ISO 28902-1:2012
(Main)Air quality — Environmental meteorology — Part 1: Ground-based remote sensing of visual range by lidar
Air quality — Environmental meteorology — Part 1: Ground-based remote sensing of visual range by lidar
This part of ISO 28902 mainly specifies the requirements in order to perform visual range lidar measurements for the determination of direction-dependent meteorological optical range (MOR). The term "visual-range lidar" is used in this part of ISO 28902 to apply to the lidar systems making visual-range measurements, commonly referred to as "visibility measurements". Due to physical approximations, quantitative determination is limited to a meteorological optical range of between 30 m and 2 000 m. For this range, this part of ISO 28902 specifies the performance of visual-range lidar systems utilizing the method of range‑integrated visual-range measurements based on light extinction. The following parameters can be calculated based on the directiondependent meteorological optical range: a) horizontal visual range; b) vertical visual range; c) slant visual range. NOTE The measures for visibility are strongly related to the historical definitions of visibility, which are related to human observers. The lidar technique extends the definitions to various conditions, such as daylight and night-time conditions. In addition, this measurement principle enables the user to retrieve information on cloud base height, boundary layer depth, fog banks and aerosol profiles due to the signal attenuation by water vapour and/or aerosols. Examples of these applications are given in Annex C. This part of ISO 28902 can be applied in the following areas: — meteorological stations; — airports; — harbours; — waterways; — roads and motorways; — automotive; — oil platforms.
Qualité de l'air — Météorologie de l'environnement — Partie 1: Télédétection de la portée visuelle par lidar basée sur le sol
La présente partie de l'ISO 28902 spécifie principalement les exigences relatives aux mesurages lidar de la portée visuelle pour la détermination de la portée optique météorologique (POM) dans diverses directions. Le terme «lidar pour portée visuelle» est utilisé dans la présente partie de l'ISO 28902 pour désigner les systèmes lidar qui effectuent le mesurage de la portée visuelle, communément appelé aussi mesurage de la visibilité. En raison d'approximations physiques, la détermination quantitative de la portée optique météorologique est limitée à une plage comprise entre 30 m et 2 000 m. Pour cette plage, la présente partie de l'ISO 28902 spécifie la performance des systèmes lidar pour portée visuelle utilisant la méthode d'intégration de la portée visuelle basée sur l'extinction de lumière. Les paramètres suivants peuvent être calculés d'après la portée optique météorologique dans diverses directions: a) portée visuelle horizontale; b) portée visuelle verticale; c) portée visuelle oblique. NOTE Les mesurages de visibilité sont fortement liés aux définitions historiques de visibilité, elles-mêmes associées à des observateurs humains. La technique lidar étend les définitions à plusieurs conditions telles que les conditions de lumière du jour et de nuit. De plus, ce principe de mesurage permet à l'utilisateur d'obtenir des informations relatives à la hauteur de la base des nuages, la hauteur de la couche limite, aux bancs de brouillard et aux profils d'aérosols grâce à l'atténuation du signal par la vapeur d'eau et/ou les aérosols. L'Annexe C donne des exemples de ces applications. La présente partie de l'ISO 28902 peut être appliquée dans les domaines suivants: — stations météorologiques; — aéroports; — ports; — voies navigables; — routes et autoroutes; — automobile; — plates-formes pétrolières.
General Information
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 28902-1
First edition
2012-01-15
Air quality — Environmental
meteorology —
Part 1:
Ground-based remote sensing of visual
range by lidar
Qualité de l’air — Météorologie de l’environnement —
Partie 1: Télédétection de la portée visuelle par lidar basée sur le sol
Reference number
ISO 28902-1:2012(E)
©
ISO 2012
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ISO 28902-1:2012(E)
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Published in Switzerland
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ISO 28902-1:2012(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 2
4 Symbols and abbreviated terms . 4
4.1 Symbols . 4
4.2 Abbreviated terms . 6
5 Fundamentals of visual-range lidar . 6
5.1 General . 6
5.2 Concept of visual-range lidar measurements . 9
6 Requirements .12
6.1 Measurement variables .12
6.2 Target variables .12
6.3 Specifications and minimum requirements of performance characteristics .12
7 Measurement planning and site requirements .17
8 Measurement procedure .18
8.1 General .18
8.2 Maintenance and operational test .18
8.3 Applications and measurement procedure .18
9 Signal evaluation .20
9.1 Klett-Fernald algorithm .20
9.2 Evaluation range .21
9.3 Uncertainty .21
10 Interferences .22
Annex A (informative) Alternative data evaluation .23
Annex B (informative) Calibration by the manufacturer .26
Annex C (informative) Further applications .28
Bibliography .29
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ISO 28902-1:2012(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.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
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.
ISO 28902-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 146, Air quality, Subcommittee SC 5, Meteorology
in collaboration with the World Meteorological Organization (WMO).
ISO 28902 consists of the following part, under the general title Air quality — Environmental meteorology:
— Part 1: Ground-based remote sensing of visual range by lidar
The following part is under preparation:
— Part 2: Ground-based remote sensing by Doppler wind lidar
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ISO 28902-1:2012(E)
Introduction
This part of ISO 28902 describes the determination of the visual range via backscattering atmospheric
lidar (“Light Detection And Ranging”). Lidars have proven to be valuable systems for remote sensing of
atmospheric pollutants, of various meteorological parameters such as wind velocity and direction, cloud and
aerosol distribution and composition, shape of the particles, gas concentration, and of optical properties of
the atmosphere like extinction and backscatter. A specific feature of lidar methods is their ability to allow
spatially resolved remote sensing. The measurements can be carried out without direct contact and in any
direction as electromagnetic radiation is used for sensing. Lidar systems, therefore, supplement conventional
measurement technology. They are suitable for a large number of tasks that cannot be adequately performed
by using in-situ or point measurement methods.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 28902-1:2012(E)
Air quality — Environmental meteorology —
Part 1:
Ground-based remote sensing of visual range by lidar
1 Scope
This part of ISO 28902 mainly specifies the requirements in order to perform visual range lidar measurements
for the determination of direction-dependent meteorological optical range (MOR). The term “visual-range lidar”
is used in this part of ISO 28902 to apply to the lidar systems making visual-range measurements, commonly
referred to as “visibility measurements”. Due to physical approximations, quantitative determination is limited
to a meteorological optical range of between 30 m and 2 000 m. For this range, this part of ISO 28902
specifies the performance of visual-range lidar systems utilizing the method of range-integrated visual-range
measurements based on light extinction. The following parameters can be calculated based on the direction-
dependent meteorological optical range:
a) horizontal visual range;
b) vertical visual range;
c) slant visual range.
