Sodar , acrónimo de detección y alcance sónico , es un instrumento meteorológico utilizado como perfilador del viento basado en la dispersión de ondas sonoras por la turbulencia atmosférica . Los equipos de 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 .
En realidad, los sistemas de sodar no son más que sistemas de sonar utilizados en el aire y no en el agua. Más específicamente, dado que funcionan utilizando el efecto Doppler con una configuración de haces múltiples para determinar la velocidad del viento, son el equivalente exacto en el aire de una subclase de sistemas de sonar conocidos como perfiladores acústicos de corriente Doppler (ADCP). Otros nombres utilizados para los sistemas de sodar incluyen sonda, ecosonda y radar acústico. [1]
Los radares comerciales utilizados para recopilar mediciones del viento en altitud consisten en 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 de temperatura y velocidad del viento (en sistemas biestáticos).
Los sistemas de antenas monoestáticas se pueden dividir en dos categorías: los que utilizan antenas individuales de múltiples ejes y los que utilizan una antena monofásica . Los sistemas de ejes múltiples generalmente utilizan tres antenas individuales dirigidas en direcciones específicas para dirigir el haz acústico. Usar tres ejes independientes (es decir, no colineales) es suficiente para recuperar los tres componentes de la velocidad del viento, aunque usar 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 apunta verticalmente y las otras dos están ligeramente inclinadas desde la vertical en un ángulo ortogonal. Cada una de las antenas individuales puede utilizar un único transductor enfocado en un reflector parabólico para formar un altavoz parabólico , o una serie de controladores de altavoz y bocinas ( transductores ), todos transmitiendo en fase para formar un solo haz. Tanto el ángulo de inclinación desde la vertical como el ángulo de acimut de cada antena se fijan cuando se configura el sistema.
Los sistemas de antenas de matriz en fase utilizan una única matriz de controladores de altavoz y bocinas (transductores), y los haces se dirigen electrónicamente colocando en fase los transductores de manera adecuada. Para configurar una antena de matriz en fase, la dirección de orientación de la matriz es nivelada u orientada 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 ángulo recto entre sí. Dado que el desplazamiento Doppler de las componentes radiales a lo largo de los haces inclinados incluye la influencia de las componentes horizontal y vertical del viento, se necesita una corrección para 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 función de la frecuencia , la potencia de salida, la estabilidad atmosférica, la turbulencia y, lo más importante, el entorno ruidoso en el que se opera un sodar. Las frecuencias de funcionamiento 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 sodares de alta potencia y menor frecuencia generalmente producirán una mayor cobertura de altura. Algunos sodars pueden funcionar en diferentes modos para adaptar 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]
Utilizados tradicionalmente en la investigación atmosférica, los sodars ahora se están aplicando como una alternativa al monitoreo tradicional del viento para el desarrollo de proyectos de energía eólica. Los sodares utilizados para aplicaciones de energía eólica suelen centrarse en un rango de medición de 50 a 200 m sobre el nivel del suelo, correspondiente al tamaño de las turbinas eólicas modernas. Algunos productos de sodar, como Fulcrum3D FS1 Sodar, REMTECH PA-XS Sodar y AQ510 Sodar, se han desarrollado específicamente para este mercado.
Los sodares de haz compacto son más precisos en terrenos complejos donde el vector del viento puede cambiar en el área de medición del sodar. Al proporcionar un ángulo de haz más compacto, estos sodares reducen el efecto de cualquier cambio en el vector del viento. Esto proporciona una estimación más precisa del flujo de viento y, por tanto, de la producción de energía de una turbina eólica. Los sodares de haz compacto también reducen el efecto de los ecos fijos y permiten un diseño de unidad más compacto.
Los sodares de ejes múltiples brindan la capacidad de disparar simultáneamente los tres haces de sonido, a diferencia de los sodares 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 cualquier período determinado, lo que resulta en una mayor relación señal-ruido (SNR), 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 de 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 detrás de los dos dispositivos son exactamente los mismos. Ambos dispositivos utilizan ondas sonoras para determinar de forma remota las propiedades del medio ambiente. Ambos dispositivos utilizan el efecto Doppler para medir velocidades radiales en al menos tres haces no colineales, que después de cálculos simples arrojan los tres componentes vectoriales de la velocidad del medio transmisor (aire o agua) a diferentes altitudes. Tanto los sodars como los perfiladores de corriente Doppler acústicos (ADCP) pueden utilizar transductores separados para cada haz o utilizar conjuntos en fase. Finalmente, ambos dispositivos podrán 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 fabricados, por ejemplo, por 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 sólo en el rango bajo de kilohercios. Es posible transmitir a una frecuencia más alta 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 típico de 25 cm / 10" o menos para los ADCP). Además, la impedancia acústica La forma de los transductores no es la misma, porque 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. Es más común que los ADCP utilicen cuatro haces, incluso cuando no utilizan una matriz en fase. Esto tiene la ventaja de añadir alguna forma de redundancia, lo que hace 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 inferior a doscientos metros (esto disminuye a medida que aumenta la frecuencia, como en el aire).
Este artículo incorpora material de dominio público de Guía de monitoreo meteorológico para aplicaciones de modelado regulatorio (PDF) . Gobierno de Estados Unidos .