ISO 28902-3:2018

ISO/TC 146/SC 5
Date:  2018-08
Deleted: /FDIS
ISO/TC 146/SC 5/WG 6
Secretariat:  DIN
Air quality — Environmental meteorology — Part 3: Ground-based remote
sensing of wind by heterodyne continuous-wave Doppler lidar
Qualité de l'air — Météorologie de l'environnement — Partie 3: Télédétection du
vent par lidar Doppler à ondes entretenues basée sur le sol
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i
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ii
Contents Page
Foreword . v
Introduction . vi
1  Scope . 1
2  Normative references . 1
3  Terms and definitions . 1
4  Fundamentals of heterodyne Doppler lidar . 4
4.1  Overview . 4
4.2  Heterodyne detection . 6
4.3  Spectral analysis . 8
4.3.1  Signal processing for CW lidar . 8
4.3.2  An example of a wind speed estimation process . 9
4.4  Target variables . 9
4.5  Sources of noise and uncertainties . 10
4.5.1  Local oscillator (LO) shot noise . 10
4.5.2  Detector noise . 10
4.5.3  Relative intensity noise (RIN) . 10
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  Laser wavelength . 12
5.1.2  Transmitter/receiver characteristics . 12
5.1.3  Pointing system characteristics . 13
5.2  Figures of merit . 14
5.3  Precision and availability of measurements . 14
5.3.1  Radial velocity measurement accuracy . 14
5.3.2  Data availability . 14
5.3.3  Maximum operational range . 14
5.4  Testing procedures . 15
5.4.1  General . 15
5.4.2  Hard target return . 15
5.4.3  Assessment of accuracy by intercomparison with other instrumentation . 15
5.4.4  Maximum operational range validation . 17
6  Measurement planning and installation instructions . 17
6.1  Site requirements . 17
6.2  Limiting conditions for general operation . 17
6.3  Maintenance and operational test . 18
6.3.1  General . 18
6.3.2  Maintenance . 18
6.3.3  Operational test . 18
6.3.4  Uncertainty . 18
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iii
Bibliography . 20
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iv
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 of 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 www.iso.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.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
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v
Introduction
Lidars (“light detection and ranging”), used in this document to designate atmospheric lidars, have
proven to be valuable systems for the remote sensing of atmospheric pollutants in various
meteorological parameters, such as wind, clouds, aerosols and gases. Extensive optical and physical
properties of the probed targets, such as size distribution, chemical composition, shape of the particles
and gas concentration, and optical properties of the atmosphere, such as visibility, extinction and
backscatter, can be retrieved using lidars. Atmospheric targets such as these can be spatially resolved
along their line of sight by, for example, focusing the continuous‐wave beam at the chosen specific
range. 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
[1]
commonly used methods are heterodyne pulsed Doppler wind lidar (see ISO 28902‐2:2017 ),
heterodyne continuous‐wave 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 [2] and [3].
This document describes the use of (monostatic) heterodyne continuous‐wave Doppler lidar.
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vi
Air quality — Environmental meteorology — Part 3: Ground-
based remote sensing of wind by heterodyne continuous-wave
Doppler lidar
1 Scope
This document specifies the requirements and performance test procedures for monostatic heterodyne
continuous‐wave (CW) Doppler lidar techniques and presents their advantages and limitations. The
term “Doppler lidar” used in this document applies solely to monostatic heterodyne CW lidar systems
retrieving wind measurements from the scattering of laser light by aerosols in the atmosphere.
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 ISO 28902‐2:2017, Annex B.
This document does not address the retrieval of the wind vector.
