Lidar

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FASOR, lidar à fluorescence expérimental utilisé pour sonder la densité de la haute atmosphère en excitant les atomes de sodium.

La télédétection par laser ou LIDAR, acronyme de l'expression en langue anglaise « light detection and ranging » ou « laser detection and ranging », est une technologie de mesure à distance basée sur l'analyse des propriétés d'un faisceau de lumière renvoyé vers son émetteur.

À la différence du radar qui emploie des ondes radio ou du sonar qui utilise des ondes sonores, le lidar utilise de la lumière (du spectre visible, infrarouge ou ultraviolet). Elle est quasiment toujours issue d’un laser, et donc cohérente.

Le principe de la télémétrie (détermination de la distance d’un objet), qui concerne une grande partie des applications du lidar, requiert généralement l’utilisation d’un laser impulsionnel. La distance est donnée par la mesure du délai entre l’émission d’une impulsion et la détection d’une impulsion réfléchie, connaissant la vitesse de la lumière. Une autre classe d’applications basées sur la mesure de vitesse emploie un laser à spectre d’émission fin (une fréquence bien déterminée). C’est l’effet Doppler-Fizeau, soit le décalage de la fréquence de l’onde réfléchie et reçue, qui permet alors de déterminer la vitesse de l’objet. Dans l’atmosphère et les autres milieux diffus, beaucoup d’autres paramètres (concentrations de gaz et de particules spécifiques, densité, température…) peuvent être mesurés si l’on sait isoler l’effet des différentes interactions entre la lumière et la matière le long du faisceau laser.

Le lidar, instrument incontournable de télédétection active[1], trouve ses applications en topographie[2] (géomorphologie, altimétrie et bathymétrie), géosciences (risque sismique[3],[4], météorologie[5], physique de l’atmosphère[6]) et sciences de l’environnement (étude de la pollution atmosphérique[7], agronomie & sylviculture[8]), mais aussi dans l’archéologie[9], la prospection éolienne[10], la régulation du trafic aérien[11], le guidage automatique[12] de véhicules terrestres ou spatiaux, ou encore la sécurité routière[13] ou la défense[14].

Histoire et dénomination[modifier | modifier le code]

Deux lidars montés sur des télescopes tentent de mesurer la distance Terre-Lune en visant les rétro-réflecteurs déposés sur la Lune par les missions Apollo.

Peu après leur invention au début des années 1960, les premiers lasers à rubis naturellement impulsionnels de Théodore Maiman sont exploités pour la télémétrie fine à grande distance. Aux USA, Smullin et Fiocco du MIT les emploient pour mesurer précisément la distance Terre-Lune en mai 1962 (Project Luna See)[15], alors que Goyer et Watson du NCAR les appliquent parallèlement à la mesure de la hauteur des nuages[16]. Ils appellent leur système « radar optique » (optical radar).

L’utilité et la précision des systèmes lidar deviennent connus du grand public en 1971 lors de la mission Apollo 15[17], qui cartographie la Lune à l’aide d’un altimètre laser. Alors que le mot lidar avait originellement été créé par l’assemblage de « light » et « radar »[18], on considère à partir de cette même époque que leur dénomination est plutôt l’acronyme de « Light Detection And Ranging » ou « Laser Imaging Detection And Ranging », à l’instar de radar ou sonar.

Le terme lidar couvre une très grande variété de systèmes de mesure à distance par laser. Mais ces systèmes sont parfois désignés autrement. Actuellement, on trouve encore l'acronyme « LADAR » (LAser Detection And Ranging), qui est plutôt utilisé dans le domaine militaire sur des cibles dures ou dans la littérature anglo-saxonne[19]. On trouve également les expressions « ALSM » (Airborne Laser Swath Mapping)[20] pour les applications spécifiques de topographie aéroportée. En français, l'expression « radar laser » est improprement employée par analogie, surtout pour les jumelles de contrôle de vitesse en sécurité routière[13].

Alors que le terme radar n’est souvent plus traité comme un acronyme (il n’est pas écrit en lettres majuscules et s’accorde au pluriel), la dénomination de leurs équivalents optiques ne fait l’objet d’aucun consensus. Si bien que l’on peut trouver dans différentes publications de référence, parfois même dans le même document, « LIDAR », « lidar », « Lidar » ou « LiDaR ».

Généralités[modifier | modifier le code]

De manière générale, le fonctionnement du lidar ressemble à celui du radar (écholocation), la différence étant le domaine spectral des ondes électromagnétiques employées. Alors que le radar fonctionne dans le domaine des micro-ondes (fréquences de 1 à 100 GHz, longueurs d’onde millimétriques et centimétriques), le lidar est basé sur des lasers rayonnant dans le domaine infrarouge, le domaine visible ou le domaine ultraviolet proche (fréquences au-delà de 10THz, longueurs d’ondes de 250 nm à 10 µm). Dans les deux cas, l’onde électromagnétique émise est cohérente et polarisée. Mais dans le domaine spectral visible, elle est beaucoup plus directive et elle peut interagir avec des objets de taille microscopique.

Principe de l’écholocation
Principe de l’écholocation

Un lidar est un système opto-électronique composé d’un émetteur laser, d’un récepteur comprenant un collecteur de lumière (télescope ou autre optique) et un photodétecteur qui transforme la lumière en signal électrique, ainsi que d’une chaîne électronique de traitement du signal qui extrait l’information recherchée.

Schéma général d’un système lidar et du principe de la mesure. Noter que l’émission et la réception peuvent utiliser la même optique.

Excepté à courte portée, afin de capter un signal suffisamment fort, il est nécessaire d’utiliser :

  • un laser de forte puissance moyenne (typiquement supérieure à 100mW). Ceci doit être concilié avec les exigences de sécurité oculaire dans les applications proches du sol ; la sélection de longueurs d’ondes hors du domaine de transparence de la cornée de l’œil (400nm à 1400nm) ou le balayage du laser aident grandement dans ce sens.
  • du côté de la réception, un photodétecteur de sensibilité élevée (photomultiplicateur, photodiode à avalanche), excepté en détection cohérente.

D’autre part, un filtrage de la lumière reçue est indispensable pour s’affranchir de la lumière de l’environnement, qui constitue un fort parasite. On filtre le plus souvent à la fois :

  • spatialement, en limitant le champ de vision de l’optique de réception étroitement autour du faisceau laser, à l’aide d’un diaphragme de champ si nécessaire,
  • spectralement, à l’aide d’un filtre ne laissant passer qu’une gamme étroite autour de la longueur d’onde du laser ou d’un interféromètre.

Par opposition à cette détection dite « directe », il existe des lidars à détection dite « cohérente » et/ou « hétérodyne », identique à celle du radar. Dans ce cas, on effectue à la réception un mélange entre l’onde lumineuse reçue et une partie de l’onde émise, qui a été décalée d’une fréquence connue, par exemple par un modulateur acousto-optique (onde dite « d’oscillateur local »). L’interférence de ces deux ondes génère un terme oscillant autour de cette fréquence dans le signal de sortie du photodétecteur, en plus des termes proportionnels à la puissance reçue et à la puissance d’oscillateur local. En filtrant électroniquement le signal dans une bande étroite autour de la fréquence en question, on obtient un signal dit « hétérodyne ».

Lidar à détection cohérente hétérodyne
Lidar à détection cohérente hétérodyne

Avec P est la puissance et φ la phase, R désignant l'onde reçue et OL désignant l'oscillateur local, on a :

I(t) \propto P_{OL} + P_R + \underbrace{2\sqrt{P_R P_{OL}} cos(\phi_R(t)-\phi_{OL}(t))}_{\text{Signal hétérodyne : fréquence } \Delta f_0+2 V_r/\lambda}

où Δf0 est la le décalage en fréquence fixe introduit sur l'oscillateur local, Vr est la vitesse radiale de la cible et λ la longueur d'onde du laser.

Ce procédé a plusieurs intérêts :

  • le mélange interférométrique multiplie l’amplitude du signal utile, éliminant le besoin d’un photodétecteur ultra-sensible.
  • l’information de phase de l’onde reçue est conservée, alors qu’elle était perdue en détection directe.
  • on a ainsi effectué un filtrage spectral extrêmement fin (quelques dizaines de MHz, soit environ 10-4nm) de la lumière reçue autour de la fréquence centrale, tandis que la condition de cohérence spatiale nécessaire à l’interférence implique un filtrage spatial parfaitement ajusté autour du faisceau émis. Ceci s’apparente à une détection synchrone, méthode éprouvée pour amplifier des signaux de faible amplitude à bande étroite. L’impact de la lumière parasite en lidar cohérent est donc négligeable.

