От радиозондов до доплеровского лидара: зачем до сих пор использовать ультразвуковой анемометр, установленный на БПЛА, для измерения ветра в верхних слоях атмосферы?
Техническая статья | Измерение атмосферного ветра с помощью БПЛА
Введение
Измерение скорости ветра в верхних слоях атмосферы имеет важное значение для точного прогнозирования погоды, обеспечения безопасности полетов, развития возобновляемой энергетики, охраны окружающей среды и многих других применений. Технология профилирования ветра прошла путь от традиционных радиозондов до более совершенных доплеровских лидарных систем и ультразвуковых анемометров, устанавливаемых на беспилотных летательных аппаратах.
Чтобы помочь читателям быстро понять ключевые различия между ветровым лидаром и ультразвуковыми анемометрами, устанавливаемыми на БПЛА, ниже приведено краткое описание основных характеристик этих двух новых подходов.
| Размер сравнения | Ветровой лидар (дистанционное зондирование) | БПЛА + ультразвуковой анемометр (измерение на месте) |
| Принцип работы | В атмосферу испускается лазерный луч. Анализируется доплеровский сдвиг частоты, вызванный аэрозольными частицами, для расчета горизонтальной скорости и направления ветра на разных высотах. | Беспилотный летательный аппарат поднимается на заданную высоту, где его бортовой трехмерный ультразвуковой анемометр непосредственно измеряет трехмерный вектор ветра в месте нахождения БПЛА. |
| Характеристики измерений | Бесконтактное дистанционное зондирование больших площадей. Оно позволяет сканировать территорию на расстоянии и предоставлять профили ветра (скорость ветра в зависимости от высоты) или трехмерную информацию о ветровом поле на заданной высоте и в заданном диапазоне. | Натурные измерения в одной точке на разных высотах. Обеспечивают точное трехмерное определение вектора ветра в текущем местоположении БПЛА. |
| Основные преимущества | 1) Высокая безопасность: не требуется бортовая измерительная платформа, поэтому система может работать в сложных или опасных зонах, таких как аэропорты и горная местность. 2) Высокое временное и пространственное разрешение: данные могут обновляться непрерывно, часто с точностью до минуты, что позволяет быстро фиксировать изменения. 3) Широкий охват: высота обнаружения может достигать нескольких километров. | 1) Высокая мобильность: устройство может быстро достигать заданного места и высоты, что делает его пригодным для мобильных наблюдений и экстренных измерений. 2) Высокая точность: в идеальных условиях точность измерений может служить эталоном для калибровки других приборов. 3) Многопараметрическая интеграция: БПЛА может гибко оснащаться датчиками температуры, влажности, давления, видимости и другими датчиками для получения исчерпывающих данных об атмосфере. |
| Основные ограничения | 1) Высокая стоимость: современные системы ветрового лидара могут быть дорогостоящими. 2) Чувствительность к погодным условиям: эффективность обнаружения может снижаться при очень плохой видимости, например, в густом тумане или при сильных осадках. 3) Сложная интерпретация данных: получение данных о поле ветра зависит от алгоритмов и, следовательно, является косвенным процессом. | 1) Помехи от платформы: воздушный поток, создаваемый роторами БПЛА, может искажать измерения и требует точных алгоритмов компенсации. 2) Ограничения по времени полета: продолжительность отдельных полетов ограничена, как правило, менее одного часа, что делает длительное непрерывное наблюдение нецелесообразным. 3) Ограничения, связанные с воздушным пространством и безопасностью: полеты ограничены правилами использования воздушного пространства и неблагоприятными погодными условиями, такими как сильный ветер и грозы. |
Исходное изображение: изображение шестироторного БПЛА
Как выбрать подходящую технологию
Эти две технологии лучше рассматривать как взаимодополняющие, а не конкурирующие решения. Правильный выбор полностью зависит от цели измерения и условий эксплуатации.
1. Выберите ветровой лидар, если вы:
Метеоролог/синоптик: Вам необходим долгосрочный, непрерывный мониторинг ветровых полей в верхних слоях атмосферы с фиксированной точки, такой как метеостанция, обеспечивающий получение данных о ветровом профиле с высоким временным и пространственным разрешением для прогнозирования.