NOTE The measures for visibility are strongly related to the historical definitions of visibility, which are related to human
observers. The lidar technique extends the definitions to various conditions, such as daylight and night-time conditions.
In addition, this measurement principle enables the user to retrieve information on cloud base height, boundary
layer depth, fog banks and aerosol profiles due to the signal attenuation by water vapour and/or aerosols.
Examples of these applications are given in Annex C.
This part of ISO 28902 can be applied in the following areas:
— meteorological stations;
— airports;
— harbours;
— waterways;
— roads and motorways;
— automotive;
— oil platforms.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application 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 60825-1:2007, Safety of laser products — Part 1: Equipment classification and requirements
© ISO 2012 – All rights reserved 1
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ISO 28902-1:2012(E)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
visual-range lidar
laser-based instrument using particle backscatter and extinction to measure visual range
3.2
visibility
meteorological visibility
greatest distance at which a black object of suitable dimensions (located on the ground) can be seen and
recognized when observed against the horizon sky during daylight or could be seen and recognized during the
night if the general illumination were raised to the normal daylight level
[1] [2]
[WMO, 1992 ; WMO, 2003 ]
NOTE 1 ICAO (International Civil Aviation Organization) gives a different definition specified for aviation purposes) and
[3]
makes a clear distinction with regard to daytime and night-time contrast (see ICAO, 2007 ):
Visibility for aeronautical purposes is the greater of:
a) the greatest distance at which a black object of suitable dimensions, situated near the ground, can be seen and
recognized when observed against a bright background;
b) the greatest distance at which lights in the vicinity of 1 000 candelas can be seen and identified against an unlit background.
NOTE 2 In this part of ISO 28902, WMO’s more general definition is used. The ICAO definition uses the luminous
intensity of the runway lights for the night-time definition, which is not available in general cases.
3.3
visual range
greatest distance at which a given object can be recognised in any particular circumstances, as limited only by
the atmospheric transmissivity and by the visual contrast threshold
[4] [5]
[IEC 60050-845 and IEC ELECTROPEDIA 845-11-23 ]
3.4
meteorological optical range
MOR
V
MOR
length of path in the atmosphere required to reduce the luminous flux in a collimated beam from an incandescent
lamp, at a colour temperature of 2 700 K, to 5 % of its original value
[1] [6]
[WMO, 1992 ; WMO, 2008 ]
NOTE 1 The relationship between MOR and extinction coefficient (at the contrast threshold of α = 0,05) using
[6]
Koschmieder’s law is: V = − ln (0,05)/α .
MOR
NOTE 2 If the contrast threshold is 2 %, the measurement quantity is called standard visual range V ; this was initially
N
[7]
used by Koschmieder .
NOTE 3 In this part of ISO 28902, MOR is used as a variable for horizontal measurements of the visual range; for slant
measurements, the slant optical range (3.7) is used.
3.5
runway visual range
RVR
range over which the pilot of an aircraft on the centre line of a runway can see the runway surface markings or
the lights delineating the runway or identifying its centre line
[8]
[ICAO, 2005 ]
2 © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO 28902-1:2012(E)
3.6
vertical optical range
VOR
V
VOR
meteorological optical range in the vertical direction
3.7
slant optical range
SOR
V
SOR
horizontal projection of the maximum distance out to which a black target in a plane can be recognized from
an observer at height h above the plane with a contrast of 5 %
NOTE 1 The contrast threshold for the slant optical range is 5 % and is identical to the meteorological optical range
(MOR) threshold.
NOTE 2 This definition is based on the standard definition of MOR [see Equations (5) and (8)] in order to enable a
generally applicable mathematic evaluation procedure.
3.8
slant visual range
SVR
visual range of a specified object or light along a line of sight which differs significantly from the horizontal; for
example, the visual range of ground objects or lights as seen from an aircraft on the approach
[8]
[ICAO, 2005 ]
3.9
conventional range
maximum range measured under specified conditions in order to compare different systems
3.10
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
3.11
temporal resolution
equipment-related variable describing the shortest time interval from which independent signal information
can be obtained
3.12
effective temporal resolution
Δx
eff
application-related variable describing an integrated time interval for which the target variable is delivered with
a defined uncertainty
EXAMPLE The time resolution of consecutive extinction coefficient profiles or calculated values of the meteorological
optical range (MOR) or vertical optical range (VOR).
3.13
range resolution
equipment-related variable describing the shortest range interval from which independent signal information
can be obtained
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ISO 28902-1:2012(E)
3.14
effective range resolution
application-related variable describing an integrated range interval for which the target variable is delivered
with a defined uncertainty
EXAMPLE The range resolution of consecutive extinction coefficient profiles or calculated values of the meteorological
optical range (MOR) or vertical optical range (VOR).
3.15
fog
reduction of visibility caused by hydrometeors at a meteorological optical range V < 1 km and relative
MOR
humidity near 100 %
3.16
mist
reduction of visibility caused by hydrometeors with a relative humidity ≥ 80 % or dew point differences ≤ 3 K for
a meteorological optical range V ≥ 1 km
MOR
[1] [2] [6]
[WMO, 1992 ; WMO, 2003 ; WMO, 2008 ]
[3]
NOTE 1 The definition of an upper limit of 5 km is given by ICAO .
