ISO 28902-2:2017
(Main)Air quality — Environmental meteorology — Part 2: Ground-based remote sensing of wind by heterodyne pulsed Doppler lidar
Air quality — Environmental meteorology — Part 2: Ground-based remote sensing of wind by heterodyne pulsed Doppler lidar
ISO 28902-2:2017 specifies the requirements and performance test procedures for heterodyne pulsed Doppler lidar techniques and presents their advantages and limitations. The term "Doppler lidar" used in this document applies solely to heterodyne pulsed lidar systems retrieving wind measurements from the scattering of laser light onto aerosols in the atmosphere. A description of performances and limits are described based on standard atmospheric conditions. This document describes the determination of the line-of-sight wind velocity (radial wind velocity). NOTE Derivation of wind vector from individual line-of-sight measurements is not described in this document since it is highly specific to a particular wind lidar configuration. One example of the retrieval of the wind vector can be found in Annex B. ISO 28902-2:2017 does not address the retrieval of the wind vector. ISO 28902-2:2017 may be used for the following application areas: - meteorological briefing for, e.g. aviation, airport safety, marine applications and oil platforms; - wind power production, e.g. site assessment and power curve determination; - routine measurements of wind profiles at meteorological stations; - air pollution dispersion monitoring; - industrial risk management (direct data monitoring or by assimilation into micro-scale flow models); - exchange processes (greenhouse gas emissions). ISO 28902-2:2017 addresses manufacturers of heterodyne pulsed Doppler wind lidars, as well as bodies testing and certifying their conformity. Also, this document provides recommendations for the users to make adequate use of these instruments.
Qualité de l'air — Météorologie de l'environnement — Partie 2: Télédétection du vent par lidar Doppler pulsé hétérodyne basée sur le sol
ISO 28902-2:2017 spécifie les exigences et les modes opératoires d'essais de performance relatifs aux techniques de lidar Doppler pulsé hétérodyne et présente leurs avantages et limites. Dans le présent document, le terme «lidar Doppler» s'applique uniquement à des systèmes lidars pulsés hétérodynes permettant d'extraire des mesures du vent à partir de la diffusion d'une lumière laser sur des aérosols dans l'atmosphère. Les performances et les limites sont décrites sur la base de conditions atmosphériques normalisées. ISO 28902-2:2017 décrit la détermination de la vitesse du vent sur la ligne de visée (vitesse radiale du vent). NOTE La détermination du vecteur vent à partir de mesures individuelles sur la ligne de visée n'est pas décrite dans le présent document car elle est hautement spécifique à une configuration de lidar particulière. Un exemple d'extraction du vecteur vent est donné dans l'Annexe B. ISO 28902-2:2017 ne traite pas de l'extraction du vecteur vent. ISO 28902-2:2017 peut être utilisé dans les champs d'application suivants: - points météorologiques, par exemple pour l'aviation, la sécurité aéroportuaire, les applications maritimes et les plates-formes pétrolières; - production d'énergie éolienne, par exemple évaluation d'un site et détermination de la courbe de puissance; - mesurages de routine des profils de vent dans les stations météorologiques; - surveillance de la dispersion des polluants dans l'atmosphère; - gestion des risques industriels (surveillance directe des données ou par assimilation des données dans des modèles de flux à micro-échelle); - processus d'échanges (émissions de gaz à effet de serre). ISO 28902-2:2017 s'adresse aux fabricants de lidars Doppler pulsés hétérodynes ainsi qu'aux organismes en charge des essais et de la certification de leur conformité. Le présent document fournit également des recommandations aux utilisateurs pour un usage adéquat de ces instruments.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 28902-2
First edition
2017-07
Air quality — Environmental
meteorology —
Part 2:
Ground-based remote sensing of wind
by heterodyne pulsed Doppler lidar
Qualité de l’air — Météorologie de l’environnement —
Partie 2: Télédétection du vent par lidar Doppler pulsé hétérodyne
basée sur le sol
Reference number
ISO 28902-2:2017(E)
©
ISO 2017
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ISO 28902-2:2017(E)
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ISO 28902-2:2017(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Fundamentals of heterodyne pulsed Doppler lidar . 4
4.1 Overview . 4
4.2 Heterodyne detection . 5
4.3 Spectral analysis . 7
4.4 Target variables .10
4.5 Sources of noise and uncertainties .10
4.5.1 Local oscillator shot noise .10
4.5.2 Detector noise .11
4.5.3 Relative intensity noise (RIN) .11
4.5.4 Speckles .11
4.5.5 Laser frequency .11
4.6 Range assignment .11
4.7 Known limitations .11
5 System specifications and tests .12
5.1 System specifications .12
5.1.1 Transmitter characteristics .12
5.1.2 Transmitter/receiver characteristics .13
5.1.3 Signal sampling parameters .13
5.1.4 Pointing system characteristics .14
5.2 Relationship between system characteristics and performance .15
5.2.1 Figure of merit .15
5.2.2 Time-bandwidth trade-offs .16
5.3 Precision and availability of measurements .17
5.3.1 Radial velocity measurement accuracy .17
5.3.2 Data availability .17
5.3.3 Maximum operational range .17
5.4 Testing procedures .18
5.4.1 General.18
5.4.2 Radial velocity measurement validation .18
5.4.3 Assessment of accuracy by intercomparison with other instrumentation .20
5.4.4 Maximum operational range validation.21
6 Measurement planning and installation instructions .23
6.1 Site requirements .23
6.2 Limiting conditions for general operation .23
6.3 Maintenance and operational test .24
6.3.1 General.24
6.3.2 Maintenance .24
6.3.3 Operational test .24
6.3.4 Uncertainty .24
Annex A (informative) Continuous-wave Doppler wind lidar .26
Annex B (informative) Retrieval of the wind vector .27
Annex C (informative) Applications .32
Annex D (informative) Typical application ranges and corresponding requirements .36
Bibliography .38
© ISO 2017 – All rights reserved iii
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ISO 28902-2:2017(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following
URL: w w w . i s o .org/ iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 146, Air quality, Subcommittee SC 5,
Meteorology, and by the World Meteorological Organization (WMO) as a common ISO/WMO Standard
under the Agreement on Working Arrangements signed between the WMO and ISO in 2008.
