Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Abréviation de l’anglais « light detection and ranging », le lidar désigne une méthode de mesure optronique qui se fonde sur les caractéristiques d’une lumière laser après diffusion par le milieu à étudier (étendu et peu dense), c’est-à-dire après interaction avec les molécules et particules en suspension. La complexité de l’instrumentation, ainsi que sa mise en œuvre (compacité, fiabilité, sécurisation…), sont fonction de l’application recherchée (atmosphérique, industrielle, scientifique). L’article explique le principe et le fonctionnement des différents lidars existants sur le marché et la nécessité de rédiger un cahier des charges pour y préciser les paramètres importants : grandeur à mesure, portée, précision, échantillonnage spatial et temporel.
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The abbreviation for "light detection and ranging", the Lidar is an optoelectronic measurement method which is based on the characteristics of a laser light after its diffusion by the medium to be studied (large and of low density), i.e. after interaction with airborne molecules and particles. The complexity of the instrumentation and its implementation (compactness, reliability, security, etc.) depends on the desired application (atmospheric, industrial, and scientific). The article explains the principle and operation of the various existing Lidar on the market and the need for specifications for essential parameters: measurand, scope, accuracy, as well as spatial and temporal sampling.
Auteur(s)
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Pierre H. FLAMANT : Directeur de recherche au CNRS, laboratoire de météorologie dynamique/ Institut Pierre-Simon-Laplace, unité mixte École normale supérieure/ École polytechnique/CNRS/université Pierre-et-Marie-Curie
INTRODUCTION
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 :
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atmosphère, qualité de l'air et pollution (voir l'article [E 4 315]), mais aussi climat et météorologie ;
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topographie de surfaces terrestres et de zones urbanisées ;
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couverts végétaux, canopées ;
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géologie ;
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zones inondées, bathymétrie ;
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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 XXIe 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.
Le mot lidar (light detection and ranging ) a été proposé dans les années 1950, bien avant l'avènement du premier laser à rubis en 1960. L'usage veut que le mot ne prenne pas le pluriel sauf lorsqu'on parle des lidars en tant qu'instruments. Les noms ladar pour laser detection and ranging et laser-radar sont aussi utilisés, même si le nom lidar tend à se généraliser. Dès la fin des années 1930, des études lidar portant sur la détection des nuages pour la météorologie opérationnelle et l'aéronautique ont été conduites par des ingénieurs français pionniers dans ce domaine. Leurs travaux, interrompus par la Seconde Guerre mondiale, ont abouti plus tard mais aux États-Unis. Cela dit, c'est bien l'avènement du laser qui va permettre l'essor du lidar en recherche atmosphérique sur le principe de ce qui a été accompli avec le radar. Les premières mesures lidar par laser sont publiées dès le début des années 1960.
Elles étaient effectuées de nuit à partir du sol pour sonder la région de l'atmosphère située à une trentaine de kilomètres d'altitude. Comme souvent, on n'a pas commencé par le plus facile. Ensuite, et en moins d'une dizaine d'années, les différentes techniques lidar ont été testées et mises au point. La démonstration étant faite en termes de performance : portée, sensibilité et précision, la technologie très limitée des années 1960-1970 n'a pas permis l'essor du lidar atmosphérique. Il faudra attendre les années 1990 pour cela. Il est bon de souligner que les premiers expérimentateurs se devaient de tout faire à partir des quelques composants dont ils disposaient : construire leur laser, assembler leur lidar, collecter les données géophysiques sous forme analogique au moyen d'oscilloscopes, les traiter avec de gros ordinateurs peu performants utilisant des cartes perforées, et pour finir, les analyser en termes géophysiques.
La radiométrie optique passive utilise le rayonnement solaire direct ou diffusé par les molécules et les particules, ou le rayonnement thermique de l'atmosphère. Un radiomètre utilise un télescope récepteur alors qu'un lidar utilise un laser émetteur associé à un télescope récepteur. Si le laser émet des impulsions, les mesures lidar sont résolues en distance. Les mesures passives quant à elles sont intégrées sur toute la colonne entre l'instrument et les différentes zones diffusantes ou émettrices. La mesure lidar est monochromatique alors que la mesure radiométrique s'effectue sur un domaine spectral plus ou moins large, mais que l'on peut résoudre par l'emploi d'éléments dispersifs (réseau de diffraction, interféromètre).
