De las radiosondas al lidar Doppler: ¿Por qué seguir utilizando un anemómetro ultrasónico montado en un UAV para medir el viento en las capas altas de la atmósfera?
Artículo técnico | Medición del viento atmosférico mediante UAV
Introducción
La medición de la velocidad del viento en las capas altas de la atmósfera es fundamental para la predicción meteorológica precisa, la seguridad aérea, el desarrollo de energías renovables, la protección del medio ambiente y muchas otras aplicaciones. La tecnología de perfilado del viento ha evolucionado desde las radiosondas tradicionales hasta sistemas lidar Doppler más avanzados y anemómetros ultrasónicos montados en vehículos aéreos no tripulados (UAV).
Para ayudar a los lectores a comprender rápidamente las diferencias clave entre el lidar de viento y los anemómetros ultrasónicos montados en vehículos aéreos no tripulados (UAV), a continuación se resumen las principales características de estos dos enfoques emergentes.
| Dimensión de comparación | Lidar de viento (teledetección) | UAV + Anemómetro ultrasónico (medición in situ) |
| Principio de funcionamiento | Se emite un rayo láser a la atmósfera. Se analiza el desplazamiento de frecuencia Doppler causado por las partículas de aerosol para calcular la velocidad y dirección del viento horizontal a diferentes alturas. | El UAV vuela hasta la altitud objetivo, donde su anemómetro ultrasónico 3D integrado mide directamente el vector de viento tridimensional en la ubicación del UAV. |
| Características de medición | Teledetección sin contacto de gran alcance. Permite escanear a distancia y proporcionar perfiles de viento (velocidad del viento en función de la altitud) o información tridimensional del campo de viento en un rango y altura definidos. | Mediciones in situ en un solo punto a diferentes altitudes. Proporciona un vector de viento tridimensional preciso en la ubicación actual del UAV. |
| Ventajas clave | 1) Alta seguridad: no se requiere una plataforma de medición aérea, por lo que el sistema puede operar en áreas complejas o peligrosas, como aeropuertos y terrenos montañosos. 2) Alta resolución temporal y espacial: los datos se pueden actualizar de forma continua, a menudo en escala de minutos, lo que permite capturar cambios rápidos. 3) Amplia cobertura: las alturas de detección pueden alcanzar varios kilómetros. | 1) Alta movilidad: puede alcanzar rápidamente una ubicación y altitud específicas, lo que la hace adecuada para observaciones móviles y mediciones de emergencia. 2) Alta precisión: en condiciones ideales, su precisión de medición puede servir como referencia para calibrar otros instrumentos. 3) Integración multiparamétrica: el UAV puede transportar de forma flexible sensores de temperatura, humedad, presión, visibilidad y otros para obtener datos atmosféricos completos. |
| Limitaciones principales | 1) Alto coste: los sistemas avanzados de lidar de viento pueden ser caros. 2) Sensibilidad a las condiciones meteorológicas: el rendimiento de detección puede disminuir en condiciones de visibilidad muy reducida, como niebla densa o precipitaciones intensas. 3) Interpretación compleja de datos: la recuperación del campo de viento depende de algoritmos y, por lo tanto, es indirecta. | 1) Interferencia de la plataforma: el flujo de aire generado por los rotores del UAV puede perturbar la medición y requiere algoritmos de compensación precisos. 2) Limitaciones en el tiempo de vuelo: la duración de los vuelos individuales es limitada, normalmente inferior a una hora, lo que hace que la observación continua a largo plazo sea poco práctica. 3) Restricciones del espacio aéreo y de seguridad: las operaciones están restringidas por las regulaciones del espacio aéreo y las condiciones meteorológicas adversas, como vientos fuertes y tormentas eléctricas. |
Imagen de referencia: Imagen de un UAV de seis rotores
Cómo elegir la tecnología adecuada
Estas dos tecnologías se entienden mejor como soluciones complementarias que como soluciones que compiten entre sí. La elección correcta depende completamente del objetivo de medición y del entorno operativo.