A list of all parts in the ISO 28902 series can be found on the ISO website.
iv © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 28902-2:2017(E)
Introduction
Lidars (“light detection and ranging”), standing for atmospheric lidars in the scope of this document have
proven to be valuable systems for remote sensing of atmospheric pollutants, of various meteorological
parameters such as clouds, aerosols, gases and (where Doppler technology is available) wind. The
measurements can be carried out without direct contact and in any direction as electromagnetic
radiation is used for sensing the targets. Lidar systems, therefore, supplement the conventional in-situ
measurement technology. They are suited for a large number of applications that cannot be adequately
performed by using in situ or point measurement methods.
There are several methods by which lidar can be used to measure atmospheric wind. The four most
commonly used methods are pulsed and continuous wave coherent Doppler wind lidar, direct-detection
Doppler wind lidar and resonance Doppler wind lidar (commonly used for mesospheric sodium layer
measurements). For further reading, refer to References [1] and [2].
This document describes the use of heterodyne pulsed Doppler lidar systems. Some general information
on continuous-wave Doppler lidar can be found in Annex A. An International Standard on this method
is in preparation.
© ISO 2017 – All rights reserved v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 28902-2:2017(E)
Air quality — Environmental meteorology —
Part 2:
Ground-based remote sensing of wind by heterodyne
pulsed Doppler lidar
1 Scope
This document specifies the requirements and performance test procedures for heterodyne pulsed
Doppler lidar techniques and presents their advantages and limitations. The term “Doppler lidar” used
in this document applies solely to heterodyne pulsed lidar systems retrieving wind measurements from
the scattering of laser light onto aerosols in the atmosphere. A description of performances and limits
are described based on standard atmospheric conditions.
This document describes the determination of the line-of-sight wind velocity (radial wind velocity).
NOTE Derivation of wind vector from individual line-of-sight measurements is not described in this
document since it is highly specific to a particular wind lidar configuration. One example of the retrieval of the
wind vector can be found in Annex B.
This document does not address the retrieval of the wind vector.
This document may be used for the following application areas:
— meteorological briefing for, e.g. aviation, airport safety, marine applications and oil platforms;
— wind power production, e.g. site assessment and power curve determination;
— routine measurements of wind profiles at meteorological stations;
— air pollution dispersion monitoring;
— industrial risk management (direct data monitoring or by assimilation into micro-scale flow
models);
— exchange processes (greenhouse gas emissions).
This document addresses manufacturers of heterodyne pulsed Doppler wind lidars, as well as bodies
testing and certifying their conformity. Also, this document provides recommendations for the users to
make adequate use of these instruments.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: available at http:// www .iso .org/ obp
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ISO 28902-2:2017(E)
3.1
data availability
ratio between the actual considered measurement data with a predefined data quality and the number
of expected measurement data for a given measurement period (3.10)
3.2
displayed range resolution
constant spatial interval between the centres of two successive range gates (3.13)
Note 1 to entry: The displayed range resolution is also the size of a range gate on the display. It is determined by
the range gate length and the overlap between successive gates.
3.3
effective range resolution
application-related variable describing an integrated range interval for which the target variable is
delivered with a defined uncertainty
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.14]
3.4
effective temporal resolution
application-related variable describing an integrated time interval for which the target variable is
delivered with a defined uncertainty
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.12, modified.]
3.5
extinction coefficient
α
measure of the atmospheric opacity, expressed by the natural logarithm of the ratio of incident light
intensity to transmitted light intensity, per unit light path length
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.10]
3.6
integration time
time spent in order to derive the line-of-sight velocity
3.7
maximum acquisition range
R
MaxA
maximum distance to which the lidar signal is recorded and processed
Note 1 to entry: It depends on the number of acquisition points and the sampling frequency.
3.8
minimum acquisition range
R
MinA
minimum distance from which the lidar signal is recorded and processed
Note 1 to entry: If the minimum acquisition range is not given, it is assumed to be zero. It can be different from
zero, when the reception is blind during the pulse emission.