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- Version courante de juil. 2017 par Pierre H. FLAMANT
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Spectroscopie3. Laser et détection
L'émetteur laser et le mode de détection photoélectrique sont deux sous-systèmes essentiels, car le premier détermine l'intensité des signaux atmosphériques sL (r ), tandis que le second détermine tout à la fois la forme temporelle (continue ou alternative radiofréquence), la statistique et le rapport signal sur bruit.
3.1 Émetteur laser
Les longueurs d'onde utilisées, fixes ou accordables, couvrent tout le domaine spectral du proche UV à l'IR thermique. Une très faible largeur spectrale et une grande stabilité spectrale sont nécessaires pour les techniques lidar « absorption différentielle laser » et changement de fréquence par « effet Doppler ». Les puissances optiques moyennes sont comprises entre 0,1 W et plusieurs dizaines de watts, les énergies par impulsion vont d'une dizaine de microjoules à plusieurs centaines de millijoules pour des fréquences de répétition comprises entre une dizaine de kilohertz et quelques dizaines de hertz.
L'utilisation de lasers puissants et très directifs conduit à prendre très au sérieux la sécurité oculaire tant pour les utilisateurs eux-mêmes que pour le public, et à respecter les normes internationales. À cet effet, la norme CEI 60825-1 de I'International Electrotechnical Commission précise les valeurs d'exposition maximale permise (EMP, en J · m–2) soit en monocoup, soit en fonction de la fréquence de répétition. Signalons aussi la norme ST-ANSI Z136.1-2000 « for the safe use of lasers ». Suivant ces normes, les domaines de tolérances les moins limitants en EMP sont compris entre :
et pour
, le maximum d'EMP étant atteint entre 1,6 et 1,7 μm, le minimum étant situé entre 0,4 et 0,7 μm. La valeur minimale est inférieure de 4 à 5 ordres de grandeur aux valeurs maximales. Pour un laser Nd:YAG, l'EMP monocoup est de 50 mJ · m–2 à 1,06 μm, 5 mJ · m–2 à 0,53 μm et 50 J · m–2 à 0,355 μm. Les valeurs précédentes sont réduites d'un...
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Laser et détection
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BACHMAN (C.G.) - Laser Radar Systems and Techniques. - Norwood (MA) : Artech House, Boston & London (1979).
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(2) - BANKH (V.A.), MIRONOV (V.L.) - Lidar in a turbulent atmosphere. - Artech House, Boston & London (1987).
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(4) - HINKLEY (E.D.) - Laser monitoring of the atmosphere. - Springer-Verlag, Berlin, (Ed.) (1976).
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(5) - JELALIAN (A.V.) - Laser radar systems. - Artech House, Boston (1992).
-
(6) - KINGSTON (R.H.) - Detection of Optical and Infrared Radiation. - Springer, Berlin (1978).
-
(7)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Sécurité des appareils à laser. Partie 1 : classification des matériels et exigences. - CEI 60825-1 - 2007
-
American National Standard for safe Use of Lasers. - ANSI Z136.1 - 2007
FASCODE http://www.jcdpublishing.com/software.html
HITRAN http://cfa-www.harvard.edu/hitran/
MODTRAN http://geosci.uchicago.edu/~archer/cgimodels/radiation.html
GEISA http://ara.lmd.polytechnique.fr/htdocs-public/products/GEISA/HTML-GEISA/GeisaAccess.html
HAUT DE PAGE
International Lidar Mapping Forum (annuel) http://www.lidarmap.org/
HAUT DE PAGE
International Coordination Group for Laser Atmospheric Studies (ICLAS) http://iclas.hamptonu.edu/
European Aerosol Research Lidar Network to establish an aerosol Climatology (EARLINET) http://www.earlinet.org/
Agence spatiale européenne (ASE), programme Living Planet (les projets de missions sont à rechercher dans Earth Explorers) http://www.esa.int/esaLP/
Centre national...
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