سودار

سودار (بالإنجليزية: Sodar)، اختصارًا لـ "الكشف الصوتي وتحديد المدى" (sonic detection and ranging)، هو جهاز أرصاد جوية يُستخدم كمُحدد للرياح يعتمد على تشتت الموجات الصوتية بفعل الاضطرابات الجوية. يُستخدم جهاز سودار لقياس سرعة الرياح على ارتفاعات مختلفة فوق سطح الأرض، والبنية الديناميكية الحرارية للطبقة السفلى من الغلاف الجوي.

أنظمة السودار ليست في الواقع سوى أنظمة سونار تُستخدم في الجو لا في الماء. وبشكل أكثر تحديدًا، نظرًا لأنها تعمل باستخدام تأثير دوبلر مع تكوين متعدد الحزم لتحديد سرعة الرياح، فهي تُعادل تمامًا في الجو فئة فرعية من أنظمة السونار تُعرف باسم مُحللات تيار دوبلر الصوتية (ADCP). ومن الأسماء الأخرى المُستخدمة لأنظمة السودار: مُجسّ الصوت، ومُجسّ الصدى، والرادار الصوتي. 

 سودار دوبلر 
تتكون أجهزة قياس رياح الهواء العلوي التجارية من هوائيات ترسل وتستقبل الإشارات الصوتية. يستخدم النظام أحادي السكون الهوائي نفسه للإرسال والاستقبال، بينما يستخدم النظام ثنائي السكون هوائيات منفصلة. يحدد الفرق بين نظامي الهوائي ما إذا كان التشتت الجوي ناتجًا عن تقلبات درجة الحرارة (في الأنظمة أحادية السكون)، أو عن تقلبات درجة الحرارة وسرعة الرياح (في الأنظمة ثنائية السكون).

يمكن تقسيم أنظمة الهوائيات أحادية السكون إلى فئتين: تلك التي تستخدم هوائيات فردية متعددة المحاور، وتلك التي تستخدم هوائي مصفوفة أحادي الطور. تستخدم الأنظمة متعددة المحاور عمومًا ثلاثة هوائيات فردية موجهة في اتجاهات محددة لتوجيه الحزمة الصوتية. ويكفي استخدام ثلاثة محاور مستقلة (أي غير متزامنة) لاسترجاع المكونات الثلاثة لسرعة الرياح، على الرغم من أن استخدام المزيد من المحاور سيضيف التكرار ويزيد من المتانة للضوضاء عند تقدير سرعة الرياح، باستخدام نهج المربعات الصغرى. ويوجه هوائي واحد عمومًا رأسيًا، ويتم إمالة الهوائيين الآخرين قليلاً عن الرأسي بزاوية متعامدة. وقد يستخدم كل هوائي فردي محول طاقة واحدًا مركّزًا في عاكس مكافئ لتشكيل مكبر صوت مكافئ، أو مجموعة من محركات مكبرات الصوت والأبواق (المحولات) التي ترسل جميعها في الطور لتشكيل حزمة واحدة. ويتم تثبيت كل من زاوية الميل من الرأسي وزاوية السمت لكل هوائي عند إعداد النظام.

تستخدم أنظمة هوائيات المصفوفة الطورية مصفوفة واحدة من مشغلات مكبرات الصوت والأبواق (المحولات)، ويتم توجيه الحزم إلكترونيًا عن طريق ضبط طور المحولات بشكل مناسب. لإعداد هوائي مصفوفة طورية، يكون اتجاه توجيه المصفوفة إما مستويًا أو موجهًا وفقًا لما تحدده الشركة المصنعة.
بديل=AQ500 in northern Sweden.|تصغير|300x300بك|يستخدم سودار AQ500 في تطوير طاقة الرياح ومراقبة حالة الرياح.
تُحسب المكونات الأفقية لسرعة الرياح من خلال إزاحات دوبلر المقاسة شعاعيًا وزاوية الميل المحددة عن العمودي. تتراوح زاوية الميل، أو زاوية السمت، عادةً بين 15 و30 درجة، وتكون العوارض الأفقية عادةً متعامدة على بعضها البعض. بما أن إزاحة دوبلر للمكونات الشعاعية على طول العوارض المائلة تتضمن تأثير كلٍّ من المكونات الأفقية والرأسية للرياح، يلزم تصحيح السرعة الرأسية في الأنظمة ذات زوايا السمت التي تقل عن 20 درجة. كذلك، إذا كان النظام يقع في منطقة قد تكون فيها السرعات الرأسية أكبر من حوالي 0.2 م/ث، هناك حاجة إلى تصحيحات للسرعة الرأسية، بغض النظر عن زاوية ذروة الشعاع.

يتراوح المدى الرأسي لأجهزة السودار بين 0.2 و2 كيلومتر تقريبًا، ويعتمد على التردد، ومخرجات الطاقة، والاستقرار الجوي، والاضطرابات، والأهم من ذلك، بيئة الضوضاء التي تعمل فيها. تتراوح ترددات التشغيل بين أقل من 1000 هرتز إلى أكثر من 4000 هرتز، بمستويات طاقة تصل إلى مئات الواط. ونظرًا لخصائص التوهين في الغلاف الجوي، تُنتج أجهزة قياس الطاقة العالية والتردد المنخفض تغطيةً أعلى للارتفاعات. ويمكن تشغيل بعض أجهزة قياس الطاقة بأوضاع مختلفة لمطابقة الدقة والمدى الرأسي بشكل أفضل مع التطبيق. ويتحقق ذلك من خلال التوازن بين طول النبضة وأقصى ارتفاع. 

