Chapitre 2 : Lidar

Il existe une technique connue sous le nom de Lidar, également appelée LIDAR, LiDAR ou LADAR. Lidar est un acronyme qui signifie « détection et télémétrie par la lumière » ou « imagerie, détection et télémétrie laser ». Il s'agit d'une technique utilisée pour déterminer les distances en dirigeant un faisceau laser vers un objet ou une surface et en mesurant le temps nécessaire à la lumière réfléchie pour retourner au récepteur. Il est possible que le lidar fonctionne dans une seule direction, comme verticalement, ou qu'il puisse balayer dans plusieurs directions, auquel cas on parle de balayage lidar ou de balayage laser 3D, qui est un mélange unique de balayage laser et de balayage tridimensionnel. Les applications du Lidar peuvent être trouvées sur terre, dans les airs et sur les appareils mobiles.

Il existe une variété d'utilisations du Lidar, notamment l'arpentage, la géodésie, la géomatique, l'archéologie, la géographie, la géologie, la géomorphologie, la sismologie, la foresterie, la physique atmosphérique, la navigation laser, la cartographie aérienne de l'andain laser (ALSM) et l'altimétrie laser. Le lidar est souvent utilisé pour créer des cartes haute résolution. Grâce à la manipulation des longueurs d'onde de la lumière, il est utilisé pour générer des représentations tridimensionnelles informatisées des régions à la surface de la Terre ainsi que du fond de l'océan dans les zones intertidales et côtières. De plus, il a été utilisé plus fréquemment dans le contrôle et la navigation des véhicules autonomes, ainsi que pour l'hélicoptère Ingenuity lors de ses vols records sur la topographie de Mars en même temps.

Le LiDAR quantique est une technologie relativement nouvelle qui a émergé à la suite du développement de la technologie quantique. Il fonctionne avec un niveau d'efficacité et de sensibilité plus élevé que les systèmes LiDAR traditionnels.

En 1961, peu de temps après le développement initial du laser, la Hughes Aircraft Company est devenue la première entreprise à produire un système similaire au lidar. Cela a été accompli sous la direction de Malcolm Stitch. Ce système utilisait la vision focalisée par laser en conjonction avec la capacité de déterminer les distances en mesurant le temps nécessaire pour qu'un signal revienne en utilisant les capteurs et les circuits de collecte de données nécessaires. Son objectif principal était de faciliter le suivi par satellite. Lorsqu'il a été introduit pour la première fois, il était appelé « Colidar », qui est un acronyme qui signifie « détection et télémétrie de lumière cohérentes ». Ce nom est dérivé de l'expression « radar », qui est un acronyme pour « détection et télémétrie radio ». Tous les télémètres laser, altimètres laser et unités lidar sont dérivés des premiers dispositifs colidar.

Le « Colidar Mark II » a été la première utilisation terrestre pratique d'un système colidar. Il s'agissait d'un gros télémètre laser qui ressemblait à un fusil et qui a été fabriqué en 1963. Il avait une portée de 11 kilomètres et une précision de 4,5 mètres, et il était destiné à être utilisé pour la visée militaire. "Finalement, le laser peut fournir un détecteur extrêmement sensible de longueurs d'onde particulières provenant d'objets éloignés. Entre-temps, il est utilisé pour étudier la Lune par 'lidar' (radar léger)..." C'est la première fois que le terme « lidar » a été utilisé comme mot autonome en 1963. Cela suggère que le terme est à l'origine un mot-valise des mots « lumière » et « radar ».

Lorsqu'il s'agit de la télémétrie du spectre visible, le terme « radar photonique » est fréquemment utilisé de manière interchangeable avec le terme « lidar ».

Le lidar a d'abord été utilisé dans le domaine de la météorologie, notamment par le National Center for Atmospheric Research, où il a été utilisé pour observer et quantifier la couverture nuageuse et les niveaux de pollution. Lorsque les astronautes ont utilisé un altimètre laser pour cartographier la surface de la Lune lors de la mission Apollo 15 en 1971, le grand public a pris conscience de la précision et de l'utilité des systèmes lidar. Cette information a été diffusée auprès du grand public.

Malgré le fait que la langue anglaise ne considère plus « radar » comme un acronyme (c'est-à-dire qu'il n'est plus en majuscule), le mot « lidar » a été mis en majuscule comme « LIDAR » ou « LiDAR » dans plusieurs publications à partir des années 1980. Quand il s'agit de majuscules, il n'y a pas de consensus. Il existe un certain nombre de publications qui utilisent les termes « Lidar », « LiDAR », « LiDAR » ou « Lidar » pour désigner le lidar. Parfois, dans le même document, l'United States Geological Survey (USGS) utilise à la fois « LIDAR » et « lidar ». Le New York Times, en revanche, utilise le « lidar » pour les articles rédigés par le personnel la plupart du temps, tandis que les flux d'actualités comme Reuters peuvent utiliser le lidar.