NOTE 2 National regulations specify differing upper limits due to different definitions of clear sky (e.g. Germany 8 km,
Canada 6 miles).
3.17
haze
reduction of visibility caused by lithometeors with a relative humidity < 80 % or dew point differences > 3 K for
a meteorological optical range V ≥ 1 km
MOR
[1] [2] [6]
[WMO, 1992 ; WMO, 2003 , WMO, 2008 ]
[3]
NOTE 1 The definition of an upper limit of 5 km is given by ICAO .
NOTE 2 National regulations specify differing upper limits due to different definitions of clear sky (e.g. Germany 8 km,
Canada 6 miles).
4 Symbols and abbreviated terms
4.1 Symbols
Variable Unit Signification
2
A m area of the receiver optics
3
B W m sr system parameter depending on geometry and range
−1
c m s speed of light
E J laser pulse energy
0
h m height
K′ 1 luminance contrast threshold of the eye
O 1 (range-dependent) overlap function between the transmitted beam and the
field of view of the receiver (complete overlap if O = 1)
P W received detector power
P W average power of laser pulse
0
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Variable Unit Signification
2
S W m lidar signature
T K temperature
t
s time
Δt
s laser pulse duration
Δt s effective temporal resolution
eff
x
m range (distance from measuring system to scattering volume)
Δx m effective range resolution
eff
x m conventional range for visual-range determination
CR
x m starting distance for data evaluation by backward integration
f
x m starting distance for data evaluation by forward integration
n
x m baseline of a transmissometer
L
V m meteorological optical range
MOR
V m standard visual range
N
V m slant optical range
SOR
V m vertical optical range
VOR
−1
α m extinction coefficient
−1
α(x ) m initial value of extinction coefficient for backward integration
f
−1
α(x ) m initial value of extinction coefficient for forward integration
n
−1
Δα m uncertainty of the extinction coefficient
−1 −1
β m sr backscatter coefficient
δ rad laser divergence
γ rad field of view
η 1 efficiency of the receiver optics
λ m wavelength
Δλ m spectral width
ξ m variable for range integration
τ 1 atmospheric transmittance between lidar and scattering volume
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ISO 28902-1:2012(E)
4.2 Abbreviated terms
ICAO International Civil Aviation Organization
MOR meteorological optical range
RVR runway visual range
SOR slant optical range
SVR slant visual range
VOR vertical optical range
WMO World Meteorological Organization
5 Fundamentals of visual-range lidar
5.1 General
[9]
Lidar methods are active methods for measuring selected physical variables of the atmosphere . Lidar requires
[10]
a pulsed light source and a detection system with good time resolution . The emitted light interacts with the
[11][12]
atmosphere through scattering , and the backscattered fraction is measured. The backscatter signals
are used to determine the physical variables that describe the atmospheric conditions. Depending on the
process of physical interaction of the light with the atoms, molecules, or aerosol particles in the atmosphere, a
distinction is made between different variants of the lidar principle.
The visual-range lidar uses elastic scattering on particles for the measurement.
NOTE The wavelength is not changed during the scattering process.
In lidar, the propagation time of the light from the source to the object and back is used to determine distance.
The distance x to the scattering volume is determined from the time t after emission of the laser pulse using
the speed of light c:
ct
x= (1)
2
The factor 1/2 results from the doubled path traversed by the emitted light before it is recorded again by the
lidar system.
After the emission of each individual laser pulse, the backscattering signal is detected in successive time bins.
Each of these corresponds to a height or range interval and is characterized by its centre height or distance
(see Figure 1).
6 © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO 28902-1:2012(E)
Key
t
1, 2, 3 centre of the range or height interval and time, in s
corresponding receiving time interval
x distance, in m Δt laser pulse duration, in s
−1
α
extinction coefficient, in m
i
Figure 1 — Schematic relation between propagation time and range
In an arrangement such as that schematically represented in Figure 2, the detector records a signal P(x,λ) after
the emission of a laser pulse. The time profile of the signal is transformed into a spatial profile. Neglecting the
[10]
duration Δt of the transmitted pulse, the spatial profile of the signal can be represented by Equation (2) :
ctΔ AOη ()x
2
Px(,λ)= P βλ(,xx)(τλ,) (2)
0
2
2
x
where
c is the speed of light;
Δt is the (laser) pulse duration;
P is the average laser power during the pulse;
0
A is the area of the receiver optics;
η is the efficiency of the receiver optics;
O(x) is the range-dependent overlap function between the transmitted beam and the field of view of the
receiver [complete overlap at O(x) = 1];
λ is the wavelength;
β(x,λ) is the backscatter coefficient;
τ(x,λ) is the transmittance of the atmosphere between the lidar and the scattering volume;
x is the distance between lidar and scattering volume.
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ISO 28902-1:2012(E)
a) Typical receiver signal
b) Typical receiver signal in a homogeneous fog
Key
1,2,3,4 areas with differing backscatter and beam geometry
x distance, in m
i
P
power, in W
NOTE Dashed cone: field of view of the detection system (γ); Solid cone: transmission cone of the laser (δ).
Figure 2 — Lidar measurement principle
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ISO 28902-1:2012(E)
In Figure 2 a), a typical receiver signal is depicted. Four areas can be distinguished assuming simplified laser
beam geometry in near and far fields.
1)
a) Up to a distance x , the receiver detects no radiation except from multiple scattering , as the transmission
1
cone has not yet entered the field of view of the receiver. The signal onset distance depends on the
geometry of the transmitting and receiving optics. The overlap function O(x) in this area is very small.
b) At a distance of x , a maximum signal develops which reflects the combined effect of overlap and extinction.
