ISO 28902-1:2012 — 空气质量 — 基于激光雷达的地基能见度遥感

ISO 28902-1 标准概述

ISO 28902-1:2012 规定了使用激光雷达（光探测和测距）技术进行地基能见度遥感的要求。由ISO/TC 146/SC 5与世界气象组织合作制定，该标准为通过后向散射分析测量气象能见度的大气激光雷达系统建立了性能要求、测量程序和评估方法。与传统点传感器不同，激光雷达可沿激光束路径提供空间分辨测量。

激光雷达可以测量从数十米到数十公里的能见度范围，涵盖从雾到清空气体全谱段。这使其在航空、空气质量监测和气象预报中具有重要价值。

能见度激光雷达基础

测量原理和系统要求

该标准描述了激光雷达原理：向大气发射短激光脉冲（通常为532 nm或1064 nm，1-50 ns），来自气溶胶和分子的后向散射信号由望远镜收集并由光电探测器检测。分析信号随距离的衰减以确定大气消光系数，然后转换为能见度。标准规定了激光波长、脉冲能量、接收器直径、探测器和数据采集系统的最低要求。

参数	最低要求	推荐规格	测试方法
激光波长	532 nm ± 10 nm 或 1064 nm ± 20 nm	1064 nm 人眼安全Nd:YAG	波长测量
脉冲能量	≥ 20 mJ (532 nm), ≥ 50 mJ (1064 nm)	100-300 mJ	能量计
接收器直径	≥ 100 mm	200-400 mm	尺寸测量
距离分辨率	≤ 30 m	3-15 m	信号定时校准
能见度范围	100 m至10 km（最小）	50 m至50 km	与透射计比对
数据采集率	≥ 每分钟1条廓线	≥ 每秒10条廓线	定时验证

人眼安全至关重要。标准要求所有激光雷达系统符合IEC 60825-1激光安全分类。对于公共场所无人值守操作，优先选择1类或1M类系统。

工程设计见解

Klett-Fernald算法和信号处理

标准指定Klett-Fernald算法作为反演激光雷达信号以获得消光系数的主要方法。该算法需要假设后向散射系数与消光系数之间的关系（激光雷达比率S = α/βb，其中βb为后向散射系数，α为消光系数）。对于典型大气气溶胶，S根据气溶胶类型在20至80 sr之间（城市霾：40-60 sr；沙尘：20-40 sr；海洋：20-30 sr）。该算法还需要边界校准——通常使用气溶胶层外的清洁空气范围或独立能见度测量。

一个关键设计考虑是激光束与望远镜视场的重叠函数。在同轴系统中，重叠函数在一定距离处达到1（通常为100-500 m），低于该距离的信号无法可靠解释。标准要求制造商表征此重叠函数，并要求用户在评估中考虑它。

激光雷达导出能见度的不确定度主要取决于假定的激光雷达比率。使用不正确的激光雷达比率偏差50%可能导致能见度偏差30-100%。标准建议使用辅助测量（太阳光度计、浊度计）来约束每次测量活动的激光雷达比率。

测量规划和干扰

标准识别了干扰源，包括分子散射（瑞利散射）、多次散射（雾中显著）、云衰减、降水和太阳背景光。场地要求包括无遮挡视场、最小振动和仪器的天气防护。测量规划必须考虑大气稳定性、气溶胶载荷和太阳角度以优化数据质量。

常见问题

问：激光雷达能见度测量与透射计测量有何不同？
答：透射计沿固定路径（通常10-100 m）测量消光系数，提供路径平均值。激光雷达提供距离分辨测量，可检测抬升的气溶胶层并描述能见度的垂直结构。

问：激光雷达可测量的最小能见度是多少？
答：最小可测能见度通常为50-100 m，受重叠函数和信号动态范围的限制。在极低能见度（雾）条件下，近场信号在远场信号可用之前就已使探测器饱和。

问：激光雷达系统应多久校准一次？
答：标准建议每2年进行一次工厂校准，每年使用硬靶回波或与校准透射计比对进行现场检查。激光能量或接收器对准变化超过20%需要重新校准。

问：激光雷达能在夜间和降水期间测量能见度吗？
答：可以，激光雷达日夜均可运行（白天使用太阳背景滤波）。降水期间激光雷达仍可运行，但雨滴和雪花的回波会增加噪声并可能使消光估计产生偏差。标准建议标记受降水影响的数据。