Le lidar cohérent doit faire face à quelques difficultés en contrepartie :

  • il requiert une émission laser spectralement fine qui semble a priori incompatible avec la forte puissance nécessaire au lidar.
  • un fonctionnement impulsionnel à commutation-Q dans la cavité laser, qui crée des impulsions puissantes mais trop courtes et sans relation de phase, empêche également d’avoir une fréquence bien définie. L’émission doit donc être soit continue, soit contrôlée par un oscillateur maître, soit découpée en impulsions « longues » (plusieurs centaines de nanosecondes) a posteriori puis ré-amplifiée.
  • des bruits supplémentaires liés à la turbulence atmosphérique et aux mouvements des cibles (variations du « speckle ») perturbent la mesure en détruisant la cohérence entre les ondes mélangées.

Ce système est directement applicable à la mesure précise de la vitesse de la cible via l’effet Doppler, exactement sur le même principe qu’en radar Doppler. Cet effet provoque un décalage en fréquence de l’onde réfléchie par un objet proportionnellement à sa vitesse en direction de l’observateur, dite vitesse radiale.

Il est difficile de classifier les lidars par principe ou par application ; toutefois, dans la suite, on se propose de les aborder par le type de cible (dure ou diffuse) et le type d’interaction lumière/matière qu’ils observent.

Lidars à cible dure[modifier | modifier le code]

Lidars télémètres laser à balayage[modifier | modifier le code]

Ce lidar balaye son environnement avec un faisceau laser et mesure pour chaque point balayé sa distance au lidar, permettant la reconstruction d'un modèle tridimensionnel de la scène.

Le type de lidar le plus simple et le plus répandu demeure le télémètre laser qui calcule directement la distance d’un objet réfléchissant les impulsions laser émises, à partir de la différence de temps entre l’émission d'une impulsion t0 et la réception de l’écho le plus important técho,max :

z = \frac{c}{2}(t_{echo,max}-t_0)

avec c la vitesse de la lumière (environ 299 800 km⋅s-1). La précision de cette mesure est inversement proportionnelle à la durée de l’impulsion et augmente avec l’énergie que l’on est parvenu à récupérer sur le photodétecteur du lidar.

On appelle « équation lidar » le bilan de liaison du lidar entre son émission et sa réception, c’est-à-dire l’énergie lumineuse E (en J) de l’impulsion rétrodiffusée par une cible (supposée lambertienne, i.e. qui diffuse la lumière uniformément) située à une distance z et captée par le lidar[21] :

 E(z) = E_0 F_R(z) T_{atm}^2(z) \frac{T_R A_R}{z^2}  \frac{\rho}{\pi}  \frac{A_{cible}(z)}{A_{spot}(z)}

Dans cette équation :

  • E0 représente l’énergie initiale de l’impulsion émise (en J) ;
  • FR(z) est la fonction de recouvrement entre le faisceau émis et le cône de réception du lidar (à valeur entre 0 et 1) ;
  • Tatm(z) est la transmission (à valeur entre 0 et 1) de l’atmosphère sur l’épaisseur z (cf. section lidar atmosphérique) ;
  • TR est la transmission (à valeur entre 0 et 1) et AR la surface (en m²) du système optique de réception ;
  • ρ est l’albédo de la cible (à valeur entre 0 et 1) ;
  • Acible est la surface de la cible éclairée par le laser (en m²) ; Aspot(z) est la surface totale (en m²) de la tâche (« spot ») laser à la distance z. Par définition, A_{cible}\le A_{spot}, d’où \frac{A_{cible}(z)}{A_{spot}(z)}=1 pour une cible résolue (cible plus grande que le faisceau) et \frac{A_{cible}(z)}{A_{spot}(z)}\propto \frac{1}{z^2}\ pour une cible non résolue (cible moins grande que le faisceau).

Application numérique : pour FR(z)=100%, Tatm(z)=90% (propagation sur 1 km en visée horizontale en visibilité moyenne), TR = 60% (optiques et filtres compris), AR = 20 cm2 (optique de 5 cm de diamètre), ρ=30%, cible résolue à une distance z = 1 km, on a :

Principe du lidar télémètre à balayage

 E(z) \approx 10^{-10} E_0

Seul un dix-milliardième de l’énergie émise est récupérée à la réception.

Le laser émet de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de milliers d’impulsions chaque seconde. En y associant un système de balayage angulaire (« scanner », typiquement à l’aide de miroirs qui dévient l’axe d’émission et de réception d’un angle connu), où en profitant du déplacement connu du porteur du lidar (avion ou satellite), on est capable de localiser les nombreux échos recueillis dans l’espace à trois dimensions. Ceci permet la cartographie en 3D de la surface de la cible du lidar, avec une précision qui peut atteindre quelques centimètres, ou une portée qui peut atteindre plusieurs centaines de kilomètres pour des systèmes spatiaux.

Parmi les très nombreuses applications de ces lidars, on peut citer :

  • la reconstitution en 3D d’environnements pour l’architecture, l’urbanisme[22], ou l’exploration spéléologique[23],
  • la télémétrie en temps réel pour le guidage automatique de véhicules terrestres[12] (voiture autonome) ou spatiaux[24] (rendez-vous orbital, exemple : ATV-5 Georges Lemaître),
  • le contrôle de vitesse portatif pour la sécurité routière (jumelles dites à « radar laser »[13]) par télémétrie différentielle : on mesure la variation de la distance de la cible en fonction du temps.
  • depuis un avion ou depuis l’orbite, la topographie à haute précision de la Terre[2] (lidar GLAS des satellites ICESat) ou des corps rocheux du système solaire[25] (altimètre MOLA de la sonde martienne Mars Global Surveyor) pour obtenir un modèle numérique de terrain. En archéologie, cette technique est appliquée à la détection de sites enfouis sous la végétation[26] ou l’eau[27]. En foresterie, elle sert à mesurer la hauteur de la canopée ou de la couronne des arbres, ce qui permet d’établir des bilans de couverture végétale, de biomasse ou de risque incendie à de très grandes échelles[2]. Dans ce dernier cas, on note l’utilisation de lidars à large empreinte et à « onde complète » qui extraient les structures de la même manière que les lidars atmosphériques détaillés ci-après.
Applications des lidars télémètres

Lidars à détection cohérente pour la mesure de vitesse[modifier | modifier le code]

De par sa capacité à détecter un décalage en fréquence, le lidar à détection cohérente s'applique directement à la mesure de vitesse d'une cible dure.

Le signal hétérodyne, partie variable du courant en sortie du photodétecteur (en A), s’écrit :

i_{het}(t) = i_0 cos(2\pi(\Delta f_0+2\frac{V_r}{\lambda})t+\phi)

avec Δf0 le décalage fixe imposé à l’oscillateur local, Vr la vitesse radiale de la cible (projetée vers le lidar), λ la longueur d’onde émise et i0 donné par l’équation lidar adaptée au cas du lidar cohérent (en supposant l’émission laser continue) :

i_0^2(z) = 4 \eta_{het}^2 S^2 P_0P_{OL} F_R(z) T_{atm}(z) \frac{ T_R A_R}{z^2}  \frac{\rho}{\pi}  \frac{A_{cible}(z)}{A_{spot}(z)}

Dans cette équation, plusieurs termes nouveaux apparaissent (les autres sont explicités dans la sous-section précédente) :

  • ηhet le rendement hétérodyne (à valeur entre 0 et 1), d’autant meilleur que les fronts d’ondes interférents se ressemblent, et très sensible à la propagation du faisceau,
  • S, la sensibilité du photodétecteur (en A/W),
  • P0, la puissance émise (en W),
  • POL, la puissance de l’oscillateur local (en W).

Le traitement du signal s’effectue par l’estimation de la fréquence instantanée du signal hétérodyne (opération parfois appelée démodulation, comme en radio), afin de remonter à la vitesse de la cible. Il est à noter que, le lidar ayant une longueur d’onde 10000 fois plus courte que le radar, la sensibilité en vitesse est d’autant décuplée par rapport aux radar Doppler : 1 MHz de décalage en fréquence correspond approximativement à une vitesse de 1 m/s. Sur des périodes longues, avec une émission laser continue visant une cible dure, on est ainsi capable de sonder des vitesses inférieures au micron par seconde.

La surveillance des méga-structures (grands bâtiments, ponts...) par leurs modes de vibration est l’une des applications civiles de la vibrométrie par lidar à detection cohérente : les vibrations naturelles sont ralenties et amorties après un endommagement.

