Lidars télémètres laser à balayage

Ce lidar balaye son environnement avec un faisceau laser et mesure pour chaque point balayé sa distance au lidar, permettant la reconstruction d'un modèle tridimensionnel de la scène.

Le type de lidar le plus simple et le plus répandu demeure le télémètre laser qui calcule directement la distance ${\displaystyle z}$ d’un objet réfléchissant les impulsions laser émises, à partir de la différence de temps entre l’émission d'une impulsion ${\displaystyle t_{0}}$ et la réception de l’écho le plus important ${\displaystyle t_{echo,max}}$ :

${\displaystyle z={\frac {c}{2}}(t_{echo,max}-t_{0})}$

avec ${\displaystyle c}$ la vitesse de la lumière (environ 299 800 km s⁻¹). La précision de cette mesure est inversement proportionnelle à la durée de l’impulsion et augmente avec l’énergie que l’on est parvenu à récupérer sur le photodétecteur du lidar.

On appelle « équation lidar » le bilan de liaison du lidar entre son émission et sa réception, c’est-à-dire l’énergie lumineuse ${\displaystyle E}$ de l’impulsion rétrodiffusée par une cible (supposée lambertienne, c'est-à-dire qui diffuse la lumière uniformément) située à une distance ${\displaystyle z}$ et captée par le lidar^[23] :

${\displaystyle E(z)=E_{0}F_{R}(z)T_{atm}^{2}(z){\frac {T_{R}A_{R}}{z^{2}}}{\frac {\rho }{\pi }}{\frac {A_{cible}(z)}{A_{spot}(z)}}}$

Dans cette équation :

• ${\displaystyle E_{0}}$ représente l’énergie initiale de l’impulsion émise (en J) ;
• ${\displaystyle F_{R}(z)}$ est la fonction de recouvrement entre le faisceau émis et le cône de réception du lidar (à valeur entre 0 et 1) ;
• ${\displaystyle T_{atm}(z)}$ est la transmission (à valeur entre 0 et 1) de l’atmosphère sur l’épaisseur ${\displaystyle z}$ (cf. section lidar atmosphérique) ;
• ${\displaystyle T_{R}}$ est la transmission (à valeur entre 0 et 1) et ${\displaystyle A_{R}}$ la surface (en m²) du système optique de réception ;
• ${\displaystyle \rho }$ est l’albédo de la cible (à valeur entre 0 et 1) ;
• ${\displaystyle A_{cible}}$ est la surface de la cible éclairée par le laser (en m²) ; ${\displaystyle A_{spot}(z)}$ est la surface totale (en m²) de la tache (« spot ») laser à la distance ${\displaystyle z}$. Par définition, ${\displaystyle A_{cible}\leq A_{spot}}$, d’où ${\displaystyle {\frac {A_{cible}(z)}{A_{spot}(z)}}=1}$ pour une cible résolue (cible plus grande que le faisceau) et ${\displaystyle {\frac {A_{cible}(z)}{A_{spot}(z)}}\propto {\frac {1}{z^{2}}}\ }$ pour une cible non résolue (cible moins grande que le faisceau).

Application numérique : pour ${\displaystyle F_{R}(z)=100\%}$, ${\displaystyle T_{atm}(z)=90\%}$ (propagation sur 1 km en visée horizontale en visibilité moyenne), ${\displaystyle T_{R}=60\%}$ (optiques et filtres compris), ${\displaystyle A_{R}=20}$ cm² (optique de 5 cm de diamètre), ${\displaystyle \rho =30\%}$, cible résolue à une distance ${\displaystyle z=1}$ km, on a :

Principe du lidar télémètre à balayage.

${\displaystyle E(z)\approx 10^{-10}E_{0}}$

Seul un dix-milliardième de l’énergie émise est récupérée à la réception.