3.9
maximum operational range
R
MaxO
maximum distance to which a confident wind speed can be derived from the lidar signal
Note 1 to entry: The maximum operational range is less than or equal to the maximum acquisition range.
2 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 28902-2:2017(E)
Note 2 to entry: The maximum operational range is defined along an axis corresponding to the application. It is
measured vertically for vertical wind profiler. It is measured horizontally for scanning lidars able to measure in
the full hemisphere.
Note 3 to entry: The maximum operational range can be increased by increasing the measurement period and/or
by downgrading the range resolution.
Note 4 to entry: The maximum operational range depends on lidar parameters but also on atmospheric
conditions.
3.10
measurement period
interval of time between the first and last measurements
3.11
minimum operational range
R
MinO
minimum distance where a confident wind speed can be derived from the lidar signal
Note 1 to entry: The minimum operational range is also called blind range.
Note 2 to entry: In pulsed lidars, the minimum operational range is limited by the stray light in the lidar during
pulse emission, by the depth of focus, or by the detector transmitter/receiver switch time. It can depend on pulse
duration (T ) and range gate width (RGW).
p
3.12
physical range resolution
width (full width at half maximum) of the range weighting function (3.15)
3.13
range gate
width (FWHM) of the weighting function selecting the points in the time series for spectral processing
and wind speed computation
Note 1 to entry: The range gate is centred on the measurement distance.
Note 2 to entry: The range gate is defined in number of bins or equivalent distance range gate.
3.14
range resolution
equipment-related variable describing the shortest range interval from which independent signal
information can be obtained
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.13]
3.15
range weighting function
weighting function of the radial wind speed along the line of sight
3.16
temporal resolution
equipment-related variable describing the shortest time interval from which independent signal
information can be obtained
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.11]
3.17
velocity bias
maximum instrumental offset on the velocity measurement
Note 1 to entry: The velocity bias has to be minimized with adequate calibration, for example, on a fixed target.
© ISO 2017 – All rights reserved 3
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ISO 28902-2:2017(E)
3.18
velocity range
range determined by the minimum measurable wind speed, the maximum measurable wind speed and
the ability to measure the velocity sign, without ambiguity
Note 1 to entry: Depending on the lidar application, velocity range can be defined on the radial wind velocity
(scanning lidars) or on horizontal wind velocities (wind profilers).
3.19
velocity resolution
instrumental velocity standard deviation
Note 1 to entry: The velocity resolution depends on the pulse duration, the carrier-to-noise ratio and
integration time.
3.20
wind shear
variation of wind speed across a plane perpendicular to the wind direction
4 Fundamentals of heterodyne pulsed Doppler lidar
4.1 Overview
A pulsed Doppler lidar emits a laser pulse in a narrow laser beam (see Figure 1). As it propagates in
the atmosphere, the laser radiation is scattered in all directions by aerosols and molecules. Part of the
scattered radiation propagates back to the lidar; it is captured by a telescope, detected and analysed.
Since the aerosols and molecules move with the atmosphere, a Doppler shift results in the frequency of
the scattered laser light.
At the wavelengths (and thus frequencies) relevant to heterodyne (coherent) Doppler lidar, it is the
aerosol signal that provides the principle target for measurement of the backscattered signal.
The analysis aims at measuring the difference, Δf, between the frequencies of the emitted laser pulse, f ,
t
and of the backscattered light, f . According to the Doppler’s equation, this difference is proportional to
r
the line-of-sight wind component, as shown in Formula (1):
Δf = f – f = −2v /λ (1)
r t r
where
λ is the laser wavelength;
v
r
is the line-of-sight wind component (component of the wind vector, v , along the axis of laser
beam, counted positive when the wind is blowing away from the lidar).
4 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 28902-2:2017(E)
Key
1 scattering particles moving with the wind
2 optical path of the emitted laser pulse (laser beam)
3 optical axis of the receiver
4 lidar instrument
Figure 1 — Measurement principle of a heterodyne Doppler lidar
The measurement is range resolved as the backscattered radiation, received at time t after the emission
of the laser pulse, has travelled from the lidar to the aerosols at range x and back to the lidar at the
speed of light, c. Formula (2) shows the linear relationship between range and time.
t
xc=⋅ (2)
2
4.2 Heterodyne detection
In a heterodyne lidar, the detection of the light captured by the receiving telescope (at frequency
f = f + Δf ) is described schematically in Figure 2. The received light is mixed with the beam of a highly
r t
stable, continuous-wave laser called the local oscillator. The sum of the two electromagnetic waves
— backscattered and local oscillator — is converted into an electrical signal by a quadratic detector
(producing an electrical current proportional to the power of the electromagnetic wave illuminating
its sensitive surface). An analogue high-pass filter is then applied for eliminating the low-frequency
components of the signal.