Applications :

Jusqu’à la fin des années 1990, seuls d’imposants et coûteux lasers à gaz CO2 (infrarouge thermique, λ=10,6 µm) avaient les caractéristiques nécessaires de finesse spectrale et de puissance, réservant ce lidar à des applications militaires apparentées au radar[28]. Il s’agit principalement de l’imagerie/télémétrie/vélocimétrie à très grande portée (jusqu’à plusieurs centaines de kilomètres). Il est possible d’aller sonder jusqu’à la forme et les mouvements des satellites et débris spatiaux en orbite terrestre basse, inaccessible aux radars, dont le faisceau est trop divergent.

Par la suite, le développement des lasers fibrés (infrarouge proche, λ=1,55µm), compacts, robustes et moins onéreux, ont ouvert d’autres champs d’application sur cible dure, notamment la vibrométrie laser à grande distance :

  • pour la surveillance de la santé mécanique des grandes structures par leurs modes de vibration naturels, qu’il s’agisse d’ouvrages d’art[29], d’une falaise sur le point de se décrocher[30] ou des grands bâtiments d’une ville[4] après un séisme. L’intérêt est de ne pas avoir à s’approcher d’une structure qui peut potentiellement s’effondrer, ou de pouvoir balayer sa surface pour étudier la forme des modes de vibration (ex : repérer des discontinuités causées par des fissures) sans avoir à y déposer des dizaines de capteurs.
  • pour la détection de mines terrestres enfouies, révélées par un scan des vibrations du sol soumis à une excitation sonore[31]
  • par ailleurs, dans la défense, les lidars vibromètres sont applicables à la détection[32] et à l’identification à grande distance[33] de véhicules terrestres ou aériens par leurs vibrations spécifiques, ou encore à l’espionnage[34].

Ces applications sont toutefois relativement récentes et donc exploratoires.

Lidars à cible diffuse – lidar atmosphérique[modifier | modifier le code]

Les lidars peuvent effectuer des mesures à travers différents milieux diffus (océan, forêt) outre l’atmosphère, mais nous nous concentrerons sur ce dernier cas, majoritaire et représentatif. Dans l’atmosphère, il s’agit d’analyser les échos lumineux provenant des molécules de l’air ou des particules (aérosols, gouttelettes d’eau ou cristaux de glace) en suspension dans la colonne traversée par le faisceau laser. On étudie l’intensité de la rétrodiffusion ou de l’atténuation de la lumière par ces constituants. Comme dans une échographie, le signal reçu représente une coupe de l’atmosphère.

Principe du lidar atmosphérique

La difficulté du traitement de ce signal est de séparer les effets d’atténuation de ceux de la rétrodiffusion, ainsi que la contribution respective des particules en suspension et des différentes molécules[35]. C’est un cas exemplaire de problème inverse mal conditionné pour lequel on tente, avec peu d’observables mais un bon modèle mathématique du système physique observé, de remonter aux paramètres caractéristiques du système. Si l’on sait résoudre ce problème, on peut alors accéder à la densité et la concentration de constituants de l’atmosphère, leurs propriétés optiques qui renseignent sur leur nature, mais aussi des paramètres physiques tels que la température ou la vitesse des vents, en fonction de l’altitude. On parle donc « d'inverser » le signal lidar pour le fait de résoudre l'équation qui le décrit.

L’extinction (atténuation) et la rétrodiffusion sont en effet la somme de termes associés aux différentes particules et molécules présents dans l’atmosphère, et dépendent parfois fortement de la longueur d’onde. Chaque terme est le produit de la concentration de l’espèce (en m-3) par la section efficace d’interaction (en m2 pour l’extinction ou m2.sr-1 pour la rétrodiffusion). Ces sections efficaces donnent une idée de l’ordre de grandeur des phénomènes d’interaction.

Importance des interactions lumière-atmosphère en termes de section efficace de rétrodiffusion[36] :

Interaction Section efficace de rétrodiffusion Caractéristiques
Diffusion de Mie (particules aérosols) 10-8 - 10-10 cm-2sr-1 Instantanée, élastique (même longueur d’onde)
Fluorescence résonnante (ex : espèces métalliques) 10-13 cm-2sr-1 Instantanée, inélastique (changement de longueur d’onde)
Fluorescence (ex : aérosols biologiques) 10-19 cm-2sr-1 Retardée, inélastique
Diffusion Rayleigh (molécules) 10-27 cm-2sr-1 Instantanée, élastique
Diffusion Raman (molécules) 10-30 cm-2sr-1 Instantanée, inélastique

Les observations lidar sont principalement représentées sous deux formes :

  • Le profil lidar est usuellement la représentation de l'évolution du signal lidar E(z)(parfois corrigée de la dépendance en 1/z²) ou d'un paramètre dérivé du traitement de ce signal, en abscisse, en fonction de l'altitude z, en ordonnée.
  • Une série temporelle lidar est une figure en 3 dimensions représentant l'évolution du signal lidar (en couleur) en fonction du temps (en abscisse), et de l'altitude (en ordonnée).
Exemple de profil et série temporelle obtenus à l’aide d’un lidar atmosphérique (Rayleigh-Mie-Raman, Minorque, 2012)

On peut classer les lidars atmosphériques suivant le phénomène d’interaction observé.

Lidars à rétrodiffusion (Rayleigh, Mie ou Raman)[modifier | modifier le code]

Ces lidars sont pour la plupart basés sur des lasers puissants (énergie de plus de 10mJ par impulsion) émettant entre le proche infrarouge et le proche ultraviolet. La longueur d'onde sera choisie courte si l'on souhaite maximiser l’interaction avec les molécules et petites particules (cas Rayleigh/Raman)[37], ou longue dans le cas contraire (cas Mie). De nos jours, les lasers au néodyme (Nd), émettant à 1064nm (proche infrarouge), 532nm (vert) et/ou 355nm (proche ultraviolet) par doublage/triplage de fréquence, sont souvent employés.

Détail de l'interaction laser-atmosphère en lidar atmosphérique et éléments de calcul de l'équation lidar

Dans le cas des lidars « Rayleigh » et/ou « Mie »[modifier | modifier le code]

On étudie la rétrodiffusion directe des constituants de l’atmosphère à la même longueur d’onde que celle qui a été émise. La diffusion est dite « élastique » : elle se produit sans échange d’énergie entre les photons incidents et le diffuseur rencontré. On distingue la diffusion « Rayleigh » des molécules (la taille du diffuseur est largement inférieure à la longueur d’onde utilisée) de la diffusion « de Mie » des particules/aérosols (la taille du diffuseur est du même ordre de grandeur que la longueur d’onde utilisée).

L' « équation lidar » est dans ce cas l’expression de la distribution verticale d’énergie lumineuse rétrodiffusée par une tranche d'atmosphère d'épaisseur Δz et captée par le lidar, en fonction de l’altitude z, que l'on cherche le plus souvent à résoudre pour trouver le profil d'extinction α(z) ou de rétrodiffusion β(z)[37]:

E(z) = E_0 F_R(z) \frac{ T_R A_R}{z^2} \beta(\lambda,z) \Delta z \underbrace{\exp\left[-2 \int_0^z \alpha(\lambda,z')dz'\right]}_{T_{atm}^2(\lambda,z)}

Dans cette équation :

  • E0 représente l’énergie initiale des impulsions émises (en J) ;
  • FR(z) est la fonction de recouvrement entre le faisceau laser émis et le cône de réception du lidar à la distance z (à valeur entre 0 et 1) ;
  • Δz = c/2 Δt est la taille de la case distance ou résolution en distance (en m), fixée par Δt qui est le maximum entre la durée de l’impulsion et le temps de réponse de la détection ;
  • TR est la transmission (à valeur entre 0 et 1) et AR la surface (en m2) du système optique de réception ;
  • α(λ,z) représente le coefficient d'extinction (ou atténuation, en m-1) à l'altitude z et à la longueur d’onde λ, elle conditionne la transmission de l’atmosphère Tatm(λ);
  • β(λ,z) représente le coefficient de rétrodiffusion (en m-1.sr-1) à l'altitude z à la longueur d’onde λ.

Il est à noter que les coefficients d’extinction et de rétrodiffusion sont la somme de contributions particulaire (p) et moléculaire (m) évoluant différemment avec la longueur d'onde et l'altitude :

\begin{cases} \alpha(z) = \alpha_p(z) + \alpha_m(z),  \\ \beta(z) = \beta_p(z) + \beta_m(z) \end{cases}

Sachant que l'énergie exacte transmise E0TR est rarement connue avec suffisamment de précision, l'équation lidar devient une équation à 5 inconnues au total. Il faut user d'hypothèses simplificatrices pour la résoudre.