Le laser émet de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de milliers d’impulsions chaque seconde. En y associant un système de balayage angulaire (« scanner », typiquement à l’aide de miroirs qui dévient l’axe d’émission et de réception d’un angle connu), où en profitant du déplacement connu du porteur du lidar (avion ou satellite), on est capable de localiser les nombreux échos recueillis dans l’espace à trois dimensions. Ceci permet la cartographie en 3D de la surface de la cible du lidar, avec une précision qui peut atteindre quelques centimètres, ou une portée qui peut atteindre plusieurs centaines de kilomètres pour des systèmes spatiaux.

Parmi les très nombreuses applications de ces lidars, on peut citer :

• la reconstitution en 3D d’environnements pour l’architecture, l’urbanisme^[24], ou l’exploration spéléologique^[25],
• la télémétrie en temps réel pour le guidage automatique de véhicules terrestres^[12] (voiture autonome et systèmes d'aide à la conduite) ou spatiaux^[26] (rendez-vous orbital, exemple : ATV-5 Georges Lemaître),
• le contrôle de vitesse portatif pour la sécurité routière (jumelles dites à « radar laser »^[13]) par télémétrie différentielle : on mesure la variation de la distance de la cible en fonction du temps.
• depuis un avion ou depuis l’orbite, la topographie à haute précision de la Terre^[2] (lidar GLAS des satellites ICESat) ou des corps rocheux du système solaire^[27] (altimètre MOLA de la sonde martienne Mars Global Surveyor) pour obtenir un modèle numérique de terrain. En archéologie et géomorphologie cette technique aide à détecter des sites enfouis sous la végétation^[28] ou l’eau^[29] ou bouleversés par la guerre^[30],[31]. En février 2018, une équipe découvre une cité maya de plus de 2 000 km² au Guatemala^[32]. En foresterie, elle sert à mesurer la hauteur de la canopée ou de la couronne des arbres, ce qui permet d’établir des bilans de couverture végétale, de biomasse ou de risque incendie à de très grandes échelles^[2]. Dans ce dernier cas, on note l’utilisation de lidars à large empreinte et à « onde complète » qui extraient les structures de la même manière que les lidars atmosphériques détaillés ci-après.

Vue de Folsom Street (en) (San Francisco) par un lidar Ouster OS1 monté sur une voiture. L'image est une projection orthogonale de points capturés par un système de cartographie et localisation simultanées. Chaque point est coloré en fonction de l'intensité du signal retour.

Lidars à détection cohérente pour la mesure de vitesse

De par sa capacité à détecter un décalage en fréquence, le lidar à détection cohérente s'applique directement à la mesure de vitesse d'une cible dure.

Le signal hétérodyne, partie variable du courant en sortie du photodétecteur (en A), s’écrit :

${\displaystyle i_{het}(t)=i_{0}\cos(2\pi (\Delta f_{0}+2{\frac {V_{r}}{\lambda }})t+\phi )}$

avec ${\displaystyle \Delta f_{0}}$ le décalage fixe imposé à l’oscillateur local, ${\displaystyle V_{r}}$ la vitesse radiale de la cible (projetée vers le lidar), ${\displaystyle \lambda }$ la longueur d’onde émise et ${\displaystyle i_{0}}$ donné par l’équation lidar adaptée au cas du lidar cohérent (en supposant l’émission laser continue) :

${\displaystyle i_{0}^{2}(z)=4\eta _{het}^{2}S^{2}P_{0}P_{OL}F_{R}(z)T_{atm}(z){\frac {T_{R}A_{R}}{z^{2}}}{\frac {\rho }{\pi }}{\frac {A_{cible}(z)}{A_{spot}(z)}}}$

Dans cette équation, plusieurs termes nouveaux apparaissent (les autres sont explicités dans la sous-section précédente) :

• ${\displaystyle \eta _{het}}$ le rendement hétérodyne (à valeur entre 0 et 1), d’autant meilleur que les fronts d’ondes interférents se ressemblent, et très sensible à la propagation du faisceau,
• ${\displaystyle S}$, la sensibilité du photodétecteur (en A/W),
• ${\displaystyle P_{0}}$, la puissance émise (en W),
• ${\displaystyle P_{OL}}$, la puissance de l’oscillateur local (en W).