Инженер ветропарка: Для обеспечения предиктивного управления, повышения эффективности выработки электроэнергии и улучшения безопасности оборудования необходимо дистанционно отслеживать направление ветра и турбулентность перед турбиной.
Менеджер по авиационной безопасности: Вам необходим безопасный, неинвазивный мониторинг сдвига ветра и турбулентности вокруг чувствительных зон, таких как аэропорты.
2. Выберите ультразвуковой анемометр, устанавливаемый на БПЛА, если вы:
Полевой исследователь или специалист по реагированию на чрезвычайные ситуации: Вам необходимо быстро, мобильно и временно проводить метеорологические измерения в верхних слоях атмосферы в отдаленных районах, зонах стихийных бедствий или других обозначенных местах.
Специалист по экологическому мониторингу: Вам необходимо исследовать локальные ветровые поля и распространение загрязняющих веществ в сложных условиях, таких как городские застройки или промышленные зоны.
Инженер по калибровке/валидации: Вам необходим высокоточный мобильный эталон для измерений, чтобы подтвердить или перепроверить данные, полученные с помощью ветрового лидара или ветропрофилометра.
Краткая история технологии измерения ветра
1. Радиозонды (с начала XX века по настоящее время): зрелая, относительно недорогая технология с прямыми измерениями и высокой точностью, составляющая оперативную основу многих метеорологических наблюдательных сетей. Однако запуски обычно ограничены одним или двумя разами в день, поэтому получаемые данные являются дискретными во времени.
2. Радар-профилировщик ветра (современные операционные системы): стационарный радар дистанционного зондирования, способный непрерывно сканировать верхние слои атмосферы, подобно «атмосферной компьютерной томографии», с обновлением данных с интервалом в минуту. Он заполняет пробел в временном разрешении, оставленный радиозондами. Ветровой лидар представляет собой более совершенный оптический подход, основанный на связанной концепции дистанционного зондирования.
3. БПЛА и лидар (перспективные и развивающиеся технологии): Эти технологии представляют собой два передовых направления — мобильное наблюдение и интеллектуальное дистанционное зондирование — и все чаще становятся ценным дополнением к традиционным сетям атмосферного наблюдения.
Согласование продукции и приложений HongYuv
Для проведения атмосферных измерений с помощью БПЛА продукция HongYuv особенно актуальна в тех случаях, когда требуются легкие, компактные, малогабаритные устройства для измерения ветра и мобильное развертывание. Ассортимент продукции компании, ориентированный на БПЛА, включает ультразвуковой анемометр HY-SA256 и трехмерный ультразвуковой анемометр HY-W3DS2; более широкий ассортимент также включает интегрированные метеостанции для БПЛА для многопараметрического мониторинга атмосферы.
| Продукция HongYuv | Типичное значение для применения в БПЛА |
| Ультразвуковой анемометр HY-SA256 для БПЛА | Компактный ультразвуковой датчик ветра, предназначенный для небольших летательных аппаратов и беспилотных платформ, подходит для измерения скорости и направления ветра на малых высотах. Он допускает установку на верхней мачте или подвешивание на нижней части мачты и позиционируется для наблюдения с мобильных БПЛА. |
| HY-W3DS2 3D ультразвуковой анемометр | Миниатюрный трехмерный датчик ветра, способный выдавать векторные данные U/V/W, находящий применение в атмосферных исследованиях и мониторинге БПЛА, где требуется трехмерная информация о ветровом поле. |
| Интегрированная метеостанция на базе БПЛА | Для задач, требующих не только данных о ветре, интегрированная метеостанция для БПЛА может, в зависимости от конфигурации, объединять данные о ветре с другими атмосферными параметрами, такими как температура, давление, влажность, видимость и осадки. |
К областям применения относятся метеорологические наблюдения, исследования атмосферы, мониторинг окружающей среды с помощью БПЛА, реагирование на чрезвычайные ситуации, сельскохозяйственные работы и другие задачи измерений на малых высотах или в мобильном режиме. (Сайт HongYuv на английском языке)
Заключение
Выбор между радиозондами, ветровым лидаром и ультразвуковыми анемометрами, устанавливаемыми на БПЛА, не следует рассматривать просто как замену одной технологии другой. Каждый метод отвечает различным потребностям в измерениях. Ветровой лидар особенно эффективен для непрерывного бесконтактного профилирования ветра на стационарных позициях; радиозонды остаются ценным инструментом для отработанного оперативного атмосферного зондирования; а ультразвуковые анемометры, устанавливаемые на БПЛА, выделяются, когда приоритетными являются гибкость измерений, быстрое развертывание, точные точечные наблюдения и доступ к сложным или труднодоступным местам.