  • Dans la haute atmosphère (>10 km), il n'y a habituellement pas de particules, et un lidar Rayleigh étudiant uniquement la diffusion des molécules peut remonter, en sachant que αm = 8π/3 βm, au coefficient d'extinction. Celui-ci étant proportionnel au nombre de molécules, on obtient ainsi des profils de densité de la stratosphère et de la mésosphère. D’autre part, à l’aide d’un interféromètre spécifique placé à la réception (détection dite à « haute résolution spectrale »), il est possible de mesurer le décalage spectral par effet Doppler du spectre de rétrodiffusion des molécules, donnant accès à la vitesse du vent[38].
  • Dans la troposphère (<10 km), il faut utiliser des hypothèses simplificatrices (profil de densité moléculaire, albédo des particules), pour réduire le nombre d’inconnues. On remonte ainsi au profil d'extinction des particules (aérosols, gouttelettes ou cristaux dans les nuages) en fonction de l'altitude, qui renseigne sur leur concentration. Différents concepts d’instruments récents (avec une mesure de la dépolarisation de la lumière reçue, ou l’utilisation de plusieurs longueurs d’ondes à l’émission) peuvent contribuer à déterminer la nature des particules[39] ("spéciation" : pollution, poussières, cendres, gouttelettes, cristaux) ; par exemple, la phase des nuages (eau liquide : pas de dépolarisation, cristaux de glace : forte dépolarisation).

Applications :

De manière générale, les systèmes Rayleigh/Mie sont très divers et conçus spécifiquement en vue d'une application particulière (sol ou aéroporté, particules/molécules, basse ou haute altitude). Beaucoup mettent en œuvre de multiples canaux (Rayleigh, Mie, Raman, dépolarisation...) simultanément pour maximiser le nombre d'observations.

On notera que plusieurs modèles de lidar Rayleigh-Mie sont commercialisés depuis la moitié des années 2000[40] et commencent à équiper des réseaux de surveillance de la basse atmosphère à l'échelle nationale et internationale[41]. Un réseau mondial de lidar à micro-impulsions (émettant des milliers d'impulsions micro-Joule par seconde, plutôt que les quelques dizaines d'impulsions milli-Joule par seconde des lidars), MPLNET, a notamment été développé par la NASA[42].

Applications des lidars Rayleigh et/ou Mie

Cas particulier du « lidar vent » : lidar Mie à détection cohérente[modifier | modifier le code]

Reconstitution du vecteur vent en 3 dimensions par un lidar vent mesurant la vitesse radiale par effet Doppler suivant différents axes.

Le système communément appelé « lidar vent » est un lidar à diffusion de Mie à détection cohérente hétérodyne, monostatique (une seule optique d'émission et de réception), pour la mesure du champ de vent dans la couche limite atmosphérique : il donne vitesse et direction du vent en fonction de l'altitude, potentiellement jusqu'à 1 ou 2km, dans la couche proche du sol où des particules (aérosols) réfléchissent son émission.

Le signal hétérodyne du lidar vent peut s'exprimer comme suit :

i_{het}(t) = S \sqrt{P_0P_{OL}} F_R(z=ct/2) \frac{4 T_R A_R}{c^2 t^2} \eta_{het}(z=ct/2) T_{atm}^2(\lambda,z=ct/2) \beta(\lambda,z=ct/2) \Delta z \cos \left(2 \pi (\Delta f_0+2\frac{V_r(z=ct/2)}{\lambda})t+\phi \right)

avec Δf0 le décalage fixe imposé à l’oscillateur local, Vr la vitesse radiale de la cible (projetée vers le lidar), λ la longueur d’onde émise.

L'amplitude du signal peut-être exploitée pour calculer la concentration des aérosols, mais on s'intéresse majoritairement à la phase du signal, dont la dérivée est proportionnelle à la vitesse radiale (projetée sur l'axe du faisceau) du vent Vr de par l'effet Doppler.

S'il n'a accès qu'à la composante radiale de la vitesse du vent, comme figuré ci-dessus, une mesure suivant 3 axes ou plus (avec une précision ~cm/s) suffit en théorie à reconstituer, par changement de base, le vecteur vent en 3 dimensions (avec une précision meilleure que le m/s). En pratique, on opère souvent un balayage du faisceau incliné suivant un cône autour de la verticale[55], pour mesurer la vitesse suivant des axes multiples.

Applications :

Développé dans les années 1980 pour la dynamique atmosphérique par la NOAA à l'aide d'imposants laser CO2 (longueur d'onde 10,6 µm) continus puis des lasers solides Tm/Ho:YAG (2 µm)[56], il se répand plus largement dans les années 2000 grâce à la technologie des lasers à fibre à 1,55 µm[57],[55] dont les composants issus de l'industrie des fibres optiques pour les télécommunications sont fabriqués en grande série. Il est à noter que la résolution en distance est parfois obtenue par défocalisation sur des systèmes fibrés à émission continue[58], le rendement hétérodyne étant beaucoup plus élevé au point de focalisation d'un faisceau convergent.

Applications des lidars vent

Dans le cas des lidars « Raman »[modifier | modifier le code]

On étudie la rétrodiffusion « Raman » de la lumière sur un constituant de l’atmosphère à une longueur d’onde λ différente de celle de l’émission λ0, choisie a priori, et caractéristique d’un composé chimique. Toutefois, ce type de diffusion a typiquement moins d’une chance sur mille de se produire pour chaque photon diffusé, ce qui rend le signal ténu et difficile à isoler.

La diffusion Raman est dite « inélastique », c’est-à-dire qu’il y a échange d’énergie entre le photon et la molécule qui le diffuse ; le photon peut mettre en vibration ou en rotation la molécule au repos, ou absorber l’énergie de vibration ou de rotation d’une molécule excitée. De par la mécanique quantique, les niveaux d’énergie vibro-rotationnels accessibles aux molécules sont quantifiés, et spécifiques à celles-ci. Le spectre de diffusion Raman consiste donc en une série de raies à des longueurs d’ondes particulières. C’est une « empreinte digitale » de la molécule. De plus, l’intensité des raies est directement proportionnelle à la concentration des molécules dans l’atmosphère, et leur importance relative dépend de la statistique d'excitation des molécules et peut renseigner sur la température.

Pour l’exploiter, il faut employer à la réception un monochromateur ou plusieurs filtres interférentiels sélectifs afin de sélectionner ces raies, ainsi qu’un laser de forte puissance pour compenser la faiblesse de la diffusion Raman par rapport à la diffusion élastique classique. Une mesure de jour en présence de lumière solaire est très difficile.

En contrepartie, l’équation du lidar Raman est simple à résoudre car la rétrodiffusion n’est le fait que d’une seule espèce chimique. Elle s'écrit dans ce cas :

E(\lambda,z) = E_0 F_R(z) \frac{ T_R A_R}{z^2}  \underbrace{\exp\left[- \int_0^z \alpha(\lambda_0,z')dz'\right]}_{T_{atm}(\lambda_0,z')} \beta(\lambda_0,\lambda,z) \Delta z \underbrace{\exp\left[- \int_0^z \alpha(\lambda,z')dz'\right]}_{T_{atm}(\lambda,z')}

Dans cette équation :

  • on distingue la longueur d’onde d’observation λ de la longueur d’onde émise λ0;
  • β(λ0,λ,z) représente le coefficient de rétrodiffusion Raman de l'espèce d'intérêt (en m-1.sr-1) à l'altitude z entre la longueur d’onde d’émission λ0, et la longueur d’onde d’observation λ. Elle est uniquement due aux molécules ciblées, et est au premier ordre directement proportionnelle à leur concentration.

Cette équation se résout donc facilement si l’on dispose d’un canal de réception « élastique » en parallèle, ou si l’on fait le rapport de la diffusion Raman de deux espèces à des longueurs d'ondes proches.

Applications :

À longue portée dans l'atmosphère, cette technique relativement nouvelle (années 1990) nécessite des lasers puissants qui sont le plus souvent l’apanage des laboratoires de recherche, mais quelques lidars Raman atmosphériques commerciaux ont récemment été mis sur le marché[64]. On peut envisager à terme un véritable lidar météorologique qui fournirait température et humidité atmosphériques en lieu et place des radiosondes actuellement utilisés en météorologie opérationnelle[5].

  • Utilisation de la rétrodiffusion du diazote atmosphérique comme une référence afin de résoudre totalement le problème inverse du lidar Rayleigh-Mie (section précédente) ; on détermine alors précisément la réflectivité (albédo) des particules aérosols et potentiellement leur concentration massique dans la colonne d'air[65],
  • Mesure de la concentration de gaz traces spécifiques comme la vapeur d’eau[66] et autres gaz à effet de serre[67],
  • Mesure de la température, de la troposphère jusqu’à la mésosphère[68],[69]

À plus courte portée, le lidar Raman serait applicable au contrôle à distance de l’alcoolémie des automobilistes par l’analyse du taux d’alcool dans l’habitacle de la voiture[70] (bien que la réalité de cet appareil ait été remise en cause depuis). Plus vraisemblablement, il a servi à la détection de substances[71],[72] et à la localisation de fuites de gaz[73], toxiques ou dangereux, à distance de sécurité ou dans des installations inaccessibles.

