ISO 28902-3:2018 — 空气质量 — 基于连续波多普勒激光雷达的地基风遥感

ISO 28902-3 标准概述

ISO 28902-3:2018 规定了使用连续波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，该标准通过解决采用基于聚焦的距离分辨（而非脉冲系统中使用的脉冲时间门控）的连续波激光雷达系统，补充了ISO 28902-2。连续波多普勒激光雷达提供优越的近距分辨率和更低的系统复杂度，使其非常适合边界层研究、风能场地评估和通常在250 m以下高度的气象研究。

连续波多普勒激光雷达使用不同的距离分辨原理——将发射光束聚焦在所需测量高度。这提供了出色的近距分辨率（10-50 m高度处2-5 m），但与脉冲系统相比限制了最大测量范围。

测量原理

连续波外差探测和基于聚焦的距离分辨

标准描述了连续波激光雷达原理：使用带可调焦光学器件的望远镜将连续波激光束（通常为1.5 µm，人眼安全）聚焦在所需测量高度。通过同一望远镜收集后向散射信号并与本振光束混合进行外差探测。距离分辨率由望远镜的焦深决定——与（λ·R²/D²）成正比，其中λ为波长，R为距离，D为孔径直径。与脉冲激光雷达不同，连续波激光雷达一次只测量一个高度，需要顺序测量才能获得垂直廓线。

参数	连续波多普勒激光雷达	脉冲多普勒激光雷达	优势
距离分辨率	2-50 m（与距离相关）	10-30 m（恒定）	连续波在近距更好
最大范围	100-300 m（典型）	1-10 km（典型）	脉冲在范围上更好
高度覆盖	10-250 m	30 m至数公里	脉冲在高海拔更好
系统复杂度	较低（连续波激光器，无脉冲）	较高（脉冲激光器，定时）	连续波更简单更便宜
测量速度	顺序高度（每层约10-60秒）	同时高度（每条廓线约1秒）	脉冲廓线更快
近距能力	优秀（10 m处2-5 m分辨率）	有限（重叠函数问题）	连续波在地面附近占优

对于风能应用，连续波激光雷达擅长测量从10 m到200 m高度处的风切变和湍流——正是现代风力机的叶轮扫掠区域。更高的近距分辨率比脉冲激光雷达更详细地捕获了风廓线形状。

工程设计见解

连续波系统的信号处理和频谱分析

连续波激光雷达信号处理与脉冲系统根本不同。由于没有距离门控，任何时刻测量的信号都包含来自光束上所有范围的贡献，由聚焦函数加权。标准规定信号处理必须包括距离权重函数的校正，并考虑探测体积随距离的变化。频谱分析使用与脉冲激光雷达相同的外差原理，但每次测量的积分时间更长（每个高度通常为0.5-5秒），在给定信号强度下允许更高的速度精度。

一个关键的工程见解是速度-范围权衡：焦深随距离平方增加，因此距离分辨率从10 m处的2-3 m降低到200 m处的30-80 m。这意味着连续波激光雷达最适用于最需要精细分辨率的低边界层。标准提供了选择聚焦高度的指南，以优化廓线分辨率和总测量时间之间的权衡。

对于200 m以下的应用，连续波多普勒激光雷达相比脉冲系统具有显著的成本优势。更简单的激光器架构（半导体或光纤连续波激光器，而非带放大器的脉冲激光器）将系统成本降低30-50%，同时在这些高度提供相当或更好的速度精度。

应用和局限性

标准识别了主要应用：中小型风力机的风资源评估、边界层研究（湍流廓线、夜间急流）、航空风切变探测（特别是进近路径的低空风切变），以及城市风环境研究。已知局限性包括清洁空气（低气溶胶载荷）、雨雾干扰以及无法测量云底以上的性能降低。

常见问题

问：连续波多普勒激光雷达风测量的典型最大高度是多少？
答：对于标准商用系统，在典型气溶胶条件下的最大实用高度为150-250 m。在高气溶胶载荷（城市或工业区）下，可达400 m。清洁空气（山区或海洋环境）将范围限制在80-150 m。

问：完成一次完整的风廓线测量需要多长时间？
答：从10 m到200 m、10-20个测量高度的典型廓线需要2-10分钟，取决于每个高度的积分时间和平均周期数。更快的廓线会降低精度。

问：连续波激光雷达能测量湍流吗？
答：可以，在固定高度使用高时间分辨率（0.1-1秒），连续波激光雷达可以测量速度方差和湍流强度。必须校正探测体积平均效应用以获得准确的湍流估计。

问：连续波激光雷达如何处理雨或雾？
答：雨和雾产生强后向散射信号，可以提高数据有效率，但多普勒频谱可能被展宽或出现双峰（气溶胶+水凝物贡献）。标准建议进行频谱质量检查以过滤受降水污染的数据。