ISO 28902-2:2017 — 空气质量 — 基于外差脉冲多普勒激光雷达的地基风遥感

ISO 28902-2 标准概述

ISO 28902-2:2017 规定了使用外差脉冲多普勒激光雷达进行地基风遥感的要求。由ISO/TC 146/SC 5制定，该标准为通过检测大气气溶胶后向散射激光辐射的多普勒频移来测量风速的脉冲多普勒激光雷达系统建立了系统规格、测试程序和测量协议。这些系统广泛应用于风能资源评估、航空风切变探测和大气研究。

外差脉冲多普勒激光雷达可从近地面到数公里高度测量风廓线，距离门可精细到10-30米，为风资源评估和大气边界层研究提供了前所未有的细节。

测量原理

外差探测和频谱分析

标准描述了外差探测原理：将脉冲激光束（通常为1.5 µm，人眼安全波长）发射到大气中，后向散射信号与本振光束在光电探测器上混合。产生的差频拍频信号经数字化并使用傅里叶变换分析提取多普勒频移，该频移与径向风速成正比。标准规定了频谱分析要求，包括窗函数、峰值检测算法和信噪比阈值。

参数	规格	测试方法	验收标准
波长	1.5 µm波段（人眼安全）	波前测量	± 0.1 nm
径向速度精度	≤ 0.1 m/s（10分钟平均）	与超声风速计比对	偏差≤ 0.1 m/s，标准差≤ 0.5 m/s
距离分辨率	≤ 30 m	硬靶回波测试	半高全宽≤ 30 m
最大探测距离	≥ 1 km（典型气溶胶）	信噪比测量	最大距离处SNR≥ -3 dB
数据有效率	典型条件下≥ 90%	1个月统计分析	≥ 90%有效测量
指向精度	≤ 0.1°（绝对）	太阳瞄准或目标测量	≤ 0.1°

载噪比（CNR）是多普勒激光雷达测量的主要质量指标。标准建议可靠风测量的最低CNR阈值为-22 dB。低于此阈值的数据应标记为低质量。

工程设计见解

系统性能和权衡

标准描述了多普勒激光雷达设计中的关键权衡：距离分辨率vs.最大探测距离（由脉冲长度和脉冲能量决定），时间分辨率vs.速度精度（更多累积脉冲提高精度但降低时间分辨率），以及空间覆盖范围vs.系统成本。品质因数（FOM）将激光脉冲能量、望远镜面积、系统光学效率和探测器量子效率组合为单一性能指标。10⁶ mJ·m²的FOM通常对应中等气溶胶载荷下2-3 km的最大探测距离。

对于风能应用，标准建议最低测量高度为200 m（现代风力机的轮毂高度），距离门间隔为20 m。轮毂高度处的测量不确定度在10分钟平均值下不应超过0.5 m/s。标准提供了速度-方位角显示扫描技术的指南，用于从径向速度测量中反演水平风速和风向。

现代脉冲多普勒激光雷达在2 km距离上通过100次脉冲平均（10 kHz脉冲重复频率），实现了0.1 m/s的速度精度和30 m的距离分辨率。关键的使能技术是1.5 µm光纤激光器，其提供高脉冲能量、优异的光束质量和可靠的人眼安全操作。

测试和验证

标准要求与参考仪器进行比对测试（垂直廓线使用多个高度的超声风速计，水平测量使用风杯风速计）。比对必须覆盖激光雷达的整个操作范围，并进行偏差、标准差和相关系数的统计分析。标准还定义了使用硬靶回波和SNR测量进行最大操作距离验证的测试程序。

常见问题

问：脉冲和连续波多普勒激光雷达有什么区别？
答：脉冲激光雷达通过对回波信号进行时间门控提供距离分辨测量，可同时测量多个高度的风速。连续波激光雷达使用基于聚焦的距离分辨，一次测量一个高度。脉冲激光雷达通常具有更远的探测距离但近距分辨率较低。

问：气溶胶浓度如何影响激光雷达性能？
答：在清洁空气条件下（低气溶胶载荷），后向散射信号弱，降低了最大探测距离。在污染或多尘条件下，信号更强，但多次散射和衰减可能限制性能。标准建议进行季节性性能表征。

问：脉冲多普勒激光雷达需要哪些维护？
答：常规维护包括窗口清洁、激光能量验证、对准检查和指向系统校准。光纤激光器通常可运行20,000-50,000小时后才需要更换。

问：多普勒激光雷达能测量垂直风速吗？
答：可以，通过将激光雷达垂直指向（天顶模式），可以直接测量垂直风分量。但是，垂直风速通常比水平风速小一个数量级，需要更高的速度精度和更长的平均时间。