2
At x′, the overlap function equals 1: O(x′) = 1. The full beam cross-section is imaged on the detector.
c) At x , another maximum signal appears which is caused by atmospheric inhomogeneity such as a fog bank
3
or cloud. The signal would have followed the broken line if it had not been for this scattering inhomogeneity.
d) The cloud or fog bank causes a reduction of the light from the area behind the cloud, thus, the signal from
the area beyond quickly drops to the noise level.
Figure 2 b) shows a typical receiver signal obtained in a homogeneous fog. To record visibility conditions in
the immediate proximity of the lidar, a compact device with large transmitter and receiver aperture is used.
Because of the different geometry of the lidar systems, the equivalent of areas 1 to 3 of Figure 2 a) is all
contained in the first 30 m of Figure 2 b).
Three factors in the lidar Equation (2) are decisive for the profile of the received signal and require an adaptation
of the signal dynamics in the data acquisition system:
2
— the dependence on the distance, 1/x : This is a geometrical factor and stems from the fact that scattering
is isotropic to the first approximation;
— the backscatter coefficient β: In general, a cloud scatters more strongly than the surrounding air molecules
and aerosols, and, consequently, a cloud shows up clearly as an inhomogeneity in the signal profile;
— the transmittance of the atmosphere τ(x,λ): This is derived from the atmospheric extinction coefficient
α(x,λ) by integration over the range variable ξ according to Equation (3). τ describes the transparency of
the atmosphere to the light of the wavelength λ along the light path:
x
τλ(,x )e=−xp αξ(,λξ)d (3)
∫
0
Equation (4) defines the range-corrected lidar backscattering signal, or lidar signature:
22
Sx()==Px(,λβ)(xB xx)( ,)λτ (,x λ) (4)
with B(x) as a range-dependent system parameter determined by the geometry of the system.
The evaluation of Equation (4) is described in 9.1. In principle, other techniques, such as the high spectral
[13][14]
resolution (HSR) method , can be used alternatively. The HRS method can resolve extinction and
backscatter independently, but requires a small bandwidth laser and a high resolution receiver; it is not
described in this part of ISO 28902.
5.2 Concept of visual-range lidar measurements
5.2.1 General
This subclause specifies the concept of visual-range lidar measurements.
1) If photons are scattered more than once on their way from the light source to the receiver, this is referred to as multiple
scattering.
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ISO 28902-1:2012(E)
5.2.2 Meteorological optical range
[7]
Based on Koschmieder’s visual-range theory , the meteorological optical range is defined as:
13
′
VK=− ln = (5)
MOR
αα
where
V is the meteorological optical range;
MOR
α
is the extinction coefficient;
K′
is the luminance contrast threshold of the eye.
The value of K′ was initially set by Koschmieder to 2 %. For practical applications (e.g. by an airport weather
[3] [1]
service and meteorological applications) a threshold value K′ of 5 % is defined, both by ICAO and WMO , to
consider additional physiological and situational constraints. The meteorological optical range is thus defined
for this threshold value of 5 %.
The conditions for the validity of Equation (5) are the following:
— the same illumination conditions prevail along the line from the observer to an object on the horizon;
— the extinction coefficient α is constant within the entire range;
— the object is black;
— the object is just visible.
MOR can be determined with a light transmissometer, or by use of the contrast-light method or the scattered-
light method, or with a visual-range lidar.
If the extinction coefficient between the observer and the horizon is not constant, then the MOR in this
direction is given by:
V
MOR
αξ()d3ξ = (6)
∫
0
5.2.3 Vertical optical range
Using Equation (6) for the vertical direction, the vertical optical range is obtained as:
V
VOR
αξ()d3ξ = (7)
∫
0
5.2.4 Slant optical range
For an observer at height h above the ground, the slant optical range is defined as the horizontal projection
of the maximum distance out to which a black target in that plane can be recognized with a threshold of 5 %.
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ISO 28902-1:2012(E)
Based on Equation (6) and with the conditions V > h and horizontal homogeneous distribution of the
VOR
extinction coefficient, we obtain:
2
3
Vh() = h −1 (8)
SOR
h
αξ() dξ
∫
0
Equation (8) is only applicable if
— V > h and
VOR
— α is horizontally homogeneous and α is only a function of the height h.
If V < h, the SOR is not defined as a pilot at height h cannot see the ground.
VOR
If α is not horizontally homogeneous, the SOR determined by the instrument and the SOR perceived by the
observer are not necessarily identical.
EXAMPLE Figure 3 shows schematically the situation during a landing approach at an airport. A light transmissometer
at the ground (baseline x ) measures V [Equation (5)] under the assumption of a horizontally homogeneous extinction
L MOR
coefficient α . In this example, V is larger than the baseline x . V requires integration over the vertically stratified
1 MOR L SOR
extinction coefficient [Equation (8)]. Under low stratus (α > α , α ) conditions, a pilot at height h, thus sees the ground at
2 1 3
a steeper angle (V ) than in ground fog (α > α , α ; V ) conditions.
SOR1 1 2 3 SOR2
The scheme illustrates that slant optical range, V , is defined as a distance at ground level and can be quite different
SOR
from the meteorological optical range, V .
MOR
Figure 3 — Schematic representation of a situation with horizontally homogeneous visibilities
corresponding to extinction coefficients αα,,α
12 3
© ISO 2012 – All rights reserved 11
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ISO 28902-1:2012(E)
5.2.5 Visual-range determination with lidar
Koschmieder’s theory assumes visible light. However, lidar methods for visual-range determination operate
2)
from the near UV region up to the near IR region, at wavelengths from 315 nm up to 1 600 nm .
The application of Koschmieder’s theory to lidar methods is possible if wavelength-independent scattering
is assumed. This condition can be met in different meteorological situations if backscatter particles are
homogenous in shape and diameter (e.g. fog and mist or haze). If instead, there are particle mixtures or
inhomogeneities, different theories have to be applied because wavelength independency is no longer a given.