Для применения в БПЛА ключевая инженерная задача заключается не просто в установке датчика ветра на летательный аппарат, а в обеспечении понимания и компенсации воздушного потока, создаваемого ротором, посредством соответствующего размещения датчика, конструкции платформы и методов обработки данных. Именно здесь компактные ультразвуковые датчики ветра, ориентированные на БПЛА, могут принести практическую пользу.
По мере того как атмосферные наблюдения все больше смещаются в сторону мобильных, распределенных и специализированных измерений, беспилотные летательные аппараты, оснащенные ультразвуковыми датчиками ветра, могут стать важным дополнением к стационарным сетям наблюдения и системам дистанционного зондирования — особенно для локальных полевых исследований, мониторинга окружающей среды, реагирования на чрезвычайные ситуации и научных исследований.
Ссылки
[1] Лю Куй. Разработка и реализация системы визуализации для отслеживания источников загрязнения атмосферы на основе БПЛА [J]. Электромеханическая информация, 2021(20): 38–40.
[2] Цюй Явэй, Ван Тицзянь, Юань Чэн и др. Прогресс исследований в области обнаружения и отслеживания источников атмосферного мелкодисперсного загрязнения и озонового загрязнения с помощью БПЛА [J]. Экологическая наука, 2023, 44(12): 6598–6609.
[3] Хуан Бэньцай. Принципы и применение анализа ветроустойчивости конструкций [М]. Шанхай: Издательство Университета Тунцзи, 2001: 47–49.
[4] Ли Чжэннун, Ю Ми, У Хунхуа и др. Исследование корреляции между измеренными полями ветра и ветровым давлением малоэтажного типового дома [J]. Журнал Хунаньского университета (Естественные науки), 2016, 43(5): 70–78.
[5] Хуан Б., Ли Ч.Н., Чжао Ч.Ф. и др. Ветровой поток, не содержащий примесей, и ветровой песок фотоэлектрических электростанций в пустынной местности [J]. Журнал ветровой инженерии и промышленной аэродинамики.
[6] Ли Чжэннун, У Вэйсян, Ван Чжифэн. Полевое исследование характеристик приземного ветра в пригородах Пекина [J]. Журнал строительных конструкций, 2013, 34(9): 82–90.
[7] Ху Шанъюй, Ли Цюшэн. Полевые измерения ветровых нагрузок на малоэтажные дома (I): Характеристики приземных пограничных ветров во время тайфуна, обрушившегося на сушу [J]. Китайский журнал гражданского строительства, 2012, 45(2): 77–84.
[8] Холланд Г. Дж., МакГир Т., Янгрен Х. Автономные аэрозонды для экономичных атмосферных зондирований в любой точке земного шара [J]. Бюллетень Американского метеорологического общества, 73.
[9] Цзян Мин, Ши Цзин, Ли Цзиньцин и др. Исследование наблюдений с использованием многороторного БПЛА, оснащенного 2D ультразвуковым датчиком ветра [J]. Зарубежные электронные измерительные технологии, 2021, 40(5): 88–94.
Готовы сотрудничать с нами?
Компания Hongyuv Technology специализируется на исследованиях, разработках и производстве метеорологических датчиков и датчиков для мониторинга дорожного движения, располагая полностью собственной независимой системой разработки и производства.
Продукты
Ультразвуковой анемометр
Универсальная метеостанция
Дождемер
Портативная метеостанция
Датчик видимости
Детектор состояния дорожного покрытия
Детектор окружающей среды в туннеле