1. Elija lidar de viento si usted es:
Un meteorólogo/pronosticador: Necesita una monitorización continua y a largo plazo de los campos de viento en las capas altas de la atmósfera desde una ubicación fija, como una estación meteorológica, que proporcione datos de perfil de viento de alta resolución temporal y espacial para la predicción.
Un ingeniero de parques eólicos explica: Es necesario detectar de forma remota el viento entrante y las turbulencias, delante de una turbina, para respaldar el control predictivo, mejorar la eficiencia de la generación de energía y aumentar la seguridad de los equipos.
Un responsable de seguridad aérea: Necesita una monitorización segura y no intrusiva de la cizalladura del viento y las turbulencias en zonas sensibles como los aeropuertos.
2. Elija un anemómetro ultrasónico montado en un UAV si usted:
Investigador de campo o profesional de respuesta a emergencias: Necesita realizar mediciones meteorológicas rápidas, móviles y temporales de la atmósfera superior en áreas remotas, zonas de desastre u otros lugares designados.
Un profesional del monitoreo ambiental: Necesita investigar los campos de viento localizados y la dispersión de contaminantes en entornos complejos como agrupaciones de edificios urbanos o áreas industriales.
Un ingeniero de calibración/validación: Necesita una referencia de medición móvil de alta precisión para validar o contrastar las observaciones de los sistemas lidar de viento o de radar perfilador de viento.
Breve historia de la tecnología de medición del viento
1. Radiosondas (desde principios del siglo XX hasta la actualidad): Una tecnología madura y de coste relativamente bajo, con mediciones directas y alta precisión, que constituye la base operativa de muchas redes de observación meteorológica. Sin embargo, los lanzamientos suelen limitarse a una o dos veces al día, por lo que las observaciones resultantes son discretas en el tiempo.
2. Radar perfilador de viento (sistemas operativos modernos): Un radar fijo de teledetección que puede escanear continuamente la atmósfera superior, de forma similar a una tomografía computarizada atmosférica, con actualizaciones de datos cada minuto. Cubre la brecha de resolución temporal que dejan las radiosondas. El lidar de viento representa un enfoque óptico más avanzado basado en un concepto de teledetección similar.
3. Vehículos aéreos no tripulados y lidar (tecnologías emergentes y en evolución): Estas tecnologías representan dos direcciones de vanguardia —la observación móvil y la teledetección inteligente— y se están convirtiendo cada vez más en valiosos complementos para las redes tradicionales de observación atmosférica.
Alineación de productos y aplicaciones de HongYuv
Para mediciones atmosféricas basadas en UAV, la cartera de productos de HongYuv es especialmente relevante cuando se requieren sensores de viento ligeros, compactos, de baja resistencia aerodinámica y de despliegue móvil. La gama de productos de la compañía centrada en UAV incluye el anemómetro ultrasónico HY-SA256 y el anemómetro ultrasónico tridimensional HY-W3DS2; la cartera más amplia también incluye estaciones meteorológicas integradas para UAV que permiten la monitorización atmosférica multiparamétrica.
| Producto HongYuv | Valor típico para aplicaciones de UAV |
| Anemómetro ultrasónico para UAV HY-SA256 | Sensor de viento ultrasónico compacto diseñado para aeronaves pequeñas y plataformas no tripuladas, adecuado para mediciones de velocidad y dirección del viento a baja altitud. Admite instalación en mástil superior o suspendida en la parte inferior y está posicionado para observación móvil con UAV. |
| Anemómetro ultrasónico 3D HY-W3DS2 | Un sensor de viento tridimensional miniaturizado capaz de generar datos vectoriales U/V/W, con aplicaciones en investigación atmosférica y monitorización mediante vehículos aéreos no tripulados (UAV) donde se requiere información tridimensional del campo de viento. |
| Estación meteorológica integrada con UAV | Para misiones que requieren más que datos de viento, una estación meteorológica integrada para vehículos aéreos no tripulados (UAV) puede combinar el viento con otros parámetros atmosféricos como la temperatura, la presión, la humedad, la visibilidad y la precipitación, según la configuración. |
Entre las áreas de aplicación relevantes se incluyen la observación meteorológica, la investigación atmosférica, la monitorización ambiental mediante vehículos aéreos no tripulados (UAV), la respuesta a emergencias, las operaciones agrícolas y otras tareas de medición a baja altitud o móviles. Sitio web de HongYuv en inglés.
