eng
Web-семинары Сенс-Оптик
Информационные материалы : Содары - общая информация

« Вернуться к списку продукции

 
Содары – системы, которые используются для дистанционного измерения структуры вертикальной турбулентности и профиля ветра в нижних слоях атмосферы.
Системы содаров, подобны радарам (детектирование и определение расстояния посредством радиоволн), за исключением того, что звуковые волны удобнее использовать для выполнения указанных задач.  Содары называют также акустическими зондами, эхозондами, акустическими радарами. Более знакомый термин – сонар, который используют для навигации с помощью звуковых волн. Однако, системы сонаров детектируют присутствие и локализацию объектов, погруженных в воду (например, подводных лодок), посредством анализа звукового сигнала, отраженного от них и возвратившегося к источнику звуковых колебаний. Системы содаров аналогичны, с важным отличием: среда распространения звуковых волн здесь – воздух, а не вода, и рассеивание сигнала происходит благодаря наличию турбулентности в атмосфере (слоев с различной плотностью воздуха и различным порядком движения воздушных масс).
Большинство систем содаров работают, испуская за короткие промежутки времени акустический пульсирующий сигнал, и затем принимая отраженный сигнал.
Вообще, интенсивность, как и т.н. Доплеровский сдвиг (частотный) отраженного сигнала, анализируются с целью определения скорости ветра, его направления и характеристик турбулентности атмосферы. Профиль атмосферы, как функция высоты, может быть получен путем анализа отраженного сигнала; который фиксируется приемным устройством после каждого переданного передатчиком импульса. Отраженный сигнал, который будет зафиксирован при любом времени задержки между передачей и приемом (откликом) позволяет получить данные о состоянии атмосферы с распределением по высоте, зависящие от скорости распространения звука в различных средах.
Системы содаров имеют максимальный диапазон в пределах от сотни до нескольких сотен метров высоты. Максимальный диапазон высоты может быть достигнут в местах установки содара, которые характеризуются низким уровнем окружающего шума и умеренно высокой относительной влажностью воздуха. В пустынях диапазон высоты ниже за счет того, что затухание звука сильнее в сухом воздухе.
 Содары могут быть использованы всюду, где необходимо определять характеристики распространения ветра. Некоторые типичные применения: изучение дисперсии атмосферы, распределения ветра, предупреждение бурь, оперативный мониторинг ветра, анализ распространения звука, оценка микроволновых взаимодействий и контроль вихревых потоков самолетов.
По некоторым своим преимуществам системы содаров заменяют высокие мачты с множеством расположенных на них датчиков температуры и ветра. По сравнению с установкой такой мачты установить содар значительно дешевле и проще. И если учесть все эти затраты, содар станет уже не дорогостоящим изделием, а более дешевой и надежной альтернативой.  
 Также следует учесть, что предел по высоте для метеомачт – около 150 м. Большинство содаров дают возможность получить надежные данные на значительно больших высотах. 
Недостатки содаров аналогичны недостаткам метеомачт с установленными по месту сенсорами. Основной недостаток – это то, что система не может предоставлять данных с высокой достоверностью во время сильных осадков. Другой недостаток в том, что содар обеспечивает в основном измерение так называемого среднего ветра. Другие параметры ветра, такие как стандартное отклонение скорости и направления ветра и порывы ветра, обычно недоступны или недостаточно надежны. Это связано с тем, что результаты измерения содара не привязаны к точке и времени так, как это имеет место для конкретного метеодатчика: измерения происходят одновременно в больших объемах в различное время. 
Движение слоев атмосферы – следствие ветра и турбулентности (беспорядочные флуктуации небольших вертикальных и горизонтальных потоков). Атмосферная турбулентность является результатом тепловых и механических взаимодействий. Тепловая природа турбулентности – результат различной температуры в различных слоях атмосферы, т.е. градиента температуры. Механическая природа вызвана движением воздуха в связи с наличием естественных или антропогенных препятствий, или, условно говоря, неровностью поверхности земли. Суммарная турбулентность приводит к образованию различных воздушных потоков, завихрений различных размеров.  
Когда пульсирующий акустический сигнал (звук) проходит через атмосферу, он встречает на своем пути вихревые потоки, что приводит к рассеянию энергии звуковых волн во всех направлениях.    Несмотря на различный характер взаимодействия звука с турбулентными потоками, часть акустической энергии всегда возвращается   назад (отражается, рассеивается) к источнику ее испускания. Это отраженный сигнал (атмосферное эхо), которое может быть измерено моностатическим содаром. Моностатический содар включает две антенны – приемную и передающую, расположенные таким образом, что угол рассеяния между анализируемой средой и антенной составляет 180 С. Это позволяет принимать рассеянный сигнал, вызванный только температурной турбулентностью.