According to Koschmieder’s theory, the application of this part of ISO 28902 is therefore restricted by convention
3)
to V ≤ 2 000 m . This meteorological optical range covers the applications described in 8.3. Examples for
MOR
applications for V > 2 000 m are given in Annex C.
MOR
The range-resolved measurement of the extinction coefficient α with lidar allows the meteorological optical
ran
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 28902-1
Première édition
2012-01-15
Qualité de l’air — Météorologie de
l’environnement —
Partie 1:
Télédétection de la portée visuelle par
lidar basée sur le sol
Air quality — Environmental meteorology —
Part 1: Ground-based remote sensing of visual range by lidar
Numéro de référence
ISO 28902-1:2012(F)
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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 Symboles et abréviations . 4
4.1 Symboles . 4
4.2 Termes abrégés . 6
5 Principes essentiels du lidar pour portée visuelle . 6
5.1 Généralités . 6
5.2 Concept des mesurages lidar pour portée visuelle .10
6 Exigences .13
6.1 Variables de mesurage .13
6.2 Variables cibles .13
6.3 Spécifications et exigences minimales des caractéristiques de performance .13
7 Exigences de planification et d’emplacement du mesurage .18
8 Mode opératoire de mesurage .19
8.1 Généralités .19
8.2 Maintenance et essai de fonctionnement .19
8.3 Applications et mode opératoire de mesurage .20
9 Évaluation des signaux .21
9.1 Algorithme de Klett-Fernald .21
9.2 Intervalle d’évaluation .22
9.3 Incertitude .23
10 Interférences .24
Annexe A (informative) Méthode de calcul alternative .25
Annexe B (informative) Étalonnage par le fabricant .28
Annexe C (informative) Autres applications .30
Bibliographie .31
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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 (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins des comités membres votants.
L’attention est appelée 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.
L’ISO 28902-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 146, Qualité de l’air, sous-comité SC 5,
Météorologie, en collaboration avec l’Organisation météorologique mondiale (OMM).
L’ISO 28902 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Qualité de l’air — Météorologie
de l’environnement:
— Partie 1: Télédétection de la portée visuelle par lidar basée sur le sol
La partie suivante est en cours d’élaboration:
— Partie 2: Télédétection par lidar Doppler basée sur le sol
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ISO 28902-1:2012(F)
Introduction
La présente partie de l’ISO 28902 décrit la détermination de la portée visuelle à l’aide d’un lidar («Light Detection
And Ranging») atmosphérique à rétrodiffusion. Les lidars se sont révélés être des systèmes intéressants pour
la télédétection par laser des polluants atmosphériques, de plusieurs paramètres météorologiques tels que la
vitesse et la direction du vent, la répartition et la composition des nuages et des aérosols, la forme des particules,
la concentration en gaz, et des propriétés optiques de l’atmosphère telles que l’extinction et la rétrodiffusion.
Une caractéristique spécifique des méthodes lidar est leur capacité à permettre une télédétection par laser
avec une résolution spatiale. Les mesurages peuvent être effectués sans contact direct et dans n’importe
quelle direction car le rayonnement électromagnétique est utilisé pour la télédétection. Par conséquent, les
systèmes lidar complètent la technologie de mesurage classique. Ils peuvent être utilisés pour plusieurs tâches
qui ne peuvent pas être correctement effectuées avec des méthodes de mesure in situ ou ponctuelles.
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NORME INTERNATIONALE ISO 28902-1:2012(F)
Qualité de l’air — Météorologie de l’environnement —
Partie 1:
Télédétection de la portée visuelle par lidar basée sur le sol
1 Domaine d’application
La présente partie de l’ISO 28902 spécifie principalement les exigences relatives aux mesurages lidar de la
portée visuelle pour la détermination de la portée optique météorologique (POM) dans diverses directions. Le
terme «lidar pour portée visuelle» est utilisé dans la présente partie de l’ISO 28902 pour désigner les systèmes
lidar qui effectuent le mesurage de la portée visuelle, communément appelé aussi mesurage de la visibilité.
En raison d’approximations physiques, la détermination quantitative de la portée optique météorologique est
limitée à une plage comprise entre 30 m et 2 000 m. Pour cette plage, la présente partie de l’ISO 28902
spécifie la performance des systèmes lidar pour portée visuelle utilisant la méthode d’intégration de la portée
visuelle basée sur l’extinction de lumière. Les paramètres suivants peuvent être calculés d’après la portée
optique météorologique dans diverses directions:
a) portée visuelle horizontale;
b) portée visuelle verticale;
c) portée visuelle oblique.
NOTE Les mesurages de visibilité sont fortement liés aux définitions historiques de visibilité, elles-mêmes associées
à des observateurs humains. La technique lidar étend les définitions à plusieurs conditions telles que les conditions de
lumière du jour et de nuit.
De plus, ce principe de mesurage permet à l’utilisateur d’obtenir des informations relatives à la hauteur de
la base des nuages, la hauteur de la couche limite, aux bancs de brouillard et aux profils d’aérosols grâce
à l’atténuation du signal par la vapeur d’eau et/ou les aérosols. L’Annexe C donne des exemples de ces
applications.
La présente partie de l’ISO 28902 peut être appliquée dans les domaines suivants:
— stations météorologiques;
— aéroports;
— ports;
— voies navigables;
— routes et autoroutes;
— automobile;
— plates-formes pétrolières.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l’application du présent document. Pour les
références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s’applique (y compris les éventuels amendements).