Le lidar est capable de capturer des images d'objets en utilisant une lumière ultraviolette, visible ou proche infrarouge. Une grande variété de substances, telles que des objets non métalliques, des roches, de la pluie, des composés chimiques, des aérosols, des nuages et même des molécules uniques, font partie des matériaux qu'il est même capable de cibler. Il est possible de cartographier des caractéristiques physiques avec des résolutions très élevées à l'aide d'un faisceau laser étroit ; Par exemple, un avion peut cartographier la topographie avec une résolution d'au moins 30 centimètres (12 pouces).

C'est lui qui, le premier, a conçu l'idée fondamentale du lidar. C'est H. Synge, en 1930, qui a eu l'idée d'utiliser de puissants projecteurs pour étudier l'atmosphère. Depuis lors, le lidar a fait l'objet d'un nombre important d'applications dans les domaines de la météorologie et des sciences atmosphériques. L'arpentage et la cartographie sont des opérations qui sont effectuées par des équipements Lidar attachés à des avions et des satellites. Les États-Unis en sont un exemple récent. Le système de collecte de données Lidar de la recherche aéroportée avancée expérimentale de la Commission géologique. La National Aeronautics and Space Administration (NASA) a constaté que le lidar est une technologie essentielle qui permettra aux futurs véhicules d'atterrissage lunaires robotiques et habités d'atterrir en toute sécurité et de manière autonome.

L'infrarouge a une longueur d'onde d'environ 10 micromètres, tandis que l'ultraviolet a une longueur d'onde d'environ 250 nanomètres. Les longueurs d'onde varient en fonction de la cible. Dans la plupart des cas, la lumière est réfléchie par le processus de rétrodiffusion, par opposition à la réflexion pure que l'on peut observer dans un miroir. Pour diverses applications lidar, de nombreuses formes de diffusion sont utilisées. Les types de diffusion les plus fréquents comprennent la diffusion de Rayleigh, la diffusion de Mie, la diffusion Raman et la fluorescence. Afin de permettre la cartographie à distance du contenu atmosphérique, il est nécessaire de déterminer les changements d'intensité du signal renvoyé en fonction de la longueur d'onde. Cela peut être accompli en utilisant des combinaisons appropriées de longueurs d'onde.

Le terme « radar photonique » est parfois utilisé pour désigner la télémétrie du spectre visible, similaire au lidar. Cependant, le terme « radar photonique » fait plus spécifiquement référence à la recherche de la portée des radiofréquences qui utilise des composants photoniques.

À l'aide de la formule suivante, un lidar peut calculer la distance entre un objet ou une surface :

Dans cette équation, c représente la vitesse de la lumière, d représente la distance entre le détecteur et l'objet ou la surface détectée, et t représente le temps que met la lumière laser pour se déplacer jusqu'à l'objet ou la surface détectée, puis revenir au détecteur.

La détection d'énergie « incohérente » ou directe est le type de schéma de détection lidar qui surveille principalement les changements d'amplitude de la lumière réfléchie. La détection cohérente, quant à elle, est le type de schéma de détection lidar le plus efficace pour surveiller les décalages Doppler, qui sont des changements dans la phase de la lumière réfléchie. La technique de détection optique hétérodyne est généralement utilisée par les systèmes cohérents. Cette méthode est plus sensible que la détection directe, et elle leur permet de fonctionner à un niveau de puissance beaucoup plus faible ; Mais, cela nécessite l'utilisation d'émetteurs-récepteurs plus compliqués.

Dans les deux cas, des modèles d'impulsions sont utilisés, qui peuvent être soit micro-impulsions, soit à haute énergie. Pour fonctionner, les systèmes à micro-impulsions utilisent des périodes sporadiques d'énergie. Ils ont vu le jour à la suite des progrès réalisés dans la technologie laser en conjonction avec les capacités toujours croissantes des ordinateurs. Dans le laser, ils consomment une quantité d'énergie nettement inférieure, souvent de l'ordre d'un microjoule, et ils sont souvent « sans danger pour les yeux », ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés sans qu'il soit nécessaire de prendre des précautions de sécurité. Dans le domaine de la recherche atmosphérique, les systèmes de haute puissance sont fréquemment utilisés pour mesurer divers paramètres atmosphériques. Ces paramètres comprennent la hauteur, la stratification et la...