Le traitement du signal s’effectue par l’estimation de la fréquence instantanée du signal hétérodyne (opération parfois appelée démodulation, comme en radio), afin de remonter à la vitesse de la cible. Il est à noter que, le lidar ayant une longueur d’onde 10 000 fois plus courte que le radar, la sensibilité en vitesse est d’autant décuplée par rapport aux radar Doppler : 1 MHz de décalage en fréquence correspond approximativement à une vitesse de 1 m/s. Sur des périodes longues, avec une émission laser continue visant une cible dure, on est ainsi capable de sonder des vitesses inférieures au micromètre par seconde.

La surveillance des méga-structures (grands bâtiments, ponts...) par leurs modes de vibration est l’une des applications civiles de la vibrométrie par lidar à detection cohérente : les vibrations naturelles sont ralenties et amorties après un endommagement.

Applications:

Jusqu’à la fin des années 1990, seuls d’imposants et coûteux lasers à gaz CO₂ (infrarouge thermique, ${\displaystyle \lambda =10,6}$ µm) avaient les caractéristiques nécessaires de finesse spectrale et de puissance, réservant ce lidar à des applications militaires apparentées au radar^[33]. Il s’agit principalement de l’imagerie/télémétrie/vélocimétrie à très grande portée (jusqu’à plusieurs centaines de kilomètres). Il est possible d’aller sonder jusqu’à la forme et les mouvements des satellites et débris spatiaux en orbite terrestre basse, inaccessible aux radars, dont le faisceau est trop divergent.

Par la suite, le développement des lasers fibrés (infrarouge proche, ${\displaystyle \lambda =1,55}$ µm), compacts, robustes et moins onéreux, ont ouvert d’autres champs d’application sur cible dure, notamment la vibrométrie laser à grande distance :

• pour la surveillance de la santé mécanique des grandes structures par leurs modes de vibration naturels, qu’il s’agisse d’ouvrages d’art^[34], d’une falaise sur le point de se décrocher^[35] ou des grands bâtiments d’une ville^[4] après un séisme. L’intérêt est de ne pas avoir à s’approcher d’une structure qui peut potentiellement s’effondrer, ou de pouvoir balayer sa surface pour étudier la forme des modes de vibration (par exemple pour repérer des discontinuités causées par des fissures) sans avoir à y déposer des dizaines de capteurs.
• pour la détection de mines terrestres enfouies, révélées par un scan des vibrations du sol soumis à une excitation sonore^[36]
• par ailleurs, dans la défense, les lidars vibromètres sont applicables à la détection^[37] et à l’identification à grande distance^[38] de véhicules terrestres ou aériens par leurs vibrations spécifiques, ou encore à l’espionnage^[39]. Ces applications sont toutefois relativement récentes et donc exploratoires.

Lidars à rétrodiffusion (Rayleigh, Mie ou Raman)

Ces lidars sont pour la plupart basés sur des lasers puissants (énergie de plus de 10 mJ par impulsion) émettant entre le proche infrarouge et le proche ultraviolet. La longueur d'onde sera choisie courte si l'on souhaite maximiser l’interaction avec les molécules et petites particules (cas Rayleigh/Raman)^[42], ou longue dans le cas contraire (cas Mie). De nos jours, les lasers au néodyme, émettant à 1 064 nm (proche infrarouge), 532 nm (vert) et/ou 355 nm (proche ultraviolet) par doublage ou triplage de fréquence, sont souvent employés.

Détail de l'interaction laser-atmosphère en lidar atmosphérique et éléments de calcul de l'équation lidar.

Cas particulier du « lidar vent » : lidar Mie à détection cohérente

Reconstitution du vecteur vent en 3 dimensions par un lidar vent mesurant la vitesse radiale par effet Doppler suivant différents axes.

Le système communément appelé « lidar vent » est un lidar à diffusion de Mie à détection cohérente hétérodyne, monostatique (une seule optique d'émission et de réception), pour la mesure du champ de vent dans la couche limite atmosphérique : il donne vitesse et direction du vent en fonction de l'altitude, potentiellement jusqu'à 1 ou 2 km, dans la couche proche du sol où des particules (aérosols) réfléchissent son émission. Il s'agit donc d'une version dans le spectre visible du profileur de vents.