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ISO 28902-2:2017(E)
Key
1 pulsed laser
2 optical element separating the received and emitted lights
3 telescope (used for transmitting and receiving)
4 scatterers
5 local oscillator laser (continuous wave laser)
6 frequency control loo (this device sets the difference, f − f )
t lo
7 optical element aligning the beam of the local oscillator along the optical axis of the
received light beam and mixing them together
8 quadratic detector
9 analogue to digital converter and digital signal processing unit
Figure 2 — Principle of the heterodyne detection
The result is a current, i(t), beating at the radio frequency, f + Δf – f :
t lo
η ⋅e
it =⋅22⋅⋅Ktξγ⋅ tP⋅ tP⋅⋅cos π Δ+ff − ft⋅+ϕ t + nt (3)
() () () () () (() ()
rlot lo
hf⋅
t
it
()
het
where
t is the time;
h is the Planck constant;
η is the detector quantum efficiency;
e is the electrical charge of an electron;
K is the instrumental constant taking into account transmission losses through the receiver;
ξ(t) is the random modulation of the signal amplitude by speckles effect (see 4.5.2);
γ(t) is the heterodyne efficiency;
P (t) is the power of the backscattered light;
r
P is the power of the local oscillator;
lo
f is the frequency of the local oscillator;
lo
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ISO 28902-2:2017(E)
φ(t) is the random phase;
n(t) is the white detection noise;
i (t) is the heterodyne signal.
het
The heterodyne efficiency, γ(t), is a measure for the quality of the optical mixing of the backscattered
and the local oscillator wave fields on the surface of the detector. It cannot exceed 1. A good heterodyne
efficiency requires a careful sizing and alignment of the local oscillator relative to the backscattered
wave. Optimal mixing conditions are discussed in Reference [3]. The heterodyne efficiency is not a
2
purely instrumental function, it also depends on the refractive index turbulence (Cn ) along the laser
beam (see Reference [4]). Under conditions of strong atmospheric turbulence, the effect on varying the
refractive index degrades the heterodyne efficiency. This can happen when the lidar is operated close
to the ground during a hot sunny day.
In Formula (4), P (t) is the instantaneous power of the backscattered light. It is given by the lidar
r
equation (see Reference [3]).
+∞
2x
−22
Pt =⋅Ax ⋅Gx ⋅−gt ⋅ βτxx⋅ dx (4)
() () () ()
r ∫
c
0
with
x
ταx =−expdζζ
() ()
∫
0
where
x is the distance to the lidar;
A is the collecting surface of the receiving telescope;
G(x) is the range-dependent sensitivity function (0 ≤ G(x) ≤ 1) taking into account, e.g. the attenu-
ation of the receiver efficiency at short range to avoid the saturation of the detector;
g(t)
is the envelope of the laser pulse power ( gt dtE= , with E as the energy of the laser pulse);
() 0
0
∫
β(x) is the backscatter coefficient of the probed atmospheric target;
τ(x) is the atmospheric transmission as a function of the extinction coefficient, α.
4.3 Spectral analysis
The retrieval of the radial velocity measurement from heterodyne signals requires a frequency analysis.
This is done in the digital domain after analog-to-digital conversion of the heterodyne signals. An
overview of the processing is given in Figure 3. The frequency analysis is applied to a time window
(t, t + Δt) and is repeated for a number, N, of lidar pulses. The window defines a range gate (x, x + Δx)
with x = c ∙ t /2 and Δx = c ∙ Δt /2. N is linked to the integration time, t = 1/f , of the measurement
int PRF
( f is the pulse repetition frequency). The signal analysis consists in averaging the power density
PRF
functions of the range gated signals. A frequency estimator is then used for estimating the central
ˆ
frequency of the signal peak. It is an estimate, f , or the frequency, f = Δf + f − f , of the heterodyne
het t lo
het
signal (see Figure 3).
Due to the analog-to-digital conversion, the frequency interval resolved by the frequency analysis is
limited to (0, +F /2) or (−F /2, +F /2) for complex valued signals. This limits the minimum and maximum
s s s
© ISO 2017 – All rights reserved 7
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ISO 28902-2:2017(E)
ˆ
values of f and thus the interval of measurable radial velocities. As shown in Reference [5],
het
Formula (5) estimates a range-gate average of the true wind radial velocity:
λ
ˆ
ˆ
vf=− −+ff (5)
( )
rhet tlo
2
For instance, in the case the signal is real valued (no complex-demodulation), the frequency offset f – f
t lo
ˆ
is set to about F /4, so vF≤ λ /8 . Alternatively, a system specification requiring the possibility to
s
rs
measure radial winds up to v commands F ≥ 8v /λ.
max s max
The averaging kernel is the convolution function between the pulse profile and the range-gate profile.
Its length is a function of the pulse footprint in the atmosphere, Δr [see Formula (6)], of the range gate,
Δx, and of the weighting factor, κ, where κ is the ratio between the gate full width at half maximum
(FWHM) and Δx.
c ⋅ T
p
Δ=r (6)
2
where
T is the FWHM duration of the laser pulse instantaneous intensity, g(t).
p
The range resolution, ΔR, is defined as the FWHM of the averaging kernel. For a Gaussian pulse and an
[6]
unweighted range gate, ΔR is calculated according to Formula (7) :
ctΔ Δx
Δ=R ⋅ = (7)
2
π ⋅Δx
π ⋅Δt
erf
erf
2Δr
2T
p
For a Gaussian pulse and a Gaussian weighted range gate, ΔR is equal to Formula (8):
2 2
c
2 2
Δ=R ⋅+Ttκκ⋅Δ =Δrx+⋅Δ (8)
() ()
p
2
8 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 28902-2:2017(E)
Key
t time elapsed since the emission of the laser pulse
Δt duration of the spectral analysis time window (it sets the size of the range gate)
N signal number
1 pulses
2 time series
3 spectra
4 Doppler frequency
Figure 3 — Diagram showing how the frequency analysis is conducted
Several signals are considered and range gated. The average spectrum is computed and a frequency
estimator is applied.
