ソダール

ソーダー（Sodar）は、音波探知と測距の頭字語で、大気の乱流による音波の散乱に基づいて風プロファイラーとして使用される気象計器です。ソーダー機器は、地上のさまざまな高さでの風速と、大気の下層の熱力学的構造を測定するために使用されます。

ソーダーシステムは、実際には水中ではなく空中で使用されるソナーシステムにすぎません。より具体的には、マルチビーム構成でドップラー効果を使用して風速を測定するため、音響ドップラー流速計(ADCP)として知られるソナーシステムのサブクラスと空中で正確に同等です。ソーダーシステムは、サウンダー、エコーサウンダー、音響レーダーなどとも呼ばれます。^[1]

上空の風の測定値を収集するために運用される市販のソーダーは、音響信号を送受信するアンテナで構成されています。モノスタティック システムでは、送信と受信に同じアンテナを使用しますが、バイスタティック システムでは、別々のアンテナを使用します。2 つのアンテナ システムの違いにより、大気散乱が温度変動によるものか (モノスタティック システムの場合)、または温度と風速の両方の変動によるものか (バイスタティック システムの場合) が決まります。

モノスタティック アンテナ システムは、複数軸の個別アンテナを使用するシステムと、単一のフェーズド アレイアンテナを使用するシステムの 2 つのカテゴリに分けられます。複数軸システムでは通常、特定の方向に向けられた 3 つの個別アンテナを使用して音響ビームを操縦します。3 つの独立した (つまり、非共線的な) 軸を使用すれば、風速の 3 つの成分を取得するのに十分ですが、軸の数を増やすと冗長性が増し、最小二乗法を使用して風速を推定するときにノイズに対する堅牢性が向上します。通常、1 つのアンテナは垂直に向けられ、他の 2 つは垂直から直交する角度でわずかに傾けられます。個々のアンテナのそれぞれは、パラボラ リフレクタに焦点を合わせた単一のトランスデューサを使用してパラボラ スピーカーを形成するか、またはすべて同相で送信するスピーカー ドライバとホーン(トランスデューサ)のアレイを使用して単一のビームを形成します。垂直からの傾斜角と各アンテナの方位角は、システムのセットアップ時に固定されます。

フェーズドアレイアンテナシステムは、スピーカードライバーとホーン（トランスデューサー）の単一アレイを使用し、ビームはトランスデューサーを適切に位相調整することによって電子的に制御されます。フェーズドアレイアンテナをセットアップするには、アレイの指向方向を水平またはメーカーの指定どおりに向けます。

風速の水平成分は、放射状に測定されたドップラー シフトと、垂直からの指定された傾斜角から計算されます。傾斜角、つまり天頂角は、通常 15 ～ 30 度で、水平ビームは互いに直角に向けられています。傾斜ビームに沿った放射成分のドップラー シフトには、風の水平成分と垂直成分の両方の影響が含まれるため、天頂角が 20 度未満のシステムでは、垂直速度の補正が必要です。また、システムが、垂直速度が約 0.2 m/s を超える可能性がある領域にある場合は、ビームの天頂角に関係なく、垂直速度の補正が必要です。

ソーダーの垂直範囲は約 0.2 ～ 2 キロメートル (km) で、周波数、出力、大気の安定性、乱気流、そして最も重要な、ソーダーが動作するノイズ環境の関数です。動作周波数は 1000 Hz 未満から 4000 Hz 以上までで、出力レベルは最大数百ワットです。大気の減衰特性により、高出力で低周波数のソーダーは一般に、より広い高度範囲をカバーします。一部のソーダーは、垂直解像度と範囲をアプリケーションに合わせて調整するために、異なるモードで動作させることができます。これは、パルス長と最大高度の間の緩和によって実現されます。^[2]