L'amplitude du signal peut-être exploitée pour calculer la concentration des aérosols, mais on s'intéresse majoritairement à la phase du signal, dont la dérivée est proportionnelle à la vitesse radiale (projetée sur l'axe du faisceau) du vent V_r de par l'effet Doppler.

S'il n'a accès qu'à la composante radiale de la vitesse du vent, comme figuré ci-contre, une mesure suivant 3 axes ou plus (avec une précision ~cm/s) suffit en théorie à reconstituer, par changement de base, le vecteur vent en trois dimensions (avec une précision meilleure que le m/s). En pratique, on opère souvent un balayage du faisceau incliné suivant un cône autour de la verticale^[59], pour mesurer la vitesse suivant des axes multiples.

Applications : Développé dans les années 1980 pour la dynamique atmosphérique par la NOAA à l'aide d'imposants laser CO₂ (longueur d'onde 10,6 µm) continus puis des lasers solides Tm/Ho:YAG (2 µm)^[60], il se répand plus largement dans les années 2000 grâce à la technologie des lasers à fibre à 1,55 µm^[61],[59] dont les composants issus de l'industrie des fibres optiques pour les télécommunications sont fabriqués en grande série. Il est à noter que la résolution en distance est parfois obtenue par défocalisation sur des systèmes fibrés à émission continue^[62], le rendement hétérodyne étant beaucoup plus élevé au point de focalisation d'un faisceau convergent.

• Prospection du profil vertical de vent en amont de l'implantation d'un parc éolien pour prévoir sa production énergétique^[10].
• Surveillance des tourbillons de sillage, en bout^[63] ou sur toute la longueur^[64] des pistes de décollage des aéroports, pour régler les intervalles de départ dans les hubs internationaux à fort trafic tels que l'aéroport de Paris-Charles-de-Gaulle^[65].
• Cartographie des champs de vent autour des aéroports pour détecter les cisaillements de vent dangereux à l'atterrissage^[11],[66].
• Mesure de vitesse air sur hélicoptère^[67], les sondes de vitesse classiques étant fréquemment perturbées par le flux d'air du rotor.

Applications des lidars vent

Pour la prospection éolienne Surveillance des tourbillons de sillage après décollage pour le trafic aérien Surveillance des cisaillement de vent pour la sécurité des atterrissages

Dans le cas des lidars « Raman »

On étudie la rétrodiffusion « Raman » de la lumière sur un constituant de l’atmosphère à une longueur d’onde λ différente de celle de l’émission λ₀, choisie a priori, et caractéristique d’un composé chimique. Toutefois, ce type de diffusion a typiquement moins d’une chance sur mille de se produire pour chaque photon diffusé, ce qui rend le signal ténu et difficile à isoler.

La diffusion Raman est dite « inélastique », c’est-à-dire qu’il y a échange d’énergie entre le photon et la molécule qui le diffuse ; le photon peut mettre en vibration ou en rotation la molécule au repos, ou absorber l’énergie de vibration ou de rotation d’une molécule excitée. De par la mécanique quantique, les niveaux d’énergie vibro-rotationnels accessibles aux molécules sont quantifiés, et spécifiques à celles-ci. Le spectre de diffusion Raman consiste donc en une série de raies à des longueurs d’onde particulières. C’est une « empreinte digitale » de la molécule. De plus, l’intensité des raies est directement proportionnelle à la concentration des molécules dans l’atmosphère, et leur importance relative dépend de la statistique d'excitation des molécules et peut renseigner sur la température.

Pour l’exploiter, il faut employer à la réception un monochromateur ou plusieurs filtres interférentiels étroits afin de sélectionner ces raies. Un laser de forte puissance est indispensable pour compenser la faiblesse de la diffusion Raman par rapport à la diffusion élastique classique. La mesure de jour en présence de lumière solaire reste difficile.