В бистатическом содаре приемная и передающая антенны расположены в разных местах, следовательно углы рассеяния отличаются от 180. Если угол рассеяния отличается от 180 , будет получен рассеянный сигнал, вызванный как тепловой, так и механической турбулентностью. В принципе, это позволяет получить более сильный и более длительный сигнал, но почти все предлагаемые содары – моностатические, так они имеют более простую конструкцию и более практичны в применении. 
Моностатический содар позволяет получить достаточно много информации о состоянии атмосферы. Это интенсивность, или амплитуда сигнала, пропорциональная функции CT2, которая характеризует температурный профиль и стабильность атмосферы. CT2 имеет характерные формы в приземных инверсиях, в приподнятых инверсионных слоях, на периферии конвективных или тепловых потоков, на фронтальных границах морского или континентального ветра, и на поверхностях между воздушными массами с различной температурой.  
Благодаря эффекту Доплера, суть которого в изменении частоты рассеянного сигнала по отношению к частоте переданного сигнала, можно контролировать движение воздушных масс относительно источника рассеяния. Когда мишень (отражающий сигнал турбулентный вихрь) перемещается по направлению к антенне содара, частота рассеянного сигнала будет выше, чем частота переданного сигнала. Наоборот, когда мишень удаляется от антенны, частота рассеянного сигнала будет ниже. Эта физическая характеристика используется в Доплеровском содаре для измерения атмосферного ветра и турбулентности. 
Посредством измерения интенсивности и частоты отраженного сигнала, как функции времени, прошедшего после передачи пульсаций, может быть определена тепловая структура и радиальная скорость в атмосфере на различных расстояниях от передающей антенны. Дополнительную информацию можно получить благодаря передаче последовательных пакетов пульсаций в вертикальном направлении и в двух или более ортогональных направлениях под небольшим углом к вертикальным. Для получения вертикального профиля ветра и скорости ветра в горизонтальном и вертикальном направлении используются геометрические расчеты. 
Содар передает и принимает звуковые сигналы в пределах специфичной частотной полосы. Любой посторонний шум в пределах этой полосы влияет на полученный сигнал. Так как сила отраженного сигнала обычно сильно изменяется с высотой, более слабый сигнал с более высокого слоя атмосферы, с большей вероятностью может быть потерян из-за постороннего шума. Таким образом, высокий уровень постороннего шума уменьшает максимальную высоту по сравнению с тем значением, которое могло быть получено в отсутствие шума. Определенные источники шума могут влиять на работу содара. Таким образом, важно определить потенциально мешающие источники шума и установить минимальный уровень фонового шума при выборе места установки содара.
Другим принципиальным вопросом, касающимся работы содара, являются помехи от земной поверхности. Влияние этого фактора особенно сильно, когда боковая составляющая сигнала содара от передающей антенны отражается близко расположенными объектами – зданиями, деревьями, трубами и т.д. Этот эффект может подавлять рассеянный атмосферой сигнал и приводить к получению искаженных данных с противоположным наклоном характеристик ветра. Таким образом, содар следует располагать на открытых местностях, не имеющих преград для распространения, или проектировать их с учетом компенсации возможных искажений боковых составляющих.Практически все современные содары – моностатические, что означает, что приемная и передающая антенны расположены рядом, или одна и та же антенна является и приемной, и передающей. 
Также, большинство имеющихся сейчас на рынке содаров – многоосевые, что означает, что они имеют возможность детектировать сдвиг частоты сигнала в трех или более радиальных направлениях и использовать эти данные для получения профилей скорости и направления ветра, а также вертикальной структуры атмосферы.
Основной компонент системы – антенна. Именно типом антенны различаются различные содары. Одно из передовых достижений – это всепогодные антенны. Для этого используется несколько подходов. Один из первоначальных подходов – использовать параболические тарелки, имеющие, как правило, диаметр в 1,2 м, с направленной вверх фокальной точкой. Громкоговоритель устанавливается в фокальной точке, сигнал направлен вниз, к поверхности параболической тарелки, что обеспечивает защиту громкоговорителя от прямых осадков. Вообще, оболочка, использованная вокруг параболических тарелок, необходима для уменьшения боковой интерференции, а также для экранирования антенны от шума ветра и постороннего шума. В многоосевой системе обычно используются три параболических антенны, одна из которых направлена вертикально, а другие – под небольшим углом (обычно 20 -30°). Во время работы содара все три антенны могут быть использованы последовательно или одновременно.   При одновременном использовании всех трех антенн они работают с различной частотой, поэтому рассеянные сигналы не влияют друг на друга
Согласно самому современному подходу к проектированию содаров, в них используется решетка из множества небольших элементов, от 16 до 100 или более, состоящих из пъезоэлектрических источников звуковых сигналов. Несмотря на то, что такая конструкция значительно сложнее параболических тарелок, она имеет некоторые преимущества. В отличии от параболической антенны, которая имеет ограничения по мощности, связанное с применением мощных громкоговорителей, мощность антенны с решетками может быть увеличена за счет добавления элементов. Однако, реальной движущей силой в развитии содаров с антенной решеткой является использование технологии фазированной решетки. Эта технология предоставляет возможность управления полосой звуковых колебаний в любом направлении. Это означает, что система с фазированной решеткой может быть использована для получения данных по многим осям. 
