Lidar - Définition et Explications

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Histoire

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 (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) à rubis (Le rubis est la variété rouge de la famille minérale corindon. Sa couleur est...) 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 (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) au départ). Georgio Fiocco et L.D. Smullin, obtinrent les premiers échos lidar (La télédétection par laser ou LIDAR, acronyme de l'expression en langue anglaise...) de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) lunaire (Pour les homonymes, voir Pierrot lunaire, une œuvre de musique vocale d'Arnold Schönberg.), pendant trois nuits de mai 1962. Ce projet fut un incontestable succès.

Rapport de dépolarisation

De nombreux systèmes lidar récents sont équipés d'un dispositif sensible à la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) lumineuse. Dans ces systèmes, l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) laser émise est polarisée linéairement dans un plan appelé plan parallèle. L'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) lumineuse rétrodiffusée par les composants atmosphériques, et détectée par le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...) 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 (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) au plan d'émission.

Le rapport de dépolarisation est une mesure extrêmement utile car elle permet de distinguer facilement la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) d'un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) détecté : les gouttelettes d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) composant un nuage d'eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...), de par leur forme sphérique, produisent un rapport de dépolarisation nul (δ = 0) ; en revanche, les cristaux de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) composant un Cirrus produisent des rapports de dépolarisation élevés de l'ordre de 0.2 < δ < 0.8.

Équation Lidar

L'expression de la distribution verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...) du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) lidar rétrodiffusé est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) par l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) suivante (Collis and Russel, 1976) pour un faisceau laser de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde donné :

 P(z) = K F_0 \beta(z) \frac{A}{z^2} \exp\left[ -2 \int_0^z  \alpha(z')dz'\right ]

  • K est une constante instrumentale, prenant en compte les éléments optiques et électroniques qui composent la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) de traitement de l'énergie lumineuse rétrodiffusée ;
  • F0 représente l'énergie initiale du faisceau (en J.s − 1);
  • A est l'aire du récepteur en m2;
  • α(z) représente le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) d'extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque...) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) (absorption+atténuation) à l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...) z en m − 1;
  • β(z) représente le coefficient de rétrodiffusion à l'altitude z en m − 1sr − 1.

P a la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) d'une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) (J.s − 1 ou W).

Utilisation

Ses domaines d'utilisation sont multiples : météorologie : détection de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) et de la direction du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...) par effet Doppler, étude de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) (aérosols, vapeur () d'eau, ozone), réalisation de Modèles Numériques de Terrain…

Représentation graphique

Les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) 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 (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) en 2 dimensions, où les intensités du signal lidar sont codées à la fois en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) (en abscisse) et de l'altitude (en ordonnée) par une couleur appartenant à une échelle d'intensité.
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