En contrepartie, l’équation du lidar Raman est simple à résoudre car la rétrodiffusion n’est le fait que d’une seule espèce chimique. Elle s'écrit dans ce cas :

${\displaystyle E(\lambda ,z)=E_{0}F_{R}(z){\frac {T_{R}A_{R}}{z^{2}}}\underbrace {\exp \left[-\int _{0}^{z}\alpha (\lambda _{0},z')dz'\right]} _{T_{atm}(\lambda _{0},z')}\beta (\lambda _{0},\lambda ,z)\Delta z\underbrace {\exp \left[-\int _{0}^{z}\alpha (\lambda ,z')dz'\right]} _{T_{atm}(\lambda ,z')}}$

Dans cette équation :

• on distingue la longueur d’onde d’observation ${\displaystyle \lambda }$ de la longueur d’onde émise ${\displaystyle \lambda _{0}}$ ;
• ${\displaystyle \beta (\lambda _{0},\lambda ,z)}$ représente le coefficient de rétrodiffusion Raman de l'espèce d'intérêt (en m^-1.sr^-1) à l'altitude ${\displaystyle z}$ entre ${\displaystyle \lambda }$ et ${\displaystyle \lambda _{0}}$. Elle est uniquement due aux molécules ciblées, et est au premier ordre directement proportionnelle à leur concentration.

Cette équation se résout donc facilement si l’on dispose d’un canal de réception « élastique » en parallèle, ou si l’on fait le rapport de la diffusion Raman de deux espèces à des longueurs d'onde proches.

Applications : À longue portée dans l'atmosphère, cette technique relativement nouvelle (années 1990) nécessite des lasers puissants qui sont le plus souvent l’apanage des laboratoires de recherche, mais quelques lidars Raman atmosphériques commerciaux ont récemment été mis sur le marché^[68]. On peut envisager à terme un véritable lidar météorologique qui fournirait température et humidité atmosphériques en lieu et place des radiosondes actuellement utilisés en météorologie opérationnelle^[5].

• Utilisation de la rétrodiffusion du diazote atmosphérique comme une référence afin de résoudre totalement le problème inverse du lidar Rayleigh-Mie (section précédente) ; on détermine alors précisément la réflectivité (albédo) des particules aérosols et potentiellement leur concentration massique dans la colonne d'air^[69],
• Mesure de la concentration de gaz traces spécifiques comme la vapeur d’eau^[70] et autres gaz à effet de serre^[71],
• Mesure de la température, de la troposphère jusqu’à la mésosphère^[72],[73]

À plus courte portée, le lidar Raman serait applicable au contrôle à distance de l’alcoolémie des automobilistes par l’analyse du taux d’alcool dans l’habitacle de la voiture^[74] (bien que la réalité de cet appareil ait été remise en cause depuis). Plus vraisemblablement, il a servi à la détection de substances^[75],[76] et à la localisation de fuites de gaz^[77], toxiques ou dangereux, à distance de sécurité ou dans des installations inaccessibles.

Spectre de la diffusion Raman et de la fluorescence exploitables par un lidar à diffusion inélastique pour le sondage d'espèces chimiques spécifiques.

Lidars à fluorescence

La fluorescence est le phénomène par lequel à la suite de l'excitation d'une molécule ou d’un atome par absorption d'un photon, un autre photon est immédiatement ré-émis (exemple de photoluminescence).

Cette ré-émission peut se faire à la même énergie et longueur d'onde (fluorescence résonnante) ou à une énergie inférieure (et longueur d'onde plus grande) lorsqu'il y a eu une légère relaxation non radiative entre-temps (10^-10 s). Dans tous les cas, l'excitation a une durée de vie pouvant aller jusqu'à 10^-7s et la ré-émission se fait statistiquement avec un léger retard, en suivant une décroissance exponentielle. Il est à noter que contrairement à la diffusion, la ré-émission fluorescente est pratiquement isotrope, c'est-à-dire qu'elle se fait indifféremment dans toutes les directions.