Conclusión
La elección entre radiosondas, lidar de viento y anemómetros ultrasónicos montados en UAV no debe plantearse simplemente como una cuestión de sustituir una tecnología por otra. Cada método satisface una necesidad de medición diferente. El lidar de viento es especialmente eficaz para la medición continua, fija y sin contacto del perfil del viento; las radiosondas siguen siendo valiosas para la monitorización atmosférica operativa; y los anemómetros ultrasónicos montados en UAV destacan cuando la flexibilidad de medición, el despliegue rápido, las observaciones puntuales precisas y el acceso a lugares complejos o de difícil acceso son prioritarios.
En las aplicaciones de vehículos aéreos no tripulados (UAV), el principal desafío de ingeniería no reside simplemente en instalar un sensor de viento en la aeronave, sino en comprender y compensar el flujo de aire generado por el rotor mediante la ubicación adecuada del sensor, el diseño de la plataforma y los métodos de procesamiento de datos. Es precisamente aquí donde los sensores de viento ultrasónicos compactos, diseñados para UAV, pueden aportar un valor práctico.
A medida que la observación atmosférica avanza hacia mediciones más móviles, distribuidas y específicas para cada aplicación, los vehículos aéreos no tripulados (UAV) equipados con sensores ultrasónicos de viento pueden convertirse en un complemento importante para las redes de observación fijas y los sistemas de teledetección, especialmente para estudios de campo localizados, monitoreo ambiental, respuesta a emergencias e investigación científica.
Referencias
[1] Liu Kui. Diseño e implementación de un sistema de visualización para el rastreo de fuentes de contaminación atmosférica basado en UAVs [J]. Información electromecánica, 2021(20): 38–40.
[2] Qu Yawei, Wang Tijian, Yuan Cheng, et al. Avances en la investigación sobre la detección y el rastreo de fuentes de material particulado fino atmosférico y contaminación por ozono mediante UAV [J]. Environmental Science, 2023, 44(12): 6598–6609.
[3] Huang Bencai. Principios y aplicaciones del análisis de resistencia al viento estructural [M]. Shanghái: Tongji University Press, 2001: 47–49.
[4] Li Zhengnong, Yu Mi, Wu Honghua, et al. Estudio sobre la correlación entre los campos de viento medidos y las presiones del viento de una casa modelo de baja altura [J]. Revista de la Universidad de Hunan (Ciencias Naturales), 2016, 43(5): 70–78.
[5] Huang B, Li ZN, Zhao ZF, et al. Viento libre de impurezas cerca del suelo y arena impulsada por el viento de centrales fotovoltaicas en una zona desértica [J]. Revista de ingeniería eólica y aerodinámica industrial.
[6] Li Zhengnong, Wu Weixiang, Wang Zhifeng. Estudio de medición de campo de las características del viento cerca del suelo en los suburbios de Beijing [J]. Revista de Estructuras de Edificios, 2013, 34(9): 82–90.
[7] Hu Shangyu, Li Qiusheng. Medición de campo de cargas de viento en casas de baja altura (I): Características de los vientos de la capa límite cercana al suelo durante un tifón que toca tierra [J]. Revista de Ingeniería Civil de China, 2012, 45(2): 77–84.
[8] Holland GJ, McGeer T, Youngren H. Aerosondas autónomas para sondeos atmosféricos económicos en cualquier lugar del mundo [J]. Boletín de la Sociedad Meteorológica Americana, 73.
[9] Jiang Ming, Shi Jing, Li Jinqing, et al. Estudio de observación utilizando un UAV multirrotor equipado con un sensor de viento ultrasónico 2D [J]. Tecnología de medición electrónica extranjera, 2021, 40(5): 88–94.
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