 تطبيقات 
يسار|تصغير|240x240بك|مراقبة الرياح باستخدام سودار نقطة ارتكاز ثلاثية الأبعاد
تُستخدم أجهزة قياس السودار تقليديًا في أبحاث الغلاف الجوي، وتُستخدم الآن كبديل لرصد الرياح التقليدي في تطوير مشاريع طاقة الرياح. عادةً ما تُركز أجهزة قياس السودار المستخدمة في تطبيقات طاقة الرياح على نطاق قياس يتراوح بين 50 مترًا و200 متر فوق مستوى سطح الأرض، وهو ما يُعادل حجم توربينات الرياح الحديثة. وقد طُوّرت بعض منتجات أجهزة قياس السودار خصيصًا لهذا السوق، مثل جهاز Fulcrum3D FS1 Sodar، وجهاز REMTECH PA-XS، وجهاز AQ510.

تتميز أجهزة قياس الرياح ذات الحزم المدمجة بدقة أكبر في التضاريس المعقدة، حيث يتغير اتجاه الرياح عبر منطقة قياس الجهاز. ومن خلال توفير زاوية شعاع أكثر إحكامًا، تُقلل هذه الأجهزة من تأثير أي تغيير في اتجاه الرياح، مما يوفر تقديرًا أدق لتدفق الرياح، وبالتالي إنتاج الطاقة من توربينات الرياح. كما تُقلل أجهزة قياس الرياح ذات الحزم المدمجة من تأثير الصدى الثابت، وتتيح تصميمًا أكثر إحكامًا للوحدة.

تتيح أجهزة الرصد متعددة المحاور إطلاق حزم الصوت الثلاثة في آنٍ واحد، على عكس أجهزة الرصد أحادية المحور التي يجب أن تُطلق كل حزمة صوتية بالتتابع. يوفر الإطلاق المتزامن ثلاثة أضعاف عدد نقاط العينة في أي فترة زمنية، مما يؤدي إلى ارتفاع نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، وزيادة توافر البيانات، ودقة أعلى.

تتيح أجهزة الرصد متعددة المحاور إطلاق حزم الصوت الثلاثة في آنٍ واحد، على عكس أجهزة الرصد أحادية المحور التي يجب أن تُطلق كل حزمة صوتية بالتتابع. يوفر الإطلاق المتزامن ثلاثة أضعاف عدد نقاط العينة في أي فترة زمنية، مما يؤدي إلى ارتفاع نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، وزيادة توافر البيانات، ودقة أعلى.

 القياس والاختلاف بين السودار ومُحلل تيار دوبلر الصوتي 
المبادئ الفيزيائية الأساسية للجهازين متطابقة تمامًا. يستخدم كلا الجهازين الموجات الصوتية لتحديد خصائص البيئة عن بُعد. ويستخدم كلاهما تأثير دوبلر لقياس السرعات الشعاعية على ثلاث حزم ضوئية غير متوازية على الأقل، والتي تُعطي، بعد حسابات بسيطة، المكونات المتجهة الثلاثة لسرعة الوسط الناقل (الهواء أو الماء) على ارتفاعات مختلفة. يمكن لكل من أجهزة قياس السودار وأجهزة تحليل تيار دوبلر الصوتية (ADCP) استخدام محولات طاقة منفصلة لكل حزمة ضوئية أو استخدام مصفوفات طورية. وأخيرًا، يمكن لكلا الجهازين استخدام محولات طاقة كهرضغطية لإنتاج الصوت واستقباله.

ومع ذلك، عادةً ما تختلف ترددات التشغيل بين أجهزة السودار وأجهزة ADCP. عادةً ما تستخدم أجهزة ADCP التجارية ، كما تُصنّعها شركة تيليدين (الرائدة فعليًا في هذا السوق)، ترددات حاملة تتراوح بين مئات الكيلوهرتز (300 كيلوهرتز، 600 كيلوهرتز، 1200 كيلوهرتز) بينما تُرسل أجهزة السودار فقط في نطاق الكيلوهرتز المنخفض. يُمكن لأجهزة ADCP الإرسال بتردد أعلى نظرًا لخصائص نقل الصوت الأفضل للماء، وهذا يُفيد أيضًا سعة الجهاز (يبلغ قطره عادةً 25 سم / 10بوصات أو أقل لمحولات ADCP). كذلك، تختلف المعاوقة الصوتية للمحولات، لأنها لا تعمل في نفس الوسط: الهواء لأجهزة السودار، والماء لأجهزة ADCP؛ بمعنى آخر، لا يعمل جهاز ADCP في الهواء، ولا يعمل جهاز السودار تحت الماء. وأخيرًا، من الشائع استخدام أربعة أشعة في أجهزة ADCP، حتى عند عدم استخدام مصفوفة طورية. وهذا يُضيف نوعًا من التكرار، مما يجعل تقدير تيارات الماء أكثر مقاومة للضوضاء. وهذا ممكن لأجهزة السودار أيضًا، ولكن بتكلفة إضافة محول طاقة رابع. يبلغ مدى تشغيل أجهزة ADCP النموذجية أقل من مئتي متر (ينخفض هذا المدى مع زيادة التردد، كما هو الحال في الهواء).

 انظر أيضا 

 طاقة الرياح

 مراجع 

 روابط خارجية 

 شركة Remtech الرائدة عالميًا في مجال تحليل الرياح الصوتية
 الجمعية الدولية للاستشعار عن بعد الصوتي للغلاف الجوي والمحيطات
 مرفق أبحاث المناخ ARM، رادار الرياح
 Fulcrum3D Sodar لقياس سرعة الرياح ورسم ملامح الرياح
 جهاز Vaisala Triton Wind Profiler، SoDAR لصناعة طاقة الرياح

تصنيف:تجهيزات علم الأرصاد الجوية
تصنيف:صفحات بترجمات غير مراجعة