Одна из основных проблем в использовании антенн с фазированной решеткой – предохранить элементы антенны от осадков. Для этого выработано два главных подхода:   1) использование специально спроектированных источников сигнала закругленной формы, присоединенных к каждому элементу решетки; 2) использование платы рефлекторов таким образом, чтобы элементы решетки не были направлены вверх.
Каждый из этих подходов имеет свои преимущества и недостатки. При использовании закругленных источников решетка может быть установлена горизонтально. Может также потребоваться небольшой экран вокруг решетки. 
При использовании платы рефлектора решетка, как правило, располагается вертикально и пакеты колебаний отражаются от платы рефлектора. Это защищает от проникновения осадков в громкоговорители решеток и делает возможным применение стандартных громкоговорителей в качестве элементов решетки. Недостатком этой системы является то, что применение платы рефлектора и оболочки приводит к тому, что система становится более громоздкой. В условиях холодного климата закругленные источники должны подогреваться для расплавления снега, в то время как в системе с платой рефлекторов должна подогреваться плата, что предоставляет некоторые преимущества.
Еще одним важным отличием содаров различных марок является использование одночастотной версии частотно –кодированных пульсаций. В одночастотной системе передается сигнал только одной частоты. Такие содары отличаются характерным звоном, имеющим место в процессе работы. Одночастотная система позволяет получать точные данные с низкой высоты (15 – 20 м), которые могут быть быстро получены благодаря короткой длине передающего пучка.
Одночастотные системы могут быть легко протестированы в полевых условиях с использованием независимого тестирующего устройства (ответчик содара). В системах, где используются кодированные по частоте пульсации, передающий пакет состоит из сигналов различной частоты, которые испускаются сериями, чему сопутствует «поющий» шумом при работе. Кодирование по частоте дает возможность получать данные на максимальной высоте без потери разрешения. Хотя кодирование по частоте позволяет увеличить высоту, оно имеет некоторые недостатки: В зависимости от исполнения, кодирование по частоте может приводить к нежелательному сглаживанию данных в системе с фазированной решеткой. При работе с максимальными высотами качество данных для небольшой высоты может уменьшаться из-за длинной паузы между пакетами. Также кодирование затрудняет выполнение тестирования системы в полевых условиях, мешая работе ответчика.
Обработка сигнала – еще одна область, в которой могут иметься существенные различия между содарами различных марок. Большинство коммерческих содаров сейчас используют метод быстрой передачи Фурье (FFT) для получения Доплеровского сдвига. Но до и после обработки по методу FFT могут применяться различные методики. Основное их назначение – улучшить детектирование сигнала. Одна из таких методик – усреднение сигнала. Усреднение может быть использовано по времени и по частоте с целью уменьшения шума и улучшения пропорции сигнал/шум, что обычно является основным критерием приемлемости данных. Имеются два главных подхода в плане обработки данных: 1) усреднение спектра всех последовательных пакетов пульсаций с выделением района с максимальной спектральной энергией; 2) локализация района с максимальной энергией в каждом пакете с последующим усреднением результатов.   Согласно более поздним разработкам количество значимых проб (пакетов сигналов) для расчета периода усреднения можно использовать как дополнительный критерий для оценки приемлемости данных. В обоих случаях методика, известная как "bin averaging" часто используется для локализации указанного диапазона частот в пределах рабочей полосы содара. Это также позволяет улучшить спектральное разрешение FFT. 