Successive range gates can be partially overlapping (then successive radial velocity measurements are
pa
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 28902-2
Première édition
2017-07
Qualité de l’air — Météorologie de
l’environnement —
Partie 2:
Télédétection du vent par lidar Doppler
pulsé hétérodyne basée sur le sol
Air quality — Environmental meteorology —
Part 2: Ground-based remote sensing of wind by heterodyne pulsed
Doppler lidar
Numéro de référence
ISO 28902-2:2017(F)
©
ISO 2017
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ISO 28902-2:2017(F)
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ISO 28902-2:2017(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Principes essentiels du lidar Doppler pulsé hétérodyne . 4
4.1 Présentation générale . 4
4.2 Détection hétérodyne . 5
4.3 Analyse spectrale . 7
4.4 Variables cibles .10
4.5 Sources de bruit et d’incertitudes .10
4.5.1 Bruit de Schottky de l’oscillateur local .10
4.5.2 Bruit du détecteur . . .11
4.5.3 Bruit d’intensité relatif (RIN) .11
4.5.4 Chatoiement .11
4.5.5 Fréquence du laser .11
4.6 Assignation de la portée .12
4.7 Limites connues .12
5 Spécifications et essais du système .12
5.1 Spécifications du système.12
5.1.1 Caractéristiques de l’émetteur .12
5.1.2 Caractéristiques de l’émetteur/récepteur .13
5.1.3 Paramètres d’échantillonnage du signal .14
5.1.4 Caractéristiques du système de pointage .14
5.2 Relation entre caractéristiques et performances du système .15
5.2.1 Facteur de mérite .15
5.2.2 Compromis entre temps et bande passante .17
5.3 Fidélité et disponibilité des mesurages .17
5.3.1 Exactitude de mesure de la vitesse radiale .17
5.3.2 Disponibilité des données .17
5.3.3 Portée opérationnelle maximale .18
5.4 Modes opératoires d’essai .19
5.4.1 Généralités .19
5.4.2 Validation du mesurage de la vitesse radiale .19
5.4.3 Évaluation de l’exactitude par comparaison avec d’autres instruments .20
5.4.4 Validation de la portée opérationnelle maximale .21
6 Planification du mesurage et instructions relatives à l’installation .23
6.1 Exigences relatives au site.23
6.2 Conditions limites pour usage général .24
6.3 Maintenance et essai de fonctionnement.24
6.3.1 Généralités .24
6.3.2 Maintenance .24
6.3.3 Essai de fonctionnement .24
6.3.4 Incertitude .24
Annexe A (informative) Lidar Doppler à ondes continues.26
Annexe B (informative) Extraction du vecteur vent .27
Annexe C (informative) Applications .32
Annexe D (informative) Champs d’application typiques et exigences correspondantes .36
Bibliographie .38
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ISO 28902-2:2017(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: w w w . i s o .org/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 146, Qualité de l’air, sous-comité SC 5,
Météorologie, en collaboration avec l’Organisation météorologique mondiale (OMM), en tant que norme
commune ISO/OMM dans le cadre de l’Accord sur les arrangements de travail signé par l’OMM et l’ISO
en 2008.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 28902 se trouve sur le site web de l’ISO.
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ISO 28902-2:2017(F)
Introduction
Les lidars («Light Detection And Ranging»), signifiant lidars atmosphériques dans le domaine
d’application du présent document, se sont révélés être des systèmes intéressants pour la télédétection
par laser des polluants atmosphériques et de plusieurs paramètres météorologiques tels que les
nuages, les aérosols, les gaz et (lorsque la fonctionnalité Doppler est disponible) le vent. Les mesures
sont effectuées sans contact direct et dans n’importe quelle direction à l’aide d’un rayonnement
électromagnétique. Les systèmes lidar complètent les technologies de mesure in situ classiques. Ils
peuvent être utilisés pour plusieurs applications qui ne peuvent pas être correctement mises en œuvre
avec des méthodes de mesure in situ ou ponctuelles.
Plusieurs méthodes permettent d’utiliser les lidars pour mesurer le vent atmosphérique. Les quatre
méthodes les plus couramment utilisées sont le lidar Doppler cohérent, pulsé ou à ondes continues, le
lidar Doppler à détection directe et le lidar Doppler à résonance (couramment utilisé pour les mesurages
de la couche de sodium mésosphérique). Pour de plus amples informations, se reporter aux Références
[1] et [2].
