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Lidars atmosphériques et météorologiques - Principes fondamentaux

Le lidar est une méthode de mesure optronique qui utilise un laser pour sonder à distance les milieux étendus peu denses comme l'atmosphère terrestre, ou restituer la structure et la topographie des surfaces et des couverts naturels ou urbanisés. Le mot lidar est une abréviation de l'anglais « light detection and ranging ». Le lidar a pris de l'importance en recherche et dans l'industrie depuis les années 1980. Il est utilisé dans des domaines variés :

• atmosphère, qualité de l'air et pollution (voir l'article [E 4 315]), mais aussi climat et météorologie ;

• topographie de surfaces terrestres et de zones urbanisées ;

• couverts végétaux, canopées ;

• géologie ;

• zones inondées, bathymétrie ;

• pollution marine.

Les applications atmosphériques intéressent une large communauté scientifique qui prend en charge les développements instrumentaux et algorithmiques (voir l'International Coordination Group for laser Atmospheric Studies : ICLAS), tandis qu'une communauté d'utilisateurs et de partenaires industriels prend en charge les autres applications (voir l'International Lidar Mapping Forum). Le présent article ne traite que du lidar atmosphérique.

Comme leur nom l'indique, les lidars atmosphériques et météorologiques sont utilisés pour l'étude des phénomènes atmosphériques et des processus qui règlent leurs cycles de vie. Les observations sont conduites de manière régulière par des réseaux (comme EARLINET en Europe) ou au cours de campagnes d'études. Les applications aéroportées ont été rendues possibles par les avancées techniques dans de nombreux domaines. La généralisation des applications sol, aéroportées et spatiales, requiert des instruments compacts, fiables et sécurisés. De même, la mise en œuvre par un personnel technique non spécialiste est à prendre en compte dès la conception et pour la rédaction d'un manuel d'utilisation et de modes opératoires.

Un premier lidar spatial LITE a été expérimenté avec succès par la NASA en 1994, ce qui a conduit à de nouveaux programmes de lidar dans l'espace pour la première décennie du XXI^e siècle (voir l'article suivant sur les méthodes et applications des lidars atmosphériques et météorologiques [E 4 311]).

Pour les applications scientifiques et industrielles, il est utile de chiffrer ce qu'un lidar peut apporter par comparaison avec d'autres techniques : mesures in situ (voir « Mesures en météorologie » [R 3 050]), radiométrie, radar ou sodar. Dans tous les cas, une utilisation industrielle certifiée demandent des protocoles de validation, ce qui dans un premier temps limite les applications. De même, les règles strictes de sécurité oculaire liées à l'utilisation des lasers apportent aussi leurs contraintes.

Un marché industriel innovant se développe autour de PME européennes (Léosphère, CIMEL, et Raymetrics...), qui offrent des produits commerciaux pouvant répondre à des besoins d'utilisateurs institutionnels. Cependant, il reste que les applications nouvelles sont initiées et mises en œuvre par les organismes de recherche (en France : CNRS, universités, CNES), avec à terme une possibilité de transfert vers les PME innovantes.

Le présent article et sa suite [E 4 311] ont pour objectif d'expliquer le fonctionnement des lidars conçus pour les différentes applications. Ils devraient permettre au lecteur de concevoir le lidar correspondant à son application et d'écrire un cahier des charges en vue d'une réalisation. Le premier article [E 4 310] traite des principes généraux et de ce qu'il faut savoir pour aborder efficacement le deuxième article [E 4 311] qui traite de manière plus directe des applications du lidar à l'étude de l'atmosphère.