La fluorescence peut évidemment être induite par laser, à distance :

• Par exemple, un composé organique excité par un rayonnement ultraviolet peut réémettre de la lumière visible par fluorescence, sur un spectre étendu. La spectroscopie de fluorescence est une technique courante de vision et d'analyse en chimie organique, biochimie et biologie, car de nombreuses molécules organiques et du domaine du vivant sont fluorescentes. On s'affranchit ainsi aisément de la diffusion simple à la longueur d'onde d'excitation sur les autres constituants du milieu, mais l'énergie réémise étant dispersée sur un plus grand domaine spectral, cela complique sa récupération.
• On peut aussi exploiter la fluorescence résonnante qui existe aux raies d'émission/absorption proches des espèces métalliques de l'atmosphère. Elle a l'avantage de ne pas être étendue spectralement.

Lidars à fluorescence moléculaire (non résonnante)

Bactéries fluorescentes sous illumination ultraviolette.

Un lidar à fluorescence avec une émission dans le domaine ultraviolet et une réception filtrée dans le domaine visible est ainsi capable de détecter la présence et la concentration de molécules organiques fluorochromes, à distance. Cela rend possible une télédétection spécifique du vivant dans l'atmosphère ou dans l'océan.

Par ailleurs, en visant des cibles dures tout en profitant de la résolution temporelle du lidar, on peut détailler la décroissance de la fluorescence avec le temps (la réémission peut durer plusieurs dizaines de nanosecondes), ce qui permet parfois de reconnaître le matériau de la cible (« spectrofluorométrie résolue dans le temps »).

Une première difficulté du lidar à fluorescence moléculaire réside dans la dilution temporelle (plusieurs dizaines de nanosecondes) et spectrale (plusieurs dizaines voire centaines de nm) de l'énergie réémise. Ceci complique fortement l’isolation de la réception du lidar des sources de lumière parasite et limite la portée de ces systèmes. Dans beaucoup de cas visant une espèce particulière, une autre difficulté demeure le réglage précis de la longueur d’onde d’émission laser sur la raie d’absorption de l’espèce étudiée.

D'autre part, si la détection de fluorophores (particules fluorescentes) est aisée, la détermination précise de leur concentration peut devenir assez complexe :

• en premier lieu, la forte absorption de l'espèce visée éteint rapidement l'énergie du laser.
• de plus, à cause du retard de la fluorescence, qui évolue en ${\displaystyle \exp(-t/\tau )}$, avec ${\displaystyle \tau }$ son temps caractéristique qui peut aller jusqu'à quelques dizaines de nanosecondes, l'excitation et la réémission durent souvent plus longtemps que l'impulsion laser et la résolution temporelle de détection, ce qui brouille spatialement la couche de fluorophores observée avec son environnement.

Typiquement, dans l'atmosphère, pour une couche de concentration ${\displaystyle N_{F}(z)}$ (en m^-3) dont le plancher se trouve à une altitude ${\displaystyle z_{F}}$, l'équation lidar devient dans le cas d'une fluorescence longue devant la durée d'impulsion et la résolution temporelle^[42] :

${\displaystyle E(\lambda ,\lambda _{0},z)=E_{0}F_{R}(z){\frac {T_{R}A_{R}}{z^{2}}}T_{atm}(\lambda ,z)T_{atm}(\lambda _{0},z_{F}){\frac {\sigma _{fluo}(\lambda _{0},\lambda )}{4\pi }}\Delta z\left[N_{F}(z)\underbrace {\exp \left(-\int _{z_{F}}^{z}\alpha (\lambda _{0},z')dz'\right)} _{\text{Extinction rapide}}\right]\star \underbrace {H_{F}(z)} _{\text{Brouillage}}}$

avec :

• ${\displaystyle \lambda _{0}}$ la longueur d'onde d'excitation et ${\displaystyle \lambda }$ la longueur d'onde d'observation ;
• ${\displaystyle \sigma _{fluo}}$ la section efficace de fluorescence à la longueur d'onde d'observation (en m²), donnée par la section d'absorption ${\displaystyle \sigma _{abs}}$, le temps de vie radiatif du niveau excité ${\displaystyle \tau _{rad}}$, la répartition spectrale de la fluorescence ${\displaystyle {\mathcal {L}}(\lambda )}$, et la largeur du filtre à la réception ${\displaystyle \delta \lambda }$ :