Le présent document décrit l’utilisation de systèmes lidars Doppler pulsés hétérodynes. Certaines
informations générales sur le lidar Doppler à ondes continues sont données dans l’Annexe A. Une Norme
internationale sur cette méthode est en préparation.
© ISO 2017 – Tous droits réservés v
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NORME INTERNATIONALE ISO 28902-2:2017(F)
Qualité de l’air — Météorologie de l’environnement —
Partie 2:
Télédétection du vent par lidar Doppler pulsé hétérodyne
basée sur le sol
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie les exigences et les modes opératoires d’essais de performance relatifs
aux techniques de lidar Doppler pulsé hétérodyne et présente leurs avantages et limites. Dans le
présent document, le terme «lidar Doppler» s’applique uniquement à des systèmes lidars pulsés
hétérodynes permettant d’extraire des mesures du vent à partir de la diffusion d’une lumière laser sur
des aérosols dans l’atmosphère. Les performances et les limites sont décrites sur la base de conditions
atmosphériques normalisées.
Le présent document décrit la détermination de la vitesse du vent sur la ligne de visée (vitesse radiale
du vent).
NOTE La détermination du vecteur vent à partir de mesures individuelles sur la ligne de visée n’est pas
décrite dans le présent document car elle est hautement spécifique à une configuration de lidar particulière. Un
exemple d’extraction du vecteur vent est donné dans l’Annexe B.
Le présent document ne traite pas de l’extraction du vecteur vent.
Le présent document peut être utilisé dans les champs d’application suivants:
— points météorologiques, par exemple pour l’aviation, la sécurité aéroportuaire, les applications
maritimes et les plates-formes pétrolières;
— production d’énergie éolienne, par exemple évaluation d’un site et détermination de la courbe de
puissance;
— mesurages de routine des profils de vent dans les stations météorologiques;
— surveillance de la dispersion des polluants dans l’atmosphère;
— gestion des risques industriels (surveillance directe des données ou par assimilation des données
dans des modèles de flux à micro-échelle);
— processus d’échanges (émissions de gaz à effet de serre).
Le présent document s’adresse aux fabricants de lidars Doppler pulsés hétérodynes ainsi qu’aux
organismes en charge des essais et de la certification de leur conformité. Le présent document fournit
également des recommandations aux utilisateurs pour un usage adéquat de ces instruments.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
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ISO 28902-2:2017(F)
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse http:// www .iso .org/ obp
3.1
taux de disponibilité des données
rapport entre le nombre de données de mesure effectivement acquises ayant une qualité de données
prédéfinie et le nombre attendu de données de mesure pendant une période de mesure (3.10) donnée
3.2
résolution en portée affichée
intervalle spatial constant entre les centres de deux portes de mesure (3.13) successives
Note 1 à l’article: La résolution en portée affichée est également la taille d’une porte de mesure sur le dispositif
d’affichage. Elle est déterminée par la longueur de la porte de mesure et le recouvrement entre des portes
successives.
3.3
résolution en portée effective
variable liée à l’application décrivant un intervalle de portée intégré pour lequel la variable cible est
fournie avec une incertitude définie
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.14]
3.4
résolution temporelle effective
variable liée à l’application décrivant un intervalle de temps intégré pour lequel la variable cible est
fournie avec une incertitude définie
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.12, modifiée.]
3.5
coefficient d’extinction
α
mesure de l’opacité atmosphérique, exprimée par le logarithme népérien du rapport de l’intensité
lumineuse incidente à l’intensité lumineuse transmise, par longueur unitaire du trajet lumineux
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.10]
3.6
durée d’intégration
temps nécessaire à la détermination de la vitesse dans la ligne de visée
3.7
portée maximale d’acquisition
R
MaxA
distance maximale jusqu’à laquelle le signal lidar est enregistré et traité
Note 1 à l’article: Elle dépend du nombre de points d’acquisition et de la fréquence d’échantillonnage.
3.8
portée minimale d’acquisition
R
MinA
distance minimale à partir de laquelle le signal lidar est enregistré et traité
Note 1 à l’article: Si la portée minimale l’acquisition n’est pas indiquée, elle est supposée être égale à zéro. Elle
peut être différente de zéro lorsque la réception est masquée pendant l’émission des impulsions.
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ISO 28902-2:2017(F)
3.9
portée opérationnelle maximale
R
MaxO
distance maximale jusqu’à laquelle le signal lidar permet de déterminer une vitesse de vent fiable
Note 1 à l’article: La portée opérationnelle maximale est inférieure ou égale à la portée maximale d’acquisition.
Note 2 à l’article: La portée opérationnelle maximale est définie le long d’un axe correspondant à l’application.
Elle est mesurée verticalement pour un profileur de vent. Elle est mesurée horizontalement pour les lidars à
balayage capables de mesurer dans la totalité d’un hémisphère.
Note 3 à l’article: La portée opérationnelle maximale peut être augmentée en prolongeant la période de mesure
et/ou en réduisant la résolution en portée.
Note 4 à l’article: La portée opérationnelle maximale dépend des paramètres lidar, mais aussi des conditions
atmosphériques.
