Lidar

La télédétection par laser ou LIDAR, acronyme de l'expression en langue anglaise « Light Detection and Ranging », désigne une technologie de télédétection ou de mesure optique basée sur l'analyse des propriétés d'une lumière laser renvoyée vers son émetteur.

La méthode la plus répandue pour déterminer la distance à un objet est basée sur le laser à impulsions. À la différence du radar basé sur un principe similaire, le lidar utilise de la lumière au lieu d'ondes radio. La distance à un objet ou à une surface est donnée par la mesure du délai entre l'impulsion et la détection du signal réfléchi. Le LIDAR a des applications en archéologie, géographie, géologie, géomorphologie, sismologie, télédétection et physique de l'atmosphère (dont étude de la pollution de l'air) .

« ALSM » (Airborne Laser Swath Mapping) et « laser altimétrique » sont parfois utilisés comme synonyme de LIDAR.

L'acronyme « LADAR » (LAser Detection And Ranging) est plutôt utilisé dans le domaine militaire, mais il est également utilisé dans la littérature angosaxone et désigne un Lidar Terrestre, plus communément appelé en France un laser scanner ou scanner 3d.

Le terme « Radar laser » est également utilisé, mais improprement, car le LIDAR utilise la lumière laser (visible et infrarouge) et non les ondes radio utilisées par les radars conventionnels.

Les premières mesures lidar ont été effectuées en mai 1962 (voir [Smullin and Fiocco, 1962], ainsi que la première page du New York Times, datée du 11 mai 1962). Ces dernières furent effectuées par L.D. Smullin et son thésard G. Fiocco, afin de vérifier les possibles applications du laser à rubis récemment développé par Ted Maiman en 1960, utilisé en tant que télémètre, afin de mesurer la distance Terre-Lune (Project Luna See, aussi appelé ironiquement lunacy, montrant le peu de crédibilité de ce projet au départ). Georgio Fiocco et L.D. Smullin, obtinrent les premiers échos lidar de la surface lunaire, pendant trois nuits de mai 1962. Ce projet fut un incontestable succès.

Son fonctionnement est le même que celui du radar, la différence étant le domaine spectral dans lequel il travaille et le type de faisceau utilisé : alors que le radar fonctionne dans le domaine des ondes radio, le lidar couvre en particulier le domaine du visible, et également les domaines ultraviolet (UV) et infrarouge (IR), d'autre part, le lidar utilise un faisceau laser, tandis que le radar utilise un faisceau électromagnétique classique, non polarisé.

Un lidar se compose d'un système laser chargé d'émettre l'onde lumineuse, d'un télescope qui récoltera l'onde rétrodiffusée par les particules rencontrées, et d'une chaîne de traitement qui quantifiera le signal reçu.

Le laser émet une onde lumineuse. Elle interagit avec les différents composants qu’elle rencontre. Une partie de cette onde est rétrodiffusée et collectée par le télescope. À partir de cette composante rétrodiffusée, on peut alors déduire des informations quant au diffuseur (sa concentration par exemple) et sa distance par rapport au système de mesure.

Lors de la propagation de l’onde émise par le lidar, on peut envisager deux types de diffusion par les composants rencontrés :

• Une diffusion élastique : elle se produit sans échange d’énergie entre les photons incidents et la molécule rencontrée. Le photon est alors diffusé sans changement de fréquence. C’est le cas de la diffusion Rayleigh (lorsque la taille du diffuseur est largement inférieure à la longueur d’onde utilisée) ou de celle de Mie (lorsque la taille du diffuseur est du même ordre de grandeur que la longueur d’onde utilisée).
• Une diffusion inélastique, beaucoup plus faible, appelée aussi diffusion Raman. Celle-ci est à l’origine d’un décalage de la fréquence de l’onde incidente ν_r. Les photons sont alors diffusés selon 2 fréquences : ν₀ + ν_r (décalage vers les hautes fréquences - correspond aux raies appelée « raies anti-Stokes ») et ν₀ − ν_r (décalage vers les basses fréquences - correspond aux raies appelées « raies Stokes »). Ce décalage de fréquence est caractéristique de la molécule rencontrée et permet donc de la discriminer.

L'expression de la distribution verticale du signal lidar rétrodiffusé est donnée par l'équation suivante (Collis and Russel, 1976) pour un faisceau laser de longueur d'onde donné :

• K est une constante instrumentale, prenant en compte les éléments optiques et électroniques qui composent la chaîne de traitement de l'énergie lumineuse rétrodiffusée ;
• F₀ représente l'énergie initiale du faisceau (en J.s );
• A est l'aire du récepteur en m;
• α(z) représente le coefficient d'extinction total (absorption+atténuation) à l'altitude z en m ;
• β(z) représente le coefficient de rétrodiffusion à l'altitude z en m s**r .

P a la dimension d'une puissance (J.s ou W).

De nombreux systèmes lidar récents sont équipés d'un dispositif sensible à la polarisation lumineuse. Dans ces systèmes, l'onde laser émise est polarisée linéairement dans un plan appelé plan parallèle. L'énergie lumineuse rétrodiffusée par les composants atmosphériques, et détectée par le télescope du lidar, n'est souvent plus polarisée linéairement. On quantifie la modification de l'état de polarisation lumineuse par le rapport de dépolarisation $\delta =\frac{I_{|}}{I_{\perp }}$, avec $I_{|}$ et $I_{\perp }$ les énergies lumineuses détectées dans les plans respectivement parallèle et perpendiculaire au plan d'émission.

Le rapport de dépolarisation est une mesure extrêmement utile car elle permet de distinguer facilement la phase d'un nuage détecté : les gouttelettes d'eau composant un nuage d'eau liquide, de par leur forme sphérique, produisent un rapport de dépolarisation nul (δ = 0) ; en revanche, les cristaux de glace composant un Cirrus produisent des rapports de dépolarisation élevés de l'ordre de 0.2 < δ < 0.8.

Les observations lidar sont principalement représentées sous deux formes :

• Un profil lidar est une figure simple en 2 dimensions, représentant l'évolution du signal lidar en abscisse en fonction de l'altitude en ordonnée.

• Une série temporelle (appelée aussi RHI pour Range-Height-Indicator) est un carte couleur en 2 dimensions, où les intensités du signal lidar sont codées à la fois en fonction du temps (en abscisse) et de l'altitude (en ordonnée) par une couleur appartenant à une échelle d'intensité.

Ses domaines d'utilisation sont multiples : météorologie : détection de la force et de la direction du vent par effet Doppler, étude de l'atmosphère (aérosols, vapeur d'eau, ozone), réalisation de Modèles Numériques de Terrain…