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 ; -
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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