This document can be used for the following application areas:
— meteorological briefing for e.g. aviation, airport safety, marine applications, oil platforms;
— wind power production, e.g. site assessment, 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 can be used by manufacturers of monostatic CW Doppler wind lidars as well as bodies
testing and certifying their conformity. This document also provides recommendations for users to
make adequate use of these instruments.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
IEC 61400‐12‐1:2017, Wind energy generation systems — Part
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 28902-3
Première édition
2018-11
Qualité de l'air — Météorologie de
l'environnement —
Partie 3:
Télédétection du vent par lidar
Doppler à ondes contenues basé au sol
Air quality — Environmental meteorology —
Part 3: Ground-based remote sensing of wind by continuous-wave
Doppler lidar
Numéro de référence
©
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Principes essentiels du lidar Doppler hétérodyne . 4
4.1 Présentation générale . 4
4.2 Détection hétérodyne . 6
4.3 Analyse spectrale . 8
4.3.1 Traitement du signal pour un lidar à ondes continues . 8
4.3.2 Exemple de processus d’estimation de la vitesse du vent . 9
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 . . .10
4.5.3 Bruit d’intensité relatif (RIN) .11
4.5.4 Chatoiement .11
4.5.5 Fréquence du laser .11
4.6 Assignation en distance .11
4.7 Limites connues .12
5 Spécifications et essais du système .13
5.1 Spécifications du système.13
5.1.1 Longueur d’onde du laser .13
5.1.2 Caractéristiques de l’émetteur/récepteur .13
5.1.3 Caractéristiques du système de pointage .13
5.2 Facteurs de mérite .14
5.3 Fidélité et disponibilité des mesurages .14
5.3.1 Exactitude de mesure de la vitesse radiale .14
5.3.2 Taux de disponibilité des données .15
5.3.3 Portée opérationnelle maximale .15
5.4 Modes opératoires d’essai .15
5.4.1 Généralités .15
5.4.2 Écho sur cible dure.15
5.4.3 Évaluation de l’exactitude par comparaison avec d’autres instruments .16
5.4.4 Validation de la portée opérationnelle maximale .17
6 Planification du mesurage et instructions relatives à l’installation .18
6.1 Exigences relatives au site.18
6.2 Conditions limites pour usage général .18
6.3 Maintenance et essai de fonctionnement.19
6.3.1 Généralités .19
6.3.2 Maintenance .19
6.3.3 Essai de fonctionnement .19
6.3.4 Incertitude .19
Bibliographie .21
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 www. iso. org/avant-p ropos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 146, Qualité de l’air, sous-comité SC 5,
Météorologie.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 28902 se trouve sur le site web de l’ISO.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes se
trouve à l’adresse www. iso. org/fr/members. html.
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Introduction
Les lidars («light detection and ranging»), désignant les lidars atmosphériques dans le présent document,
se sont révélés être des systèmes intéressants pour la télédétection des polluants atmosphériques et
divers paramètres météorologiques, tels que le vent, les nuages, les aérosols et les gaz. L’utilisation des
méthodes lidar permet d’extraire et de déterminer l’ensemble des propriétés optiques et physiques des
cibles explorées telles que la distribution granulométrique, la composition chimique et la forme des
particules, la concentration de gaz, et des propriétés optiques de l’atmosphère telles que la visibilité,
l’extinction et la rétrodiffusion. La détection de telles cibles atmosphériques peut être résolue en
distance le long de la ligne de visée du lidar, par exemple en focalisant le faisceau laser à la distance
choisie. La mesure est sans contact direct et peut se faire dans n’importe quelle direction grâce à
l’utilisation d’un rayonnement électromagnétique. Les systèmes lidar complètent donc 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 pulsé hétérodyne
[1]
(voir l’ISO 28902-2:2017 ), le lidar Doppler hétérodyne 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 [2] et [3].
Le présent document décrit l’utilisation du lidar Doppler (monostatique) hétérodyne à ondes continues.
NORME INTERNATIONALE ISO 28902-3:2018(F)
Qualité de l'air — Météorologie de l'environnement —
Partie 3:
Télédétection du vent par lidar Doppler à ondes contenues
basé au 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 monostatique hétérodyne à ondes continues et présente leurs avantages
et limites. Dans le présent document, le terme «lidar Doppler» s’applique uniquement à des systèmes
lidars monostatiques hétérodynes à ondes continues permettant d’extraire des mesures du vent à
partir de la diffusion d’une lumière laser par 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
...