Spectre de la diffusion Raman et de la fluorescence exploitables par un lidar à diffusion inélastique pour le sondage d'espèces chimiques spécifiques

.

Lidars à fluorescence[modifier | modifier le code]

La fluorescence est le phénomène par lequel suite à l'excitation d'une molécule ou d’un atome par absorption d'un photon, un autre photon est immédiatement ré-émis (exemple de photoluminescence).

Cette ré-émission peut se faire à la même énergie et longueur d'onde (fluorescence résonnante) ou à une énergie inférieure (et longueur d'onde plus grande) lorsqu'il y a eu une légère relaxation non radiative entre temps (10-10s). Dans tous les cas, l'excitation à une durée de vie pouvant aller jusqu'à 10-7s et la ré-émission se fait statistiquement avec un léger retard, en suivant une décroissance exponentielle. Il est à noter que contrairement à la diffusion, la ré-émission fluorescente est pratiquement isotrope, c'est-à-dire qu'elle se fait indifféremment dans toutes les directions.

La fluorescence peut évidemment être induite par un éclairement au laser (« FIL » ou « LIF » en anglais, fluorescence induite par laser) à distance :

  • Par exemple, un composé organique excité par un rayonnement ultraviolet peut ré-émettre de la lumière visible par fluorescence, sur un spectre étendu. La spectroscopie de fluorescence est une technique courante de vision et d'analyse en chimie organique, biochimie et biologie, car de nombreuses molécules organiques et du domaine du vivant sont fluorescentes. On s'affranchit ainsi aisément de la diffusion simple à la longueur d'onde d'excitation sur les autres constituants du milieu, mais l'énergie ré-émise étant dispersée sur un plus grand domaine spectral, cela complique sa récupération.
  • On peut aussi exploiter la fluorescence résonnante qui existe aux raies d'émission/absorption proches des espèces métalliques de l'atmosphère. Elle a l'avantage de ne pas être étendue spectralement.

Lidars à fluorescence moléculaire (non résonnante)[modifier | modifier le code]

Bactéries fluorescentes sous illumination ultraviolette

Un lidar à fluorescence avec une émission dans le domaine ultraviolet et une réception filtrée dans le domaine visible est ainsi capable de détecter la présence et la concentration de molécules organiques fluorochromes, à distance. Cela rend possible une télédétection spécifique du vivant dans l'atmosphère ou dans l'océan.

Par ailleurs, en visant des cibles dures tout en profitant de la résolution temporelle du lidar, on peut détailler la décroissance de la fluorescence avec le temps (la ré-émission peut durer plusieurs dizaines de nanosecondes), ce qui permet parfois de reconnaître le matériau de la cible (« spectrofluorométrie résolue dans le temps »).

Une première difficulté du lidar à fluorescence moléculaire réside dans la dilution temporelle (plusieurs dizaines de nanosecondes) et spectrale (plusieurs dizaines voire centaines de nm) de l'énergie ré-émise. Ceci complique fortement l’isolation de la réception du lidar des sources de lumière parasite et limite la portée de ces systèmes. Dans beaucoup de cas visant une espèce particulière, une autre difficulté demeure le réglage précis de la longueur d’onde d’émission laser sur la raie d’absorption de l’espèce étudiée.

D'autre part, si la détection de fluorophores (particules fluorescentes) est aisée, la détermination précise de leur concentration peut devenir assez complexe :

  • en premier lieu, la forte absorption de l'espèce visée éteint rapidement l'énergie du laser.
  • de plus, à cause du retard de la fluorescence, qui évolue en exp(-t/τ), avec τ son temps caractéristique qui peut aller jusqu'à quelques dizaines de nanosecondes, l'excitation et la ré-émission durent souvent plus longtemps que l'impulsion laser et la résolution temporelle de détection, ce qui brouille spatialement la couche de fluorophores observée avec son environnement.

Typiquement, dans l'atmosphère, pour une couche de concentration NF(z) (en m-3) dont le plancher se trouve à une altitude zF, l'équation lidar devient dans le cas d'une fluorescence longue devant la durée d'impulsion et la résolution temporelle[37] :

E(\lambda,\lambda_0,z) = E_0 F_R(z) \frac{T_R A_R}{z^2} T_{atm}(\lambda,z) T_{atm}(\lambda_0,z_F) \frac{\sigma_{fluo}(\lambda_0,\lambda)}{4\pi} \Delta z  \left[N_F(z) \underbrace{\exp\left(-\int_{z_F}^z \alpha(\lambda_0,z')dz'\right)}_{\text{Extinction rapide}}\right] \star \underbrace{H_F(z)}_{\text{Brouillage}}

avec :

  • λ0 la longueur d'onde d'excitation et λ la longueur d'onde d'observation,
  • σfluo la section efficace de fluorescence à la longueur d'onde d'observation (en m²), donnée par la section d'absorption σabs, le temps de vie radiatif du niveau excité τrad, la répartition spectrale de la fluorescence \mathcal{L}(\lambda), et la largeur du filtre à la réception δλ :

\sigma_{fluo}(\lambda_0,\lambda) = \sigma_{abs}(\lambda_0) \frac{\lambda_0}{\lambda} \frac{\tau}{\tau_{rad}} \mathcal{L}(\lambda) \delta\lambda

  • \star le produit de convolution et HF un terme de brouillage donné par :

H_F(z=ct) = H(t) \exp(-t/\tau)

où H(t) est la fonction de Heaviside.

Une correction apparentée à une déconvolution est possible pour remonter à la concentration des particules fluorophores. Il faut alors connaître leur coefficient d'extinction massique et le temps caractéristique de fluorescence, ce qui implique de savoir leur nature exacte et d'avoir caractérisé ces propriétés en laboratoire. Dans le cas où la durée de l'impulsion n'est pas négligeable, il faut également connaître la forme de celle-ci.

Applications :

Lidars à fluorescence résonnante[modifier | modifier le code]

Plusieurs espèces non organiques de la haute atmosphère peuvent aussi être caractérisées par leur spectroscopie de fluorescence dite résonnante, si elles sont excitées à la longueur d'onde d'une raie spectrale d'absorption/émission. On étudie ainsi les confins de la mésosphère où des espèces métalliques telles que le sodium et le fer sont constamment déposées par les météores, ou l'azote ionisé de l’ionosphère, malgré la distance (~100 km)[78].

Espèce Na Fe K Ca N2+
Longueur d'onde 589.1nm 372.1nm 766.6/770.1nm 422.8nm 393.8nm
FASOR, puissant lidar à fluorescence sodium, émettant à 589nm

Le principe physique est le même pour les différentes espèces citées :

  • un laser continu asservi à la longueur d'onde voulue par absorption saturée dans une cellule du gaz visé joue le rôle d'oscillateur maître.
  • son émission est décalée par un modulateur acousto-optique de quelques centaines de MHz (Δf) alternativement de part et d'autre de la raie pour sonder les atomes de différentes classes de vitesse.
  • un laser impulsionnel injecté par ce flux produit une émission impulsionnelle plus puissante.
  • trois échantillonnages à -Δf, 0 et +Δf suffisent à reconstituer la fréquence centrale (liée à la vitesse radiale du vent par l'effet Doppler) et l'élargissement (lié à la température) de la raie d'absorption des atomes sondés.

Parce que les impulsions laser sont émises en résonance avec la raie de l'espèce étudiée, la puissance ré-émise est magnifiée d'un facteur 1014 par rapport à la simple diffusion Rayleigh.

En utilisant un laser modeste (impulsions de quelques 10 mJ) et un télescope de taille métrique, un lidar à fluorescence résonnante peut sonder température et vent au-delà de la mésopause (80km) en quelques minutes. Ces deux mesures sont directes (sans supposition de densité de l'air ou d'équilibre hydrostatique) et simultanées.

Applications :

  • Mesure de la densité, de la température et des flux de la haute atmosphère via la spectroscopie de fluorescence des espèces métalliques atmosphérique (de 80 à 100km environ)[79].
  • Étude de l’ionosphère (couche externe de l’atmosphère où apparaisse les aurores boréales) via la fluorescence de l’azote ionisé[80].

Lidars à absorption différentielle : « DIAL »[modifier | modifier le code]

Espèces gazeuses mesurables par lidar DIAL et lasers utilisés. C'est dans les bandes d'absorption de l'atmosphère (maxima de la courbe) que l'on trouve les raies d'absorption des molécules indiquées (invisibles à cette échelle car souvent très étroites) pouvant servir au DIAL.