3.10
période de mesure
intervalle de temps entre les première et dernière mesures
3.11
portée opérationnelle minimale
R
MinO
distance minimale à laquelle le signal lidar permet de déterminer une vitesse de vent fiable
Note 1 à l’article: La portée opérationnelle minimale est également appelée zone aveugle.
Note 2 à l’article: Dans les lidars pulsés, la portée opérationnelle minimale est limitée par la lumière parasite
dans le lidar pendant l’émission des impulsions, par la profondeur de foyer ou par le temps de commutation
émetteur/récepteur du détecteur. Elle peut dépendre de la durée d’impulsion (T ) et de la largeur de porte de
p
mesure (RGW).
3.12
résolution en portée physique
largeur (à mi-hauteur) de la fonction de pondération en portée (3.15)
3.13
porte de mesure
largeur (à mi-hauteur) de la fonction de pondération sélectionnant les points de la série temporelle en
vue du traitement spectral et du calcul de la vitesse du vent
Note 1 à l’article: La porte de mesure est centrée sur la distance de mesure.
Note 2 à l’article: La porte de mesure est définie en nombre d’intervalles ou en porte de mesure de distance
équivalente.
3.14
résolution en portée
variable liée au matériel décrivant le plus court intervalle de portée à partir duquel des informations de
signal indépendantes peuvent être obtenues
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.13]
3.15
fonction de pondération en portée
fonction de pondération de la vitesse radiale du vent le long de la ligne de visée
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ISO 28902-2:2017(F)
3.16
résolution temporelle
variable liée au matériel décrivant le plus court intervalle de temps à partir duquel des informations de
signal indépendantes peuvent être obtenues
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.11]
3.17
biais de vitesse
écart systématique maximal dû à l’instrument lors du mesurage de la vitesse
Note 1 à l’article: Le biais de vitesse doit être réduit au minimum par un étalonnage adéquat, par exemple sur une
cible fixe.
3.18
plage de vitesse
plage déterminée par la vitesse minimale mesurable du vent, la vitesse maximale mesurable du vent et
l’aptitude à mesurer le signe de la vitesse, sans ambiguïté
Note 1 à l’article: Selon l’application lidar, la plage de vitesse peut être définie sur la vitesse radiale du vent (lidars
à balayage) ou sur les vitesses horizontales du vent (profileurs de vent).
3.19
résolution en vitesse
écart-type instrumental de vitesse
Note 1 à l’article: La résolution en vitesse dépend de la durée d’impulsion, du rapport porteuse/bruit et du temps
d’intégration.
3.20
cisaillement du vent
variation du vecteur vent dans un plan perpendiculaire à la direction du vent
4 Principes essentiels du lidar Doppler pulsé hétérodyne
4.1 Présentation générale
Un lidar Doppler pulsé émet une impulsion laser dans un faisceau laser étroit (voir Figure 1). Lorsqu’il
se propage dans l’atmosphère, le rayonnement laser est diffusé dans toutes les directions par les
aérosols et les molécules. Une partie du rayonnement diffusé revient vers le lidar; elle est capturée par
un télescope, détectée et analysée. Les aérosols et les molécules se déplaçant avec l’atmosphère, il en
résulte un décalage de fréquence par effet Doppler pour la lumière laser diffusée.
Aux longueurs d’onde (et donc fréquences) pertinentes pour un lidar Doppler hétérodyne (cohérent), la
majeure partie du rayonnement rétrodiffusé provient des aérosols.
L’analyse vise à déterminer la différence, Δf, entre la fréquence, f , de l’impulsion laser émise et la
t
fréquence, f , de la lumière rétrodiffusée. Selon l’équation de Doppler, cette différence est proportionnelle
r
à la composante du vent sur la ligne de visée, comme indiqué dans la Formule (1):
Δf = f – f = −2v /λ (1)
r t r
où
λ est la longueur d’onde du laser;
v
r
est la composante du vent le long de la ligne de visée (composante du vecteur vent, v , le long
de l’axe du faisceau laser, considérée comme étant positive lorsque le vent souffle dans la
direction opposée au lidar).
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ISO 28902-2:2017(F)
Légende
1 particules diffusantes se déplaçant avec le vent
2 trajet optique de l’impulsion laser émise (faisceau laser)
3 axe optique du récepteur
4 instrument lidar
Figure 1 — Principe de mesure d’un lidar Doppler pulsé hétérodyne
Le mesurage est résolu en portée car le rayonnement rétrodiffusé reçu au temps, t, après l’émission de
l’impulsion laser s’est propagé du lidar jusqu’aux aérosols à la portée, x, puis est retourné jusqu’au lidar
à la vitesse de la lumière, c. La Formule (2) montre la relation linéaire entre la portée et le temps.
t
xc=⋅ (2)
2
4.2 Détection hétérodyne
Dans un lidar hétérodyne, la détection de la lumière captée par le télescope récepteur (à la fréquence
f = f + Δf) est décrite schématiquement à la Figure 2. La lumière reçue est mélangée au faisceau d’un
r t
laser continu très stable appelé oscillateur local. La somme des deux ondes électromagnétiques –
rétrodiffusée et oscillateur local – est convertie en un signal électrique par un détecteur quadratique
(produisant un courant électrique proportionnel à la puissance de l’onde électromagnétique éclairant
sa surface sensible). Un filtre passe-haut analogique est ensuite appliqué pour éliminer les composantes
basse fréquence du signal.
