Article

1 - PRÉSENTATION GÉNÉRALE

2 - SPECTROSCOPIES ATMOSPHÉRIQUES

3 - PRINCIPE DU LIDAR ATMOSPHÉRIQUE

4 - CONCEPTION D’UN INSTRUMENT LIDAR

5 - COMPOSANTS LIDAR

6 - MESURES LIDAR

7 - CONCLUSION

8 - GLOSSAIRE

9 - SIGLES, INDICES, CONSTANTES ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : E4310 v2

Lidars atmosphériques et météorologiques - Principes fondamentaux

Auteur(s) : Pierre H. FLAMANT

Relu et validé le 30 août 2021

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RÉSUMÉ

L’article présente le lidar dans ses différents aspects traitant de l’instrumentation, de la spectroscopie atmosphérique et des signaux. Ceux-ci sont présentés sous une forme aisément utilisable par le lecteur pour cerner ses besoins et répondre à ses objectives. Tout en continuant une recherche innovante, à partir des années 2000, la communauté lidar s’est investie dans les applications de service et les missions spatiales.

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ABSTRACT

Atmospheric and Meteorological Lidars Basic principles

This article presents the lidar, with reference to instrument techniques, atmospheric spectroscopy and signals. These are presented in a reader-friendly way to define actual needs and meet objectives. While maintaining an innovative research activity, since the 2000s the lidar community has broadened out to embrace new activities in networking and space missions.

Auteur(s)

  • Pierre H. FLAMANT : Directeur de recherche émérite au CNRS, Institut Pierre Simon Laplace (IPSL), Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS), Université Pierre et Marie Curie, Paris, France

INTRODUCTION

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.

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KEYWORDS

instrumentation   |   remote sensing   |   lidar   |   atmosphere

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e4310

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BATES (D.R.) -   Rayleigh scattering by air.  -  Planet. Space Sci., 32, p. 785-790 (1984).

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  • (6) - SUTTON (J.A.), DRISCOLL (J.F.) -   Rayleigh scattering cross...

1 Outils logiciels

Spectroscopie moléculaire (et plus) :

FASCODE http://www.jcdpublishing.com/software.html

GEISA http://ether.ipsl.jussieu.fr/

HITRAN http://cfa-www.harvard.edu/hitran/

Diffusion optique par les particules – Codes numériques (et plus) :

Scatterlib, Flatau Piotr J. https://code.google.com/p/scatterlib/, dernières corrections en août 2011

MiePlot, Laven P. http://www.philiplaven.com/mieplot.htm, un classique pour Lorenz-Mie et Debye et grosses particules, dernières corrections en octobre 2015

T-Matrix, Mishchenko M. http://www.giss.nasa.gov/~crmim/t_matrix.html, dernières corrections en janvier 2013

Prahl S. http://omlc.ogi.edu/calc/mie_calc.html, code « on-line »,...

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