Un puissant concurrent du lidar à diffusion Raman (très ténue et difficile à observer de jour ou à grande distance) pour la mesure de concentration de gaz traces dans l'atmosphère est le lidar à absorption différentielle (en anglais : "Diifferential Absorption Lidar", DIAL).

Son principe est le suivant :

  • on émet des impulsions à deux longueurs d'ondes, l'une (dite "ON") correspondant à une raie spectrale d'absorption d'une espèce moléculaire de l'atmosphère, l'autre (dite "OFF") très proche mais hors de cette raie d'absorption,
  • la lumière à ces deux longueurs d'ondes est absorbée très différemment lors de sa propagation, mais a priori réfléchie de manière égale par les constituants de l'atmosphère,
  • à la réception, on calcule la différence d'atténuation des signaux ON et OFF, a priori proportionnelle à la concentration de l'espèce recherchée.

En effet, d'après l'équation lidar, on a pour chacune des deux longueurs d'ondes ON et OFF :

\begin{cases} E(\lambda_{ON},z) = E_{ON} F_R(z) \frac{T_R A_R}{z^2} \beta(\lambda_{ON},z) \Delta z \exp\left[-2 \int_0^z \alpha(\lambda_{ON},z')dz'\right],  \\ E(\lambda_{OFF},z) = E_{OFF} F_R(z) \frac{T_R A_R}{z^2} \beta(\lambda_{OFF},z) \Delta z \exp\left[-2 \int_0^z \alpha(\lambda_{OFF},z')dz'\right] \end{cases}

d'où pour le ratio des énergies :

\frac{E(\lambda_{ON},z)}{E(\lambda_{OFF},z)} = \frac{\beta(\lambda_{ON},z)}{\beta(\lambda_{OFF},z)} \exp\left[2 \int_0^z \alpha(\lambda_{ON},z')-\alpha(\lambda_{OFF},z')dz'\right]

Or, si N(z) est le profil de concentration de l'espèce recherchée (en m-3), σabs sa section efficace d'absorption (en m2), et λON proche de λOFF :

\begin{cases} \alpha(\lambda,z) \simeq N(z)\sigma_{abs}(\lambda) \\ \beta(\lambda_{ON}) \simeq \beta(\lambda_{OFF}) \end{cases}

Donc, avec Δσabs la différence de section efficace d'absorption entre les deux longueurs d'onde λON et λOFF :

\frac{E(\lambda_{ON},z)}{E(\lambda_{OFF},z)} \simeq \exp\left[2 \int_0^z N(z')\Delta\sigma_{abs}dz'\right]

et on peut déterminer :

 N(z) \simeq \frac{1}{2\Delta \sigma_{abs}} \frac{\partial}{\partial z} \left[\ln \frac{E(\lambda_{ON},z)}{E(\lambda_{OFF},z)} \right]

La figure ci-dessus répertorie quelques espèces gazeuses mesurables par cette technique[81], en plaçant leur raies d'absorption sur le spectre UV-Visible-IR, et les types de laser utilisés pour ce faire. Il est à noter que certaines espèces présentes sous forme d'aérosols sont aussi sondables de cette manière[82].

Certains lidar DIAL utilisent la technique de la détection hétérodyne[81] pour s'affranchir totalement du parasite de la lumière ambiante et effectuer des mesures de jour comme de nuit.

Plusieurs difficultés subsistent :

  • Il faut disposer d'un laser bi-fréquence accordable en longueur d'onde pour viser le sommet de la raie d'absorption de l'espèce à mesurer (λON), ainsi que son pied (λOFF).
  • La précision de cette mesure dépend très fortement de l'absorption cumulée de l'espèce mesurée dans l'atmosphère (épaisseur optique). Il existe une épaisseur optique optimale à atteindre, qui contraint le choix de la raie d'absorption, du laser et donc la conception du système d'émission dans son ensemble, en fonction de la configuration d'observation (depuis le sol, depuis un avion, faible ou forte concentration, gamme d'altitudes d'intérêt...).
  • Plus important encore, le phénomène de décalage par la pression ("pressure shift") de raies spectrales d'absorption étroites biaise les mesures lidar faites sur de grandes gammes d'altitude, puisqu'au fur et à mesure que la pression décroît en montant dans l'atmosphère, la raie s'écarte de λON et l'absorption diminue. Il faut donc placer λON au flan de la raie à pression standard, pour qu'elle se rapproche plus du maximum avec l'altitude, et étalonner rigoureusement ce biais pour le soustraire aux mesures.

Applications :

  • Surveillance de la couche d'ozone stratosphérique[83],[84],[85] (entre 15 et 30 km d'altitude), dont la disparition partielle est l'un des problèmes environnementaux majeurs de la fin du vingtième siècle. L'ozone a été le premier gaz trace de l'atmosphère mesuré par DIAL dans les années 1980 grâce à ses raies d'absorption larges et marquées dans l'ultraviolet.
  • Mesure du rapport de mélange en vapeur d'eau atmosphérique (et éventuellement de la température[86]), y compris depuis l'espace[84].
  • Mesure des concentrations de gaz à effet de serre tel que le dioxyde de carbone[87] ou le méthane[88]. Le satellite franco-allemand MERLIN[89], en développement, devrait mesurer à partir de 2018 le méthane atmosphérique par la méthode DIAL intégré (la mesure n'est pas résolue en altitude, pour avoir un signal suffisant).
  • Mesure de gaz polluants divers dans la troposphère (basse atmosphère) : ozone, dioxyde de soufre, dioxyde d'azote, toluène, éventuellement de manière simultanée par un lidar DIAL à 5 longueurs d'ondes[90], système commercialisé par la société allemande Elight jusqu'au début des années 2000.

Lidars « supercontinuum »[modifier | modifier le code]

Laser à supercontinuum dans une fibre microstructurée

À l'aide de lasers à impulsions femtosecondes, ou maximisant les effets non-linéaires dans des fibres optiques ou cristaux spécifiques, il est possible de générer des impulsions lumineuses de spectre très large, couvrant des bandes spectrales de plusieurs microns (lumière blanche). On appelle une telle émission « supercontinuum ».

Ceci a amené à envisager un lidar supercontinuum, pour la résolution de l'équation lidar à toutes longueurs d'ondes afin d'accéder simultanément à la concentration des espèces gazeuses polluantes[91], aux distributions de taille des aérosols[92], et aux molécules organiques fluorescentes[93]. Le système franco-allemand "Téramobile"[94] en est une incarnation renommée.