${\displaystyle \sigma _{fluo}(\lambda _{0},\lambda )=\sigma _{abs}(\lambda _{0}){\frac {\lambda _{0}}{\lambda }}{\frac {\tau }{\tau _{rad}}}{\mathcal {L}}(\lambda )\delta \lambda }$

• ${\displaystyle \star }$ le produit de convolution et ${\displaystyle H_{F}}$ un terme de brouillage donné par :

${\displaystyle H_{F}(z=ct)=H(t)\exp(-t/\tau )}$

où ${\displaystyle H}$ est la fonction de Heaviside.

Une correction apparentée à une déconvolution est possible pour remonter à la concentration des particules fluorophores. Il faut alors connaître leur coefficient d'extinction massique et le temps caractéristique de fluorescence, ce qui implique de savoir leur nature exacte et d'avoir caractérisé ces propriétés en laboratoire. Dans le cas où la durée de l'impulsion n'est pas négligeable, il faut également connaître la forme de celle-ci.

Applications :

• Dans l'atmosphère, détection à distance des attaques biologiques par dispersion d’aérosols^[78].
• Dans l'océan, détection de dégazages, fuites de pétrole^[79] et du plancton^[80], cartographie de la biodiversité et de la santé des récifs coralliens^[81] par un lidar embarqué sur un bateau.
• Sur cible dure, en archéologie, reconnaissance des matériaux de construction par spectroscopie résolue dans le temps, ou mise en évidence de la détérioration biologique d’un site historique^[9].

Lidars à fluorescence résonnante

Plusieurs espèces non organiques de la haute atmosphère peuvent aussi être caractérisées par leur spectroscopie de fluorescence dite résonnante, si elles sont excitées à la longueur d'onde d'une raie spectrale d'absorption/émission. On étudie ainsi les confins de la mésosphère où des espèces métalliques telles que le sodium et le fer sont constamment déposées par les météores, ou l'azote ionisé de l’ionosphère, malgré la distance (~100 km)^[82].

Espèce	Na	Fe	K	Ca	N2+
Longueur d'onde	589,1 nm	372,1 nm	766,6 / 770,1 nm	422,8 nm	393,8 nm

FASOR, puissant lidar à fluorescence sodium, émettant à 589 nm.

Le principe physique est le même pour les différentes espèces citées :

• un laser continu asservi à la longueur d'onde voulue par absorption saturée dans une cellule du gaz visé joue le rôle d'oscillateur maître ;
• son émission est décalée par un modulateur acousto-optique de quelques centaines de MHz (Δƒ) alternativement de part et d'autre de la raie pour sonder les atomes de différentes classes de vitesse ;
• un laser impulsionnel injecté par ce flux produit une émission impulsionnelle plus puissante ;
• trois échantillonnages à –Δƒ, 0 et +Δƒ suffisent à reconstituer la fréquence centrale (liée à la vitesse radiale du vent par l'effet Doppler) et l'élargissement (lié à la température) de la raie d'absorption des atomes sondés.

Parce que les impulsions laser sont émises en résonance avec la raie de l'espèce étudiée, la puissance ré-émise est magnifiée d'un facteur 10¹⁴ par rapport à la simple diffusion Rayleigh.

En utilisant un laser modeste (impulsions de quelque 10 mJ) et un télescope de taille métrique, un lidar à fluorescence résonnante peut sonder température et vent au-delà de la mésopause (80 km) en quelques minutes. Ces deux mesures sont directes (sans supposition de densité de l'air ou d'équilibre hydrostatique) et simultanées.

Applications :

• Mesure de la densité, de la température et des flux de la haute atmosphère via la spectroscopie de fluorescence des espèces métalliques atmosphérique (de 80 à 100 km environ)^[83].
• Étude de l’ionosphère (couche externe de l’atmosphère où apparaisse les aurores boréales) via la fluorescence de l’azote ionisé^[84].