CEI 60825-1:2007, Sécurité des appareils à laser — Partie 1: Classification des matériels et exigences
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3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
3.1
lidar pour portée visuelle
appareil à laser utilisant la rétrodiffusion et l’extinction par les particules pour mesurer la portée visuelle
3.2
visibilité
visibilité météorologique
distance maximale à laquelle un objet noir de dimensions appropriées (situé sur le sol) peut être vu et identifié
sur le ciel à l’horizon la journée ou qui pourrait être vu et identifié la nuit si l’éclairement était augmenté jusqu’à
atteindre l’intensité normale de la lumière du jour
[1] [2]
[OMM, 1992 ; OMM, 2003 ]
NOTE 1 L’OACI (Organisation de l’aviation civile internationale) donne une définition différente spécifiée pour l’aviation
[3]
et fait une nette distinction entre contraste de jour et contraste de nuit (voir OACI, 2007 ):
La visibilité à des fins aéronautiques est la plus grande des valeurs suivantes:
a) la plus grande distance à laquelle on peut voir et reconnaître un objet noir situé près du sol lorsqu’il est observé
sur un fond lumineux;
b) la plus grande distance à laquelle on peut voir et identifier des feux d’une intensité voisine de 1 000 candelas
lorsqu’ils sont observés sur un fond non éclairé.
NOTE 2 Dans la présente partie de l’ISO 28902, la définition plus générale de l’OMM est utilisée. La définition de
l’OACI utilise l’intensité lumineuse des feux de piste pour la définition de nuit, qui n’est pas disponible en règle générale.
3.3
portée visuelle
distance maximale à laquelle un objet donné peut être identifié dans des circonstances particulières, uniquement
limitée par la transmissivité atmosphérique et par le seuil de contraste visuel
[4] [5]
[CEI 60050-845 et CEI ELECTROPEDIA 845-11-23 ]
3.4
portée optique météorologique
POM
V
POM
longueur du trajet que doit effectuer dans l’atmosphère un faisceau de rayons lumineux parallèles, émanant
d’une lampe à incandescence, à une température de couleur de 2 700 K, pour que l’intensité du flux lumineux
soit réduite à 5 % de sa valeur originale
[1] [6]
[OMM, 1992 ; OMM, 2008 ]
NOTE 1 La relation entre la POM et le coefficient d’extinction (au seuil de contraste de α = 0,05) en utilisant la loi de
[6]
Koschmieder est: V = − ln (0,05)/α .
POM
NOTE 2 Si le seuil de contraste est de 2 %, la quantité mesurée est appelée portée visuelle standard V , initialement
N
[7]
utilisée par Koschmieder .
NOTE 3 Dans la présente partie de l’ISO 28902, la POM est utilisée comme une variable pour les mesurages
horizontaux de la portée visuelle. Pour les mesurages obliques, la portée visuelle oblique (3.7) est utilisée.
3.5
portée visuelle de piste
RVR
distance jusqu’à laquelle le pilote d’un aéronef placé sur l’axe de la piste peut voir les marques ou les feux qui
délimitent la piste ou qui balisent son axe
[8]
[OACI, 2005 ]
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3.6
portée optique verticale
VOR
V
VOR
portée optique météorologique dans la direction verticale
3.7
portée optique oblique
SOR
V
SOR
projection horizontale de la distance maximale jusqu’à laquelle une cible noire dans un avion peut être identifiée
par un observateur à une hauteur h au-dessus de l’avion avec un contraste de 5 %
NOTE 1 Le seuil de contraste pour la portée optique oblique est de 5 % et est identique au seuil de portée optique
météorologique (POM).
NOTE 2 Cette définition basée sur la définition normalisée de la POM [voir les Équations (5) et (8)] pour permettre un
mode opératoire d’évaluation mathématique généralement applicable.
3.8
portée visuelle oblique
SVR
portée visuelle d’un objet ou d’une lumière spécifié(e) sur un axe visuel qui diffère significativement de
l’horizontale, par exemple, la portée visuelle d’objets ou de lumières au sol vu(e)s depuis un avion en approche
[8]
[OACI, 2005 ]
3.9
portée conventionnelle
portée maximale mesurée dans des conditions spécifiées pour comparer différents systèmes
3.10
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
3.11
résolution temporelle
variable liée au matériel décrivant le plus court intervalle de temps à partir duquel des informations de signal
indépendantes peuvent être obtenues
3.12
résolution temporelle effective
Δx
eff
variable liée à l’application décrivant un intervalle de temps intégré pour lequel la variable cible est fournie avec
une incertitude définie
EXEMPLE La résolution temporelle de profils consécutifs du coefficient d’extinction ou les valeurs de portée optique
météorologique (POM) et de portée optique verticale (VOR) calculées.
3.13
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
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3.14
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
EXEMPLE La résolution en portée de profils consécutifs du coefficient d’extinction ou les valeurs de portée optique
météorologique (POM) et de portée optique verticale (VOR) calculées
3.15
brouillard
réduction de visibilité causée par des hydrométéores conduisant à une portée optique météorologique
V < 1 km et avec une humidité relative proche de 100 %
POM
3.16
brume
réduction de visibilité causée par des hydrométéores avec une humidité relative ≥ 80 % ou des différences de
point de rosée ≤ 3 K pour une portée optique météorologique V ≥ 1 km
POM
[1] [2] [6]
[OMM, 1992 ; OMM, 2003 ; OMM, 2008 ]
[3]
NOTE 1 La définition d’une limite supérieure de 5 km est donnée par l’OACI .
NOTE 2 Des réglementations nationales spécifient des limites supérieures dues aux différentes définitions d’un ciel
clair (par exemple 8 km pour l’Allemagne, 6 miles pour le Canada).
3.17
brume sèche
réduction de visibilité causée par des lithométéores avec une humidité relative < 80 % ou des différences de
point de rosée > 3 K pour une portée optique météorologique V ≥ 1 km
POM
[1] [2] [6]
[OMM, 1992 ; OMM, 2003 ; OMM, 2008 ]
[3]
NOTE 1 La définition d’une limite supérieure de 5 km est donnée par l’OACI .