Toutefois, de par la dispersion spectrale de leur puissance et les effets dissipatifs de la propagation dans l'atmosphère des faisceaux en régime de forte puissance crête, un problème de bilan de liaison limite la portée et par conséquent les applications de ces systèmes. Les derniers travaux à longue portée que l'on peut trouver remontent à la fin des années 2000[95], alors que les travaux récents se concentrent sur la discrimination de gaz à courte portée, sans résolution en distance[96].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. A. Cracknell, L. Hayes, Introduction to Remote Sensing, London, Ed : Taylor and Francis, 1991 (ISBN 0849392551)
  2. a, b et c J. Stoker, Introduction to Lidar, USGS http://www.crssa.rutgers.edu/rs07/agenda/J%20Stoker_lidar101_nj_workshop.pdf
  3. T. Paulson, Lidar shows where earthquake risks are highest, SeattlePI, 2001, http://www.seattlepi.com/local/article/LIDAR-shows-where-earthquake-risks-are-highest-1052381.php
  4. a et b P. Guéguen et al., Analysis of reinforced concrete buildings using multipath lidar, European Workshop on Structural Health Monitoring, 2014, https://hal.inria.fr/hal-01021064/PDF/0334.pdf
  5. a et b E. Brocard et al., Raman Lidar for Meteorological Observations, RALMO, Atmospheric Measurement Techniques, 2013
  6. G. Baumgarten, Doppler/Rayleigh/Mie/Raman lidar for wind and temperature measurements in the middle atmosphere up to 80km, Atmospheric Measurement Techniques, 2010
  7. a, b et c E. Barrett & O. Ben-Dov, Application of the Lidar to Air Pollution Measurements, Journal of Applied Meteorology, 1967, http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/1520-0450%281967%29006%3C0500%3AAOTLTA%3E2.0.CO%3B2
  8. P. Lewis, Lidar for vegetation applications, University College London, http://www2.geog.ucl.ac.uk/~plewis/lidarforvegetation/lidarRS.pdf
  9. a et b V. Raimondi et al, Fluorescence lidar technique for Cultural Heritage, in Handbook of the Use of Lasers in Conservation and Conservation Science, http://www.science4heritage.org/COSTG7/booklet
  10. a et b Leosphere: Wind power applications, http://www.leosphere.com/applications/wind-power
  11. a et b Leosphere, Windcube 400S-AT : Unambiguous wind shear detection for safe traffic decisions, 2013, http://www.leosphere.com/wp-content/uploads/2014/02/WINDCUBE400S-AT_LEOSPHERE_BD.pdf
  12. a et b F. Euvrard, Après Google Street View, bientôt Google Driverless, 2010, http://blogautomobile.fr/technologie-apres-google-street-view-bientot-google-alone-videos-85542#axzz1Op8Q8Umv
  13. a, b et c Radars-auto.com, Les radars laser, http://www.radars-auto.com/info-radars/modele-radar-laser.php
  14. G. Pillet et al, Wideband Dual-Frequency Lidar-Radar for High-Resolution Ranging, Profilometry and Doppler Measurement, Proceedings of SPIE vol. 7114, 2008
  15. L. D. Smullin & G. Fiocco, Institute of Electrical and Electronics Engineers Proceedings 50, 1962
  16. G. Goyer, & R. Watson, The Laser and its Application to Meteorology, Bulletin of the American Meteorological Society 44, 1963
  17. J. Abshire, NASA’s Space Lidar Measurements of Earth and Planetary Surfaces, 2010, http://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20100031189
  18. J. Ring, The Laser in Astronomy, New Scientist, 1963
  19. J. Hecht, Lidar/ladar acronyms, LaserFocusWorld.com, http://www.laserfocusworld.com/blogs/what-the-hecht/2012/03/lidar-ladar-acronyms.html
  20. http://imaging.geocomm.com/features/laserswath/
  21. J. Shaw, Optical Remote Sensing Systems : Lidar & Ladar, Montana State University, http://www.coe.montana.edu/ee/jshaw/classes/rss/rss_s12/notes/9_ee583_s12_lidar_directdet.pdf
  22. Y. Kobayashi, Photogrammetry and 3D city modeling, in Digital Architecture and Construction, WITpress, ISBN 1-84564-047-0, 2006
  23. M.K. Funk, Empire of Rock : China’s Supercaves, National Geographic, 2014, http://www.nationalgeographic.com/china-caves/
  24. Blogueur Julien@ESA, LIRIS: Laser Infra-Red Imaging Sensors demonstrator on ATV-5, 2014, http://blogs.esa.int/atv/2014/03/19/liris-laser-infra-red-imaging-sensors-demonstrator-on-atv-5/
  25. J. Abshire et al, Mars Orbital Lidar for Global Atsmopheric and Topographic Measurements, International Workshop on Instrumentation for Planetary Missions, 2012, http://ssed.gsfc.nasa.gov/IPM/PDF/Sample_abstract-IPM.pdf
  26. McElhanney, McElhanney uses LiDAR to Map Angkor Archaeological Sites, 2014, http://www.mcelhanney.com/index.php?mact=News,cntnt01,detail,0&cntnt01articleid=19&cntnt01returnid=24
  27. Successful Subsea Laser Scanner Demonstration by C & C Technologies, 2013, http://www.2grobotics.com/successful-subsea-laser-scanner-demonstration-by-c-c-technologies/
  28. A. Gschwendter & W. Keicher, Development of Coherent Laser Radar at Lincoln Laboratory, LLJ, 2000, https://www.ll.mit.edu/publications/journal/pdf/vol12_no2/12_2devcoherentlaserradar.pdf
  29. T. Miyashita et al., Vibration-based Structural Health Monitoring for Bridges using Laser Doppler Vibrometers and MEMS-based Technologies, Steel Structures, 2008, http://www.ceric.net/kssc/KSSC_3_2008_8_4_325%28C%29.pdf
  30. J.-L. Got et al., Pre-failure behaviour of an unstable limestone cliff from displacement and seismic data, Natural Hazards and Earth System Sciences, 2010, http://www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/10/819/2010/nhess-10-819-2010.pdf
  31. V. Aranchuk et al., Multi-beam laser Doppler vibrometry for landmine detection, Optical Engineering 45, 2006
  32. V. Aranchuk et al., Standoff detection of obscured vehicle with laser Doppler vibrometry, Proc. of SPIE 7303, 2009
  33. V. Jolivet et al., Feasibility of air target identification using laser radar vibrometry, Proc. of SPIE 5807, 2005
  34. Z. Zhu, Integration of Laser Vibrometry with Infrared Video for Multimedia Surveillance Display, City College of New York report for the US Air Force Research Laboratory, 2004, http://www-cs.ccny.cuny.edu/~zhu/LDV/FinalReportsHTML/CCNY-LDV-Tech-Report-html.htm
  35. R. Collis & P. Russell, Lidar Measurement of Particles and Gases by Elastic Backscattering and Differential Absorption, in Laser Monitoring of the Atmosphere, 1976.
  36. X. Chu, Lecture on Lidar Remote Sensing, University of Colorado, http://home.ustc.edu.cn/~522hyl/%B2%CE%BF%BC%CE%C4%CF%D7/UCS%BD%CC%B3%CC/Lecture07.pdf
  37. a, b et c R. Measures, Laser Remote Sensing : Fundamentals and Applications, 1992
  38. D. Bruneau et al., Wind velocity lidar measurements by use of a Mach-Zender interferometer, comparison with a Fabry-Perot interferometer, Applied Optics 43, 2004
  39. S. Burton et al., Aerosol classification using airborne high spectral resolution lidar measurements - methodology and examples, Atmospheric Measurements Techniques 5, 2012
  40. Raymetrics, Backscatter LIDAR LB100-D200, http://www.raymetrics.gr/#!backscatter-lidar/cfm5
  41. (en) « A European Aerosol Research Lidar Network to Establish an Aerosol Climatology: EARLINET » (consulté le 15/11/2014)
  42. Goddard Space Center, The Micro Pulse Lidar Network, http://mplnet.gsfc.nasa.gov/
  43. G. Goyer & R. Watson, The Laser and its Application to Meteorology, Bulletin of the American Meteorological Society 44, 1963
  44. E. Silverberg & S. Poultney, Optical radar back scattering from the mesopause region during July and August 1967, Technical Report, 1967
  45. L. Sox et al, Middle Atmosphere Temperature Results from a New, High powered, Large Aperture Rayleigh Lidar, 2012, http://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1001&context=spacegrant
  46. F. Wagner et al, Comparison of the radiative impact of aerosols derived from lidar and sunphotometer measurements : example of an Indian aerosol plume, Journal of Geophysical research, 2001
  47. Y.-G. Wang et al., Assimilation of lidar signals: application to aerosol forecasting in the Mediterranean Basin, Atmospheric Physics and Chemistry vol. 14, 2014
  48. P. Chazette et al., The mobile Water vapor Aerosol Raman LIdar and its implication in the framework of the HyMeX and ChArMEx programs: application to a dust transport process, Atmospheric Measurement Techniques 7, 2014, http://www.atmos-meas-tech.net/7/1629/2014/amt-7-1629-2014.pdf
  49. A. Miffre et al., Interpretation of Accurate UV Polarization Lidar Measurements: Application to Volcanic Ash Number Concentration Retrieval, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology vol. 29, 2012, http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/JTECH-D-11-00124.1
  50. J. Whiteway et al, Mars Water Ice Clouds and Precipitations, Science vol. 235, 2009
  51. L ; Komguem et al, Phoenix LIDAR measurements of Mars atmospheric dust, Icarus vol. 223, 2013
  52. Meteorological Station (MET) built by the Canadian Space Agency, Phoenix Mars Mission, http://phoenix.lpl.arizona.edu/science_met.php
  53. O. Reitebuch, The Wind Lidar Mission ADM-Aeolus : Recent Science Activities and Status of Instrument Development, 2008, http://www.pa.op.dlr.de/aeolus/Campaigns_Pub/Reitebuch1_ADM_Feb08.pdf
  54. N. Cezard et al., Performance evaluation of a dual fringe-imaging Michelson interferometer for air parameter measurements with a 355nm Rayleigh–Mie lidar, Applied Optics Vol. 48, 2009
  55. a et b M. Valla, Étude d'un lidar Doppler impulsionnel à laser Erbium fibré pour des mesures de champ de vent dans la couche limite de l'atmosphère, Thèse de doctorat, Télécom Paris, 2005
  56. M. Huffaker & M. Hardesty, Remote Sensing of Atmospheric Wind Velocities Using Solid-State and CO2 laser systems, Proc. of IEEE 84, 1996)
  57. G. Pearson et al., Analysis of the performance of a coherent pulsed fiber lidar for aerosol backscatter applications, Applied Optics 41, 2002
  58. ZephIR lidar, Zephir 300 - Onshore wind lidar, http://www.zephirlidar.com/products/zephir-300/
  59. S. M. Hannon & J. A. Thomson, Aircraft wake vortex detection and measurement with pulsed solid-state coherent laser radar, Journal of Modern Optics 41, 1994
  60. A. Dolfi-Bouteyre et al., Pulsed 1.5-μm LIDAR for Axial Aircraft Wake Vortex Detection based on High-Brightness Large-Core Fiber Amplifier, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 15, 2009
  61. F. Barbaresco, Radar/Lidar Sensors for Wind & Wake-vortex Monitoring on Airport: Results at Paris CDG, http://www.wakenet.eu/fileadmin/user_upload/4th_major_WN3E-Workshop/presentations/WN3E_2_08_Barbaresco_SESAR12.2.2.pdf
  62. J.-P. Cariou et al., Long Range pulsed coherent lidar for real time wind monitoring in the planetary boundary layer, Coherent Laser Radar Conference, 2012, http://www.leosphere.com/wp-content/uploads/2014/03/Long-range-scanning-pulsed-Coherent-Lidar-CLRC2012.pdf
  63. J.-P Cariou et al, All-fiber 1.5 μm cW coherent laser Anemometer DALHEC. Helicopter flight test Analysis, 13th Cohernet Laser Radar Conference, 2005
  64. Lidar Raman Raymetrics, http://www.raymetrics.gr/#!water-vapour-raman-lidar/cud2
  65. A. Ansmann et al., Combined Raman Elastic-Backscatter LIDAR for Vertical Profiling of Moisture, Aerosol Extinction, Backscatter and LIDAR Ratio, Applied Physics B Vol. 55, 1992
  66. S. H. Melfi et al, Observation of Atmospheric Fronts Using Raman Lidar Moisture Measurements, Journal of Applied Meteorology 28, 1989, http://dx.doi.org/10.1175/1520-0450(1989)028<0789:OOAFUR>2.0.CO;2
  67. D. N. Whiteman, Demonstration Measurements of Water Vapor, Cirrus Clouds, and Carbon Dioxide Using a High-Performance Raman Lidar, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 24, 2007
  68. A. Behrendt & J. Reichardt, Atmospheric temperature profiling in the presence of clouds with a pure rotational Raman lidar by use of an interference-filter-based polychromator, Applied Optics 39, 2000
  69. M. Radlach et al., Scanning rotational Raman lidar at 355 nm for the measurement of tropospheric temperature fields, Atmospheric Physics and Chemistry 8, 2008, http://www.atmos-chem-phys.net/8/159/2008/acp-8-159-2008.pdf
  70. Alcolaser: le radar capable de détecter les vapeurs d'alcool, Technosciences, http://www.techno-science.net/?onglet=news&news=8377
  71. A. Sedlacek et al., Short-range, Non-contact Detection of Surface Contamination Using Raman Lidar, Proc. of SPIE 4577, 2001, http://www.ecd.bnl.gov/pubs/BNL69445.pdf
  72. S.K. Sharma et al, Stand-off Raman instrument for detection of bulk organic and inorganic compounds, Proc. of SPIE 6554, 2007
  73. H. Ninomiya et al., Development of Remote Sensing Technology for Hydrogen Gas Concentration Measurement Using Raman Scattering Effect, IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems Vol. 129, 2009
  74. M. Trost, Detection of biological aerosols using Induced Fluorescence Lidar, http://sabotin.ung.si/~sstanic/CRA/lidar/papers/200812_Trost_MLidar.pdf
  75. R. Karpicz et al., Oil spill fluorosensing lidar for inclined onshore or shipboard operation, Applied Optics 45, 2006
  76. S. Palmer et al., Ultraviolet Fluorescence LiDAR (UFL) as a Measurement Tool for Water Quality Parameters in Turbid Lake Conditions, Remote Sensing 5, 2013
  77. M. Sasano et al., Development of boat-based fluorescence imaging lidar for coral monitoring, Proceedings of the 12th International Coral Reef Symposium, 2012, http://www.icrs2012.com/proceedings/manuscripts/ICRS2012_5A_7.pdf
  78. X. Chu et al, Lidar Measurements of Winds in the Upper Atmosphere, Univ. of Colorado at Boulder, http://cires.colorado.edu/events/lidarworkshop/LWG/Oct12/presentations/010-WindLidarUpperAtm-CHU.pdf
  79. G. Mégie & J.E. Blamont, Laser sounding of atmospheric sodium : interpretation in terms of global atmospheric parameters, Planetary and Space Sciences 25, 1977
  80. R Garner & P. Dao, Molecular nitrogen fluorescence lidar for remote sensing of the auroral ionosphere, Journal of Geophysical Research 100, 1995
  81. a et b F. Gibert, Lidar à absorption différentielle, www.cnrm.meteo.fr/ecole_lidar/IMG/pdf/Gibert-DIAL_heterodyne.pdf
  82. K. Douglass, Progress and promise in DIAL lidar, http://www.nist.gov/pml/div682/lidar.cfm
  83. NASA Langley DIAL factsheet, http://www.nasa.gov/centers/langley/news/factsheets/DIAL.html
  84. a et b E. V. Browell et al., Differential absorption lidar (DIAL) measurements from air and space, Applied Physics B 67, 1998
  85. J. A. Seabrook et al., LIDAR measurements of Arctic boundary layer ozone depletion events over the frozen Arctic Ocean, Journal of Geophysical Research: Atmospheres 117, 2011
  86. V. Wulfmeyer & J. Bösenberg, Ground-based differential absorption lidar for water-vapor profiling: assessment of accuracy, resolution, and meteorological applications, Appl. Opt. 37, 1998
  87. W. Grant et al., CO2 DIAL measurements of water vapor, Applied Optics 26, 1987
  88. T. Refaat, Performance evaluation of a 1.6-µm methane DIAL system from ground, aircraft and UAV platforms, Optics Express 21, 2013
  89. eoPortal, MERLIN : Methane Remote Sensing Mission, https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/m/merlin
  90. D. Weidauer et al., Ozone, VOC, NO2, and Aerosol Monitoring in Urban and Industrial Areas Using a Mobile DIAL System, in Advances in Atmospheric Remote Sensing with Lidar, 1997
  91. P. Rairoux et al., Remote sensing of the atmosphere using ultrashort laser pulses, Applied Physics B 71, 2000, http://www.teramobile.org/publications/rairoux.pdf
  92. G. Méjean et al., Towards a supercontinuum-based infrared lidar, Applied Physics B 77, 2003, http://www.teramobile.org/publications/lidar_ir.pdf
  93. G. Méjean et al., Remote detection and identification of biological aerosols using a femtosecond terawatt lidar system, Applied Physics B 78, 2004, http://www.teramobile.org/publications/ribo_ufraps.pdf
  94. Projet Teramobile, http://www.teramobile.org/teramobile.html
  95. D. Brown et al., Supercontinuum lidar applications for measurements of atmospheric constituents, Proc. SPIE 6950 : Laser Radar Technology and Applications, 2008
  96. A. Dobroc, Etude et réalisation de dispositifs optiques à large couverture spectrale pour la détection multi-gaz à distance, thèse, Ecole Polytechnique, 2013, https://tel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/959752/filename/manuscrit_these_Dobroc_Alexandre.pdf.

