Présentation
RÉSUMÉ
Le LiDAR 3D est une technique d’imagerie active délivrant une information spatiale tridimensionnelle d’un objet. Une telle technique apporte des réponses nouvelles tant pour la navigation que pour la cartographie. Cet article a pour objectif de comprendre la physique de la mesure associée à cette technique et ses principaux modes de fonctionnement : mesure de temps de vol, modulation d’amplitude ou de fréquence. Suit une présentation des technologies utilisées. Enfin, deux utilisations sont détaillées afin d’illustrer le potentiel du LiDAR 3D pour des applications de navigation à courte / moyenne distance ou de cartographie à plus longue portée (au-delà du kilomètre).
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3D LiDAR is an innovative technique of active imagery able to deliver tridimensional information of an object. Such an approach brings new answers to improve navigation and cartography. This article aims at understanding the physic of the measure from the laser source up to data processing and its operating modes: time of flight, amplitude or frequency modulation. Then, the main technological bricks are presented followed by two main applications: navigation at short/medium range and cartography at long range (> 1 km).
Auteur(s)
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Xavier BRIOTTET : Directeur de recherches ONERA - DOTA, ONERA, Toulouse, France
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Laurent HESPEL : Responsable de l’unité de recherches IODI - DOTA, ONERA, Toulouse, France
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Nicolas RIVIÈRE : Maître de recherches ONERA - DOTA, ONERA, Toulouse, France
INTRODUCTION
Contrôler la vitesse de déplacement des automobilistes, prendre des mesures topographiques, caractériser les forêts, cartographier un site industriel depuis un drone, inspecter des lignes électriques par hélicoptère ou encore doter un robot ou un véhicule autonome d’une vision 3D... Toutes ces applications utilisent une même technique, le LiDAR 3D qui mesure la distance entre un objet et l’instrument. Ce système de détection par éclairement laser est devenu incontournable dans de très nombreuses applications, tout particulièrement dans le domaine des véhicules autonomes dont l’avènement pourrait marquer son âge d’or. Les méthodes de mesure associées sont classées habituellement en trois catégories : interférométrie, méthodes de triangulation et temps de vol. Cet article ne traitera pas des méthodes interférométriques ou de triangulation qui ne sont pas adaptées au domaine de distance visé par cet article. Pour l’utilisation des méthodes 3D à partir de techniques interférométriques, les auteurs recommandent l’article [R 1 320] ainsi que l’article [R 1 332] pour les méthodes de triangulation.
Les progrès importants ces dernières années tant au niveau des sources laser, des détecteurs que des capacités de traitement rendent attractives les méthodes de mesure de temps de vol. En effet, le LiDAR 3D est une technique d’imagerie active permettant d’acquérir rapidement et précisément une information spatiale tridimensionnelle d’un objet. Cette technologie a fortement évolué ces 20 dernières années par la richesse des informations délivrées, la compacité des instruments et la qualité des traitements. Cet article a pour objectif de comprendre la physique de la mesure associée à cette technique, ses modes de fonctionnement liés aux types de sources et les méthodes de détection utilisées. Les trois principaux principes de fonctionnement d’un tel LiDAR reposent sur la mesure directe du temps de vol, la modulation d’amplitude ou de fréquence. Suit une présentation des technologies utilisées. Enfin, deux utilisations sont détaillées afin d’illustrer le potentiel de cette technique. La première se concentre sur la télémétrie courte/moyenne portée pour la navigation (quelques dizaines de mètre) et la seconde sur la télémétrie longue portée pour la cartographie (au-delà du kilomètre).
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
3D | lidar | navigation | telemetry | cartography
DOI (Digital Object Identifier)
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2. Simulateur
La simulation du signal LiDAR 3D permet l’étude des performances d’un système complet à partir de scènes identifiées en fonction de l’application visée. Cette approche numérique est également utile pour développer des algorithmes de traitement à partir des nuages de points simulés.
Schaefer et al. ont développé un modèle physique du signal pour améliorer les méthodes de localisation et de cartographie d’un robot mobile en environnement extérieur. Elmadawi et al. proposent une approche à base de réseaux de neurones profonds pour le guidage de véhicules autonomes.
Pour les besoins de la télédétection aéroportée voire spatiale, plusieurs modèles ont été développés. Le code DART est un outil efficace pour réaliser des études environnementales depuis l'espace. Il modélise le transfert radiatif dans le système Terre-atmosphère du visible à l’infrarouge thermique, simule les images issues de capteurs passifs et actifs (LiDAR 3D) aéroportés,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - AMANN (M.-C.), BOSCH (T.), LESCURE (M.), MYLLYLÄ (R.), RIOUX (M.) - Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement. - Opt. Eng. 40(1) 10–19, January 2001.
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(2) - ROYO (S.), BALLESTA-GARCIA (M.) - An Overview of Lidar Imaging Systems for Autonomous Vehicles. - Appl. Sci., 9, 4093 (2019). Doi:10.3390/app9194093.
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(3) - ANDREWS (L. C.), PHILLIPS (R.L.) - Laser Beam Propagation through Random Media. - Second Edition, Spie Press Book, Pages: 808, ISBN: 9780819459480, Volume: PM152, 16 September 2005.
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(4) - ISHIMARU (A.) - Wave Propagation and Scattering in Random Media. - Electrical Engineering Wave Propagation and Scattering in Random Media A volume in the IEEE/OUP Series on Electromagnetic Wave Theory Donald G. Dudley, Series, Wiley-IEEE Press, Pages: 600 / Chapters 1-35, Online ISBN: 9780470547045. Print ISBN: 9780780347175 (1997).
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(5) - WEICHEL (H.) - Laser Beam Propagation in the Atmosphere. - Spie Press Book, Pages: 108, ISBN: 9780819404879, Volume: TT03, 1 October 1990.
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Outils de modélisation de scène LiDAR :
DART :
http://www.cesbio.ups-tlse.fr/us/dart/dart_model.html
DIRSIG :
Liste non exhaustives d’outils d’exploitation de nuages de points 3D et quelques applications :
PCL (Point Cloud Library) :
http://caor-mines-paristech.fr/fr/recherche/3d-modeling/ https://geometryfactory.com/portfolio/point-cloud-classification/
https://www.3dreshaper.com/fr/software-fr/
Utilitaires pour traitement des données LiDAR :
Affichage de nuages de points 3D :
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