Lidars à absorption différentielle : « DIAL »

Espèces gazeuses mesurables par lidar DIAL et lasers utilisés. C'est dans les bandes d'absorption de l'atmosphère (maxima de la courbe) que l'on trouve les raies d'absorption des molécules indiquées (invisibles à cette échelle car souvent très étroites) pouvant servir au DIAL.

Un puissant concurrent du lidar à diffusion Raman (très ténue et difficile à observer de jour ou à grande distance) pour la mesure de concentration de gaz traces dans l'atmosphère est le lidar à absorption différentielle (en anglais : Differential Absorption Lidar, DIAL).

Son principe est le suivant :

• on émet des impulsions à deux longueurs d'onde, l'une (dite « ON ») correspondant à une raie spectrale d'absorption d'une espèce moléculaire de l'atmosphère, l'autre (dite « OFF ») très proche mais hors de cette raie d'absorption,
• la lumière à ces deux longueurs d'onde est absorbée très différemment lors de sa propagation, mais a priori réfléchie de manière égale par les constituants de l'atmosphère,
• à la réception, on calcule la différence d'atténuation des signaux ON et OFF, a priori proportionnelle à la concentration de l'espèce recherchée.

En effet, d'après l'équation lidar, on a pour chacune des deux longueurs d'onde ON et OFF :

${\displaystyle {\begin{cases}E(\lambda _{ON},z)=E_{ON}F_{R}(z){\frac {T_{R}A_{R}}{z^{2}}}\beta (\lambda _{ON},z)\Delta z\exp \left[-2\int _{0}^{z}\alpha (\lambda _{ON},z')dz'\right],\\E(\lambda _{OFF},z)=E_{OFF}F_{R}(z){\frac {T_{R}A_{R}}{z^{2}}}\beta (\lambda _{OFF},z)\Delta z\exp \left[-2\int _{0}^{z}\alpha (\lambda _{OFF},z')dz'\right]\end{cases}}}$

d'où pour le ratio des énergies :

${\displaystyle {\frac {E(\lambda _{ON},z)}{E(\lambda _{OFF},z)}}={\frac {\beta (\lambda _{ON},z)}{\beta (\lambda _{OFF},z)}}\exp \left[-2\int _{0}^{z}\alpha (\lambda _{ON},z')-\alpha (\lambda _{OFF},z')dz'\right]}$

Or, si ${\displaystyle N(z)}$ est le profil de concentration de l'espèce recherchée (en m^-3), ${\displaystyle \sigma _{abs}}$ sa section efficace d'absorption (en m²), et ${\displaystyle \lambda _{ON}}$ proche de ${\displaystyle \lambda _{OFF}}$ :

${\displaystyle {\begin{cases}\alpha (\lambda ,z)\simeq N(z)\sigma _{abs}(\lambda )\\\beta (\lambda _{ON})\simeq \beta (\lambda _{OFF})\end{cases}}}$

Donc, avec ${\displaystyle \Delta \sigma _{abs}}$ la différence de section efficace d'absorption entre les deux longueurs d'onde ${\displaystyle \lambda _{ON}}$ et ${\displaystyle \lambda _{OFF}}$ :

${\displaystyle {\frac {E(\lambda _{ON},z)}{E(\lambda _{OFF},z)}}\simeq \exp \left[-2\int _{0}^{z}N(z')\Delta \sigma _{abs}dz'\right]}$

et on peut déterminer :

${\displaystyle N(z)\simeq -{\frac {1}{2\Delta \sigma _{abs}}}{\frac {\partial }{\partial z}}\left[\ln {\frac {E(\lambda _{ON},z)}{E(\lambda _{OFF},z)}}\right]}$

La figure ci-dessus répertorie quelques espèces gazeuses mesurables par cette technique^[85], en plaçant leur raies d'absorption sur le spectre UV-Visible-IR, et les types de laser utilisés pour ce faire. Il est à noter que certaines espèces présentes sous forme d'aérosols sont aussi sondables de cette manière^[86].

Certains