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Travaux historiques :

  • L. D. Smullin & G. Fiocco, [Project Luna See : A lunar laser ranging experiment], Institute of Electrical and Electronics Engineers Proceedings 50, 1962
  • G. Goyer & R. Watson, The Laser and its Application to Meteorology, Bulletin of the American Meteorological Society 44, 1963.
  • G. Mégie & J.E. Blamont, Laser sounding of atmospheric sodium : interpretation in terms of global atmospheric parameters, Planetary and Space Sciences 25, 1977. Premier lidar atmosphérique en France.

Ouvrages de référence :

  • R. M. Measures, Laser Remote Sensing : Fundamentals and Applications, Krieger Pub. Co., Malabar FL, 1992. (ISBN 0-89464-619-2)
  • A. P. Cracknell, L. Hayes, Introduction to Remote Sensing, Taylor and Francis Ed., London, 1991. (ISBN 978-0415335799)
  • C. Weitkamp, Lidar : Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere, Springer , 2005. (ISBN 978-0387400754)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

  • J. Stoker, USGS, Introduction au lidar aéroporté (en anglais) [1]
  • X. Chu, Lidar à fluorescence résonnante (en anglais) [2]
  • P. Flamant, Fondamentaux lidar [3]
  • J. Pelon, Missions spatiales lidar [4]