Lidars atmosphériques et météorologiques - Principes fondamentaux

Le lidar est une méthode de mesure optronique active qui utilise des lasers pour sonder dans leurs profondeurs les milieux peu denses comme l’atmosphère et les zones aquatiques, et mesurer la distance aux volumes diffusants ou à des cibles solides (sols, bâtiments…). L’instrument lidar combine des composants optiques, électroniques et numériques. Le mot lidar est une abréviation de l’anglais « light detection and ranging ». La méthode repose sur la propagation d’une impulsion laser courte suivie par la détection de la lumière renvoyée par le milieu. Le temps d’aller-retour entre l’émission laser et la détection détermine la distance à la zone diffusante ou à la cible réfléchissante. Les propriétés optiques des milieux sondés s’obtiennent par analyses spectrales et polarimétriques de la lumière diffusée, tandis que les propriétés dynamiques (champs de vitesse, turbulence) s’obtiennent par analyse Doppler. Le lidar est utilisé pour des cibles distantes de quelques dizaines de mètres à plusieurs centaines de kilomètres (lidar spatial), voire plus lointaines (mesure de la distance Terre-Lune).

Le principe de la méthode lidar atmosphérique a été testé dans les années 1930-1940 avec des projecteurs lumineux très intenses. À partir des années 1962-1963, les lidars utilisent exclusivement des lasers, impulsionnels de préférence. De manière pratique, les applications lidar ont pris une grande importance à la fin des années 1990 à la suite d’avancées techniques majeures dans les domaines des lasers et des détecteurs, mais aussi des ordinateurs portables pour la gestion, l’affichage en temps réel et l’analyse des données.

Depuis les années 2000, la communauté lidar atmosphérique s’est diversifiée en s’ouvrant aux applications de service à côté d’une recherche innovante toujours très active. Les applications nouvelles sont dues :

• aux progrès techniques conduisant à la miniaturisation d’instruments fiables ;

• à l’utilisation de nouveaux vecteurs (avions, drones, satellites) ;

• à des activités coordonnées en réseaux, offrant ainsi une gamme continue de couverture temporelle et géographique, du local au global.

Ces innovations ont conduit à l’augmentation considérable des volumes de données qui associés à la multitude d’informations en provenance d’autres sources ont créé une émulation big data au sein de la communauté lidars atmosphérique et météorologique. Celle-ci s’est enrichie d’utilisateurs non spécialistes lidar intéressés par le traitement et l’analyse des données pour conduire des travaux plus généraux sur la géophysique ou le climat par exemple. Ainsi, le lidar s’est banalisé et doit être étudié comme partie intégrante des méthodes de télédétection.

Le présent article traite des principes lidar fondamentaux comme préalable aux applications atmosphériques et météorologiques [E 4 311]. Le premier paragraphe sert aussi d’introduction aux « Géolidars pour l’étude des surfaces, de la biosphère et de l’hydrosphère » [E 4 312]. Ces trois articles doivent permettre au lecteur de partager une culture générale et de l’aider à concevoir l’instrument lidar pour son application. Il pourra ainsi rédiger un cahier des charges pour sélectionner un produit commercial ou réaliser un prototype. Dès à présent, on se doit de souligner que l’utilisation d’un lidar demande le strict respect des règles de sécurité, en particulier la sécurité oculaire liée à l’utilisation des lasers.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des sigles, constantes, indices et symboles utilisés.