ソーダーは従来、大気研究に使用されていましたが、現在では風力発電プロジェクトの開発において、従来の風の監視の代替手段として使用されています。風力発電アプリケーションに使用されるソーダーは、通常、現代の風力タービンのサイズに相当する地上 50 メートルから 200 メートルの測定範囲に重点を置いています。Fulcrum3D FS1 ソーダー、REMTECH PA-XS ソーダー、AQ510 ソーダーなどの一部のソーダー製品は、この市場向けに特別に開発されました。

コンパクト ビーム ソーダーは、風向がソーダーの測定エリア全体で変化する複雑な地形でも精度が高くなります。ビーム角度をコンパクトにすることで、これらのソーダーは風向の変化による影響を軽減します。これにより、風の流れがより正確に推定され、風力タービンのエネルギー生産量も正確に推定されます。コンパクト ビーム ソーダーは固定エコーの影響も軽減し、よりコンパクトなユニット設計を可能にします。

多軸ソーダは、各音響ビームを順番に発射しなければならない単軸ソーダとは異なり、3 つの音響ビームすべてを同時に発射する機能を備えています。同時発射により、任意の期間に 3 倍のサンプル ポイントを提供できるため、信号対雑音比 (SNR) が向上し、データの可用性と精度が向上します。

風力エネルギー産業向けに設計されたソーダーは、データのトレーサビリティなどの重要な側面でも異なります。一部のメーカーは、ソーダーユニットから完全な信号とノイズのスペクトルデータを返さず、処理された風速データのみを返します。つまり、生データを再分析または再処理することはできません。

2 つのデバイスの背後にある基本的な物理原理はまったく同じです。どちらのデバイスも、音波を使用して環境の特性を遠隔的に判断します。どちらのデバイスもドップラー効果を使用して、少なくとも 3 つの非共線ビームの半径方向の速度を測定します。簡単な計算で、異なる高度での送信媒体 (空気または水) の速度の 3 つのベクトル成分が得られます。ソーダーと音響ドップラー流速プロファイラー(ADCP) はどちらも、ビームごとに個別のトランスデューサーを使用するか、フェーズド アレイを使用します。最後に、どちらのデバイスも圧電トランスデューサーを使用して音を生成および受信します。

ただし、ソーダーと ADCP の動作周波数は通常異なります。たとえばTeledyne RDI (この市場の事実上のリーダー)が製造する市販の ADCP は、通常、数百キロヘルツの範囲 (300 kHz、600 kHz、1200 kHz) の搬送周波数を使用しますが、ソーダーは低キロヘルツの範囲でのみ送信します。水のほうが音の伝達特性が優れているため、ADCP ではより高い周波数で送信することが可能であり、これはデバイスの小型化にも役立ちます (ADCP の直径は通常 25 cm / 10 インチ以下)。また、トランスデューサーの音響インピーダンスは同じではありません。これは、トランスデューサーが同じ媒体 (ソーダーの場合は空気、ADCP の場合は水) で動作しないためです。言い換えると、ADCP は空気中では動作せず、ソーダーは水中では動作しません。最後に、ADCP では、フェーズド アレイを使用していない場合でも、4 つのビームを使用するのが一般的です。これには、何らかの冗長性を追加できるという利点があり、水流の推定がノイズに対してより堅牢になります。これはソーダーでも可能ですが、4 つ目のトランスデューサーを追加するコストがかかります。一般的な ADCP の動作範囲は 200 メートル未満です (空気中の場合と同様に、周波数が高くなると短くなります)。

• 無線音響探知システム
• 風力

•  この記事には、米国政府の「規制モデリング アプリケーションのための気象監視ガイダンス(PDF)」のパブリック ドメイン資料が組み込まれています。

ウィキメディア・コモンズには、 Sodarsに関連するメディアがあります。

• レムテック 音響風プロファイリングの世界的リーダー
• 大気海洋音響リモートセンシング国際学会
• ARM 気候研究施設、レーダー風プロファイラー
• 風速測定と風速プロファイリングのためのFulcrum3D Sodar
• ヴァイサラ トリトン ウィンドプロファイラー、風力エネルギー業界向け SoDAR