NOTE 2 Des réglementations nationales spécifient des limites supérieures dues aux différentes définitions d’un ciel
clair (par exemple 8 km pour l’Allemagne, 6 miles pour le Canada).
4 Symboles et abréviations
4.1 Symboles
Variable Unité Signification
2
A m surface de l’optique du récepteur
3
B W m sr paramètre système dépendant de la géométrie et de la portée
−1
c m s vitesse de la lumière
E J énergie d’impulsion laser
0
h m hauteur
K′ 1 seuil de contraste de l’œil, fonction de la luminance
O 1 facteur de recouvrement (dépendant de la portée) entre le faisceau transmis et le
champ de vision du récepteur (recouvrement complet si O = 1)
P W puissance de détection reçue
P W puissance moyenne de l’impulsion laser
0
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Variable Unité Signification
2
S W m signature lidar
T K température
t
s temps
Δt
s durée d’impulsion laser
Δt s résolution temporelle effective
eff
x
m portée (distance entre le système de mesure et le volume de diffusion)
Δx m résolution en portée effective
eff
x m portée conventionnelle pour la détermination de la portée visuelle
CR
x m distance de départ pour l’évaluation des données par intégration ascendante
f
x m distance de départ pour l’évaluation des données par intégration descendante
n
x m ligne de base d’un transmissomètre
L
V m portée optique météorologique
POM
V m portée visuelle standard
N
V m portée optique oblique
SOR
V m portée optique verticale
VOR
−1
α m coefficient d’extinction
−1
α(x ) m valeur initiale du coefficient d’extinction pour l’intégration ascendante
f
−1
α(x ) m valeur initiale du coefficient d’extinction pour l’intégration descendante
n
−1
Δα m incertitude du coefficient d’extinction
−1 −1
β m sr facteur de rétrodiffusion
δ rad divergence du laser
γ rad champ de vision
η 1 efficacité de l’optique du récepteur
λ m longueur d’onde
Δλ m largeur de bande spectrale
ξ m variable pour l’intégration de portée
τ 1 transmittance atmosphérique entre le lidar et le volume de diffusion
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4.2 Termes abrégés
OACI Organisation de l’aviation civile internationale
POM Portée optique météorologique
RVR Portée visuelle de piste
SOR Portée optique oblique
SVR Portée visuelle oblique
VOR Portée optique verticale
OMM Organisation météorologique mondiale
5 Principes essentiels du lidar pour portée visuelle
5.1 Généralités
Les méthodes lidar sont des méthodes actives permettant de mesurer les variables physiques sélectionnées
[9]
de l’atmosphère . Le lidar nécessite une source de lumière pulsée et un système de détection utilisant une
[10] [11][12]
résolution temporelle correcte . La lumière émise interagit avec l’atmosphère par diffusion et la fraction
rétrodiffusée est mesurée. Les signaux de rétrodiffusion sont utilisés pour déterminer les variables physiques
qui décrivent les conditions atmosphériques. Selon le processus d’interaction physique de la lumière avec les
atomes, les molécules ou les particules d’aérosols présents dans l’atmosphère, une distinction est faite entre
les variantes du principe lidar.
Le lidar pour portée visuelle utilise la diffusion élastique sur les particules pour le mesurage.
NOTE La longueur d’onde ne change pas au cours du processus de diffusion.
Dans le lidar, le temps de propagation de la lumière de la source à l’objet et vice versa est utilisé pour déterminer
la distance. La distance x au volume de diffusion est déterminée à partir du temps t après l’émission de
l’impulsion laser en utilisant la vitesse de la lumière c:
ct
x = (1)
2
Le facteur 1/2 est le résultat de la trajectoire double traversée par la lumière émise avant d’être réenregistrée
par le système lidar.
Après l’émission de chaque impulsion laser, le signal de rétrodiffusion est détecté dans des blocs de temps
successifs. Chacun d’entre eux correspond à un intervalle de hauteur ou de portée et est caractérisé par sa
hauteur ou distance centrale (voir la Figure 1).
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Légende
1, 2, 3 centre de l’intervalle de portée ou de hauteur et intervalle de temps de réception correspondant
x distance, en m
−1
α coefficient d’extinction, en m
i
t
temps, en s
Δt durée d’impulsion laser, en s
Figure 1 — Relation schématique entre le temps de propagation et la portée
Dans le cas d’un agencement tel que celui représenté schématiquement à la Figure 2, le détecteur enregistre
un signal P(x,λ) après l’émission d’une impulsion laser. Le profil temporel du signal est transformé en profil
spatial. Si on ne tient pas compte de la durée Δt de l’impulsion transmise, le profil spatial du signal peut être
[10]
représenté par l’Équation (2) :
ctΔ AOη ()x
2
Px(,λ)= P βλ(,xx)(τλ,) (2)
0
2
2
x
où
c est la vitesse de la lumière;
Δt est la durée d’impulsion (laser);
P est la puissance moyenne du laser pendant l’impulsion;
0
A est la surface de l’optique du récepteur;
η est l’efficacité de l’optique du récepteur;
O(x) est le facteur de recouvrement dépendant de la portée entre le faisceau transmis et le champ de
vision du récepteur [recouvrement complet si O(x) = 1];
λ est la longueur d’onde;
β(x,λ) est le facteur de rétrodiffusion;
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τ(x,λ) est la transmittance de l’atmosphère entre le lidar et le volume de diffusion;
x est la distance entre le lidar et le volume de diffusion.
a) Signal de récepteur type
Légende
1,2,3,4 surfaces ayant différentes caractéristiques de rétrodiffusion et de géométrie du faisceau
x
distance, en m
i
P puissance, en W
NOTE Cône en pointillé: champ de vision du système de détection (γ); cône plein: cône de transmission du laser (δ).