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ISO 28902-2:2017(F)
Légende
1 laser pulsé
2 élément optique séparant les lumières reçue et émise
3 télescope (utilisé pour l’émission et la réception)
4 diffuseurs
5 laser de l’oscillateur local (laser continu)
6 boucle d’asservissement de fréquence (ce dispositif fixe la différence, f − f )
t lo
7 élément optique alignant le faisceau de l’oscillateur local sur l’axe optique du faisceau lumineux reçu et les
mélangeant
8 détecteur quadratique
9 convertisseur analogique-numérique et unité de traitement numérique des signaux
Figure 2 — Principe de la détection hétérodyne
Le résultat est un courant, i(t), de radiofréquence, f + Δf – f :
t lo
η ⋅e
it =⋅22⋅⋅Ktξγ⋅ tP⋅ tP⋅⋅cos π Δ+ff − ft⋅+ϕ t + nt (3)
() () () () () (() ()
rlot lo
hf⋅
t
it
()
het
où
t est le temps;
h est la constante de Planck;
η est le rendement quantique du détecteur;
e est la charge électrique d’un électron;
K est la constante instrumentale tenant compte des pertes de transmission dans le récepteur;
ξ(t) est la modulation aléatoire de l’amplitude du signal par l’effet de chatoiement (voir 4.5.2);
γ(t) est le rendement hétérodyne;
P (t) est la puissance de la lumière rétrodiffusée;
r
P est la puissance de l’oscillateur local;
lo
f est la fréquence de l’oscillateur local;
lo
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ISO 28902-2:2017(F)
φ(t) est une phase aléatoire;
n(t) est le bruit blanc de détection;
i (t) est le signal hétérodyne.
het
Le rendement hétérodyne, γ(t), est une mesure de la qualité du mélange optique des ondes rétrodiffusées
et de l’oscillateur local sur la surface du détecteur. Il ne peut pas dépasser 1. Un bon rendement
hétérodyne nécessite un dimensionnement et un alignement soigneux de l’oscillateur local par rapport
à l’onde rétrodiffusée. Les conditions optimales de mélange sont décrites dans la Référence [3]. Le
rendement hétérodyne n’est pas une fonction purement instrumentale; il dépend aussi de la turbulence
2
de l’indice de réfraction (Cn ) le long du faisceau laser (voir la Référence [4]). Dans des conditions de
forte turbulence atmosphérique, les fluctuations de l’indice de réfraction dégradent le rendement
hétérodyne. Cela peut se produire lorsque le lidar est utilisé à proximité du sol pendant une chaude
journée d’été.
Dans la Formule (4), P (t) est la puissance instantanée de la lumière rétrodiffusée. Elle est donnée par
r
l’équation lidar (voir la Référence [3]):
+∞
2x
−22
Pt =⋅Ax ⋅Gx ⋅−gt ⋅ βτxx⋅ dx (4)
() () () ()
r
∫
c
0
avec
x
ταx =−expdζζ
() ()
∫
0
où
x est la distance par rapport au lidar;
A est la surface collectrice du télescope récepteur;
G(x) est la fonction de sensibilité dépendant de la portée (0 ≤ G(x) ≤ 1) tenant compte, par exemple, de
l’atténuation du rendement du récepteur à courte portée pour éviter la saturation du détecteur;
g(t)
est l’enveloppe de la puissance des impulsions laser ( gt dtE= , E étant l’énergie de
() 0
0
∫
l’impulsion laser);
β(x) est le coefficient de rétrodiffusion de la cible atmosphérique explorée;
τ(x) est la transmission atmosphérique en fonction du coefficient d’extinction, α.
4.3 Analyse spectrale
L’extraction de la mesure de la vitesse radiale à partir de signaux hétérodynes fait appel à une analyse
spectrale. Celle-ci est effectuée dans le domaine numérique après conversion analogique-numérique
des signaux hétérodynes. Un aperçu du traitement est donné à la Figure 3. L’analyse de fréquence est
appliquée à une fenêtre temporelle (t, t + Δt) et répétée pour un nombre, N, d’impulsions lidar. La fenêtre
définit une porte de mesure (x, x + Δx) avec x = c ∙ t /2 et Δx = c ∙ Δt /2. N est lié au temps d’intégration,
t = 1/f , du mesurage ( f est la fréquence de répétition des impulsions). L’analyse des signaux
int PRF PRF
consiste à moyenner les fonctions de densité de puissance spectrale des signaux par porte de mesure.
Un estimateur de fréquence est ensuite utilisé pour estimer la fréquence centrale du pic du signal. Il
ˆ
s’agit d’une estimation, f , de la fréquence, f = Δf + f − f , du signal hétérodyne (voir Figure 3).
het t lo
het
En raison de la conversion analogique-numérique, l’intervalle de fréquence résolu par l’analyse de
fréquence est limité à (0, +F /2) ou (−F /2, +F /2) pour des signaux à valeur complexe. Cela limite les
s s s
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...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.