Возможности сохранения и представления данных также существенно различаются в зависимости от типа используемого содара. Большинство систем предоставляет возможность получения данных в виде текста и диаграмм, иллюстрирующих горизонтальный и вертикальный профили ветра, данные по интенсивности сигналов. Могут быть также представлены специфические характеристики ветра, что полезно для контроля качества работы системы. Вывод спектральных данных на дисплей также очень полезен с точки зрения эксплуатации системы, но не все содары имеют такую функцию. Данные, характеризующие качество сигнала, обычно также выводятся на дисплей и сохраняются в отчетах. Как минимум, отслеживается соотношение сигнал/шум, но общих правил среди производителей содаров нет. Из-за большого объема генерируемых содаром данных, сохраняются только усредненные значения, непрерывные ряды данных не сохраняются. Каждый содар имеет свой уникальный формат сохранения данных. Даже если сохраняются только усредненные значения, для обработки, оценки достоверности, составления отчетов и архивирования потребуется специальное программное обеспечение. Порядок распространения звуков в атмосфере изучается уже более 200 лет, но только в последние 50 лет акустическое рассеяние используется как средство изучения структуры слоев атмосферы. В США во время второй мировой войны акустический анализатор рассеянного сигнала в атмосфере был использован для проверки низкотемпературных инверсий, поскольку они влияют на распространение звуковых волн. В конце 1950-х годов исследования с использованием анализатора рассеянного сигнала, проведенные в СССР и Австралии, показали что эхо может быть надежно использовано на высоте до нескольких сотен метров. Начиная с конца 60-х – начала 70-х годов, ученые Национальной Океанической и Атмосферной Администрации (U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) продемонстрировали практическую применимость акустических зондов для измерения ветра в атмосфере с использованием принципа сдвига Доплера, а также для контроля структуры температурных инверсий. 
В 70-е годы разработкой и модернизацией конструкций акустических зондов серьезно занимались несколько научно-исследовательских групп в США. Одной из первых моделей, созданных в коммерческих целях, был содар модели 300, выпущенный корпорацией AeroVironment, Inc. , Калифорния. Эта система была спроектирована с целью измерения структуры турбулентности атмосферы и позволяла получать данные на высоте до нескольких сотен метров. В 1974 году NOAA разработала содар Марк VII, который представлял собой портативную систему, которую назвали акустическим эхозондом. Оба содара (модель 300 и Марк VII) были спроектированы на базе параболической тарелки диаметром 1,2 м. В их комплект входил аналоговый самописец для составления отчетов об уровне отраженного сигнала. 
В 1975 году исследователи Университета Невада совместно с корпорацией Scientific Engineering System, Inc. (SES) разработали первый цифровой акустический зонд, внедрив в систему микрокомпьютер. В последующем благодаря работам, выполненным в SES NOAA появился трех-осевой цифровой акустический содар. Это была современная система, способная измерять Доплеровский сдвиг и интенсивность отраженного сигнала в реальном времени. Трех-осевая система позволила определять вертикальный профиль скорости и направления ветра. В конце 1970-х годов SES разработала коммерческий Доплеровский содар, который был назван Echosonde®.  В начале 80-х корпорация Radian Corporation использовала Echosonde для создания трех-осевого Доплеровского содара с микрокомпьютером.  
В 80-х годах разработки Доплеровских содаров осуществлялись параллельно другими компаниями, в частности Xonics, Inc., которая предложила Xondar содар, позволявший контролировать профиль ветра и турбулентность. AeroVironment, Inc. предложила содар AVIT.  Это была трех-осевая система на базе трех регулируемых параболических тарелок, которые работали последовательно. Одна была направлена вертикально, другие две были сориентированы в двух направлениях под углом в 30 °  по отношению к вертикальной оси.
Содары для коммерческого использования были также разработаны в Австралии, Японии, Германии и Франции. Наиболее известен среди них – содар компании Remtech.(Франция). Эта компания одной их первых коммерциализировала содары с фазовой антенной решеткой, которые позволяли измерять сдвиг Доплера и параметры турбулентности на высоте 1000 м и более. Remtech также одним из первых применил мультичастотное кодирование в содарах, что позволило значительно увеличить высоту. Среди других компаний, создавших содары для коммерческого использования - Metek и Scintec в Германии, Kaijo Corporation в Японии, Atmospheric Research Pty Ltd в Австралии.
Содары с фазовой антенной решеткой были созданы в США в конце 80-х – начале 90-х годов в компаниях Xonics, Radian Corporation и AeroVironment. Содар ART модели VT-1 был разработан в конце 90-х годов. Модель VT-1 – это содар с фазовой антенной решеткой, в котором использован переносной компьютер для   управления системой. Благодаря этому управление системой VT-1 значительно упростилось. Для этого уже не требовалось громоздких электронных блоков. Эта система может питаться от батарей и полностью автономна. Она размещается в небольшой оболочке, делающей ее удобной для использования в любом месте. Использование высокой частоты, снижение звуковой нагрузки на окружающее среду, уменьшение влияние постороннего шума на работу содара позволили значительно снизить требования к месту его установки. 


« Вернуться к списку продукции


Rambler's Top100
199178, Санкт-Петербург, Малый пр. В.О., д. 58, литер А
Тел./факс: (812) 329 26 88
E-mail: ecm-optec@peterlink.ru
Skype:  leonid.isaev