Figure 2 (suite)
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b) Signal de récepteur type dans un brouillard homogène
Légende
1,2,3,4 surfaces de rétrodiffusion et de géométrie du faisceau différentes
x distance, en m
i
P
puissance, en W
NOTE Cône en pointillé: champ de vision du système de détection (γ); cône plein: cône de transmission du laser (δ).
Figure 2 — Principe de mesurage du lidar
La Figure 2 a) illustre un signal de récepteur type. Quatre zones peuvent être distinguées en utilisant la
géométrie simplifiée du faisceau laser en champ proche et éloigné.
1)
a) Jusqu’à une distance x , le récepteur ne détecte aucun rayonnement à l’exception de la diffusion multiple ,
1
car le cône de transmission n’est pas encore entré dans le champ de vision du récepteur. La distance de
déclenchement du signal dépend de la géométrie de l’optique d’émission et de réception. Le facteur de
recouvrement O(x) dans cette zone est très faible.
b) À une distance x , un signal maximal reflétant l’effet combiné du recouvrement et de l’extinction se
2
développe. À x′, le facteur de recouvrement est égal à 1: O(x′) = 1. Toute la section transversale du
faisceau est imagée sur le détecteur.
c) À x , un autre signal maximal causé par l’inhomogénéité atmosphérique (par exemple nappe de brouillard
3
ou nuage) apparaît. Le signal aurait suivi la ligne pointillée sans cette inhomogénéité de diffusion.
d) Le banc de nuage ou de brouillard entraîne une réduction de la lumière depuis la zone située derrière le nuage.
Ainsi, le signal provenant de la zone située derrière chute rapidement jusqu’à atteindre le niveau de bruit.
La Figure 2 b) illustre un signal de récepteur type obtenu dans un brouillard homogène. Pour enregistrer
les conditions de visibilité à proximité immédiate du lidar, un dispositif compact ayant une large ouverture
d’émission et de réception est utilisé. En raison des différentes géométries des systèmes lidar, l’équivalent des
zones 1 à 3 de la Figure 2 a) est contenu dans les trente premiers mètres de la Figure 2 b).
Trois facteurs de l’Équation (2) lidar sont décisifs pour le profil du signal reçu et nécessitent une adaptation de
la dynamique du signal dans le système d’acquisition des données:
2
— la dépendance à la distance, 1/x : il s’agit d’un facteur géométrique et vient du fait que la diffusion est
isotrope en première approximation;
— le facteur de rétrodiffusion β: en général, un nuage diffuse plus que les molécules d’air et les aérosols
environnants; par conséquent, un nuage se traduit clairement par une inhomogénéité dans le profil du signal;
— la transmittance de l’atmosphère τ(x,λ): elle est obtenue à partir du coefficient d’extinction atmosphérique
α(x,λ) par intégration sur la variable de portée ξ d’après l’Équation (3); τ décrit la transparence de
l’atmosphère à la lumière de longueur d’onde λ sur la trajectoire de la lumière:
1) Si les photons sont diffusés plus d’une fois sur leur trajet entre la source lumineuse et le récepteur, ce phénomène est
appelé diffusion multiple.
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x
τλ(,x )e=−xp αξ(,λξ)d (3)
∫
0
L’Équation (4) définit le signal de rétrodiffusion lidar corrigé en portée, ou signature lidar:
22
Sx()==Px(,λβ)(xB xx)( ,)λτ (,x λ) (4)
où B(x) est un paramètre système dépendant de la portée, déterminé par la géométrie du système.
L’évaluation de l’Équation (4) est décrite en 9.1. En principe, d’autres techniques telles que la méthode à
[13][14]
haute résolution spectrale (HRS) peuvent également être utilisées. La méthode HRS peut résoudre
indépendamment l’extinction et la rétrodiffusion mais nécessite un laser à bande passante étroite et un
récepteur à haute résolution. De plus, elle n’est pas décrite dans la présente partie de l’ISO 28902.
5.2 Concept des mesurages lidar pour portée visuelle
5.2.1 Généralités
Le présent paragraphe spécifie le concept des mesurages lidar pour portée visuelle.
5.2.2 Portée optique météorologique
[7]
D’après la théorie de la portée visuelle de Koschmieder , la portée optique météorologique est définie par:
13
′
VK=− ln = (5)
POM
αα
où
V est la portée optique météorologique;
POM
α est le coefficient d’extinction;
K′ est le seuil de contraste de l’œil, fonction de la luminance.
La valeur de K′ a été initialement définie à 2 % par Koschmieder. Pour les applications pratiques (par exemple
les services météorologiques et les applications météorologiques des aéroports), une valeur seuil K′ de 5 %
[3] [1]
est définie, à la fois par l’OACI et l’OMM , pour prendre en compte d’autres contraintes physiologiques et
situationnelles. La portée optique météorologique est ainsi définie pour cette valeur seuil de 5 %.
Les conditions de validité de l’Équation (5) sont les suivantes:
— les conditions d’éclairement sur l’axe entre l’observateur et un objet sur l’horizon sont identiques;
— le coefficient d’extinction α est constant sur tout le trajet;
— l’objet est noir;
— l’objet est tout juste visible.
La POM peut être déterminée avec un transmissomètre ou en utilisant une méthode de mesure de la lumière
diffusée ou à l’aide d’un lidar pour portée visuelle.
Si le coefficient d’extinction entre l’observateur et l’horizon n’est pas constant, alors la POM dans cette direction
est donnée par:
V
POM
αξ()d3ξ = (6)
∫
0
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5.2.3 Portée optique verticale
D’après l’Équation (6) pour la direction verticale, la portée optique verticale est obtenue comme:
V
VOR
αξ()d3ξ = (7)
∫
0
5.2.4 Portée optique oblique
Pour un observateur à une hauteur h au-dessus du sol, la portée optique oblique est définie comme la projection
horizontale de la distance maximale jusqu’à laquelle une cible noire dans cet avion peut être identifiée avec
un seuil de 5 %.
D’après l
...
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