ligeramente con respecto a la vertical en un ángulo ortogonal. Cada una de las antenas individuales puede utilizar un solo transductor enfocado en un reflector parabólico para formar un altavoz parabólico , o una matriz de controladores de altavoces y bocinas ( transductores ), todos transmitiendo en fase para formar un solo haz. Tanto el ángulo de inclinación con respecto a la vertical como el ángulo acimutal de cada antena se fijan cuando se configura el sistema.
Los sistemas de antenas de matriz en fase utilizan un único conjunto de controladores de altavoces y bocinas (transductores), y los haces se dirigen electrónicamente ajustando la fase de los transductores de forma adecuada. Para configurar una antena de matriz en fase, la dirección de orientación de la matriz se nivela o se orienta según lo especificado por el fabricante.
Los 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, es generalmente de 15 a 30 grados, y los haces horizontales suelen estar orientados en ángulos rectos entre sí. Dado que el desplazamiento Doppler de los componentes radiales a lo largo de los haces inclinados incluye la influencia de los componentes horizontales y verticales del viento, se necesita una corrección de la velocidad vertical en sistemas con ángulos cenitales inferiores a 20 grados. Además, si el sistema está ubicado en una región donde las velocidades verticales pueden ser mayores que aproximadamente 0,2 m/s, se necesitan 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 es una función de la frecuencia , la potencia de salida, la estabilidad atmosférica, la turbulencia y, lo más importante, el entorno de ruido en el que se opera un sodar. Las frecuencias de operación varían de menos de 1000 Hz a 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 frecuencia más baja generalmente producirán una mayor cobertura de altura. Algunos sodars pueden operar en diferentes modos para adaptar mejor la resolución vertical y el alcance a la aplicación. Esto se logra a través de una relajación entre la longitud del pulso y la altitud máxima. [2]
Los sodars, que tradicionalmente se han utilizado en la investigación atmosférica, se están aplicando ahora como una alternativa a la monitorización tradicional del viento para el desarrollo de proyectos de energía eólica. Los sodars utilizados para aplicaciones de energía eólica suelen centrarse en un rango de medición de entre 50 y 200 m sobre el nivel del suelo, que corresponde al tamaño de las turbinas eólicas modernas. Algunos productos sodar, como el Fulcrum3D FS1 Sodar, el REMTECH PA-XS Sodar y el AQ510 Sodar, se han desarrollado específicamente para este mercado.
Los sodars de haz compacto son más precisos en terrenos complejos donde el vector del viento puede cambiar a lo largo del área de medición del sodar. Al proporcionar un ángulo de haz más compacto, estos sodars reducen el efecto de cualquier cambio en el vector del viento. Esto proporciona una estimación más precisa del flujo del viento y, por lo tanto, de la producción de energía de una turbina eólica. Los sodars de haz compacto también reducen el efecto de los ecos fijos y permiten un diseño de unidad más compacto.
Los sodars multieje brindan la capacidad de disparar simultáneamente los tres haces de sonido, a diferencia de los sodars de un solo eje que deben disparar cada haz de sonido secuencialmente. El disparo simultáneo puede proporcionar tres veces la cantidad de puntos de muestra en un período determinado, lo que da como resultado una relación señal/ruido (SNR) más alta, mayor disponibilidad de datos y mayor precisión.
Los sodars diseñados para la industria de la energía eólica también difieren en aspectos importantes como la trazabilidad de los datos, ya que algunos fabricantes no devuelven datos completos del espectro de señal y ruido de la unidad sodar, sino que solo devuelven datos procesados de la velocidad del viento. Esto significa que los datos sin procesar no se pueden volver a analizar ni reprocesar.
Los principios físicos subyacentes de ambos dispositivos son exactamente los mismos. Ambos utilizan ondas sonoras para determinar de forma remota las propiedades del entorno. Ambos utilizan el efecto Doppler para medir las velocidades radiales en al menos tres haces no colineales, que después de cálculos sencillos producen los tres componentes vectoriales de la velocidad del medio de transmisión (aire o agua) a diferentes altitudes. Tanto los sodars como los perfiladores de corriente acústica Doppler (ADCP) pueden utilizar transductores separados para cada haz o utilizar matrices en fase. Por último, ambos dispositivos pueden utilizar transductores piezoeléctricos para producir y recibir el sonido.
Sin embargo, las frecuencias de funcionamiento entre los sodars y los ADCP suelen ser diferentes. Los ADCP comerciales, como los que fabrica, por ejemplo , Teledyne RDI (el líder de facto de este mercado), suelen utilizar frecuencias portadoras que se encuentran en el rango de cientos de kilohercios (300 kHz, 600 kHz, 1200 kHz), mientras que los sodars transmiten solo en el rango de los kilohercios bajos. La transmisión a una frecuencia más alta es posible para los ADCP debido a las mejores cualidades de transmisión de sonido del agua, y esto también beneficia a la compacidad del dispositivo (un diámetro de típicamente 25 cm / 10" o menos para los ADCP). Además, la impedancia acústica de los transductores no es la misma, porque no operan en el mismo medio: aire para sodars, agua para ADCP; dicho de otra manera, 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 están utilizando un arreglo en fase. Esto tiene el beneficio de agregar alguna forma de redundancia, haciendo así que la estimación de las corrientes de agua sea más robusta al ruido. Esto también es factible para los sodars, pero por el costo de agregar un cuarto transductor. El rango operativo de los ADCP típicos es de menos de doscientos metros (esto disminuye a medida que aumenta la frecuencia, como en el aire).
Este artículo incorpora material de dominio público de la Guía de monitoreo meteorológico para aplicaciones de modelado regulatorio (PDF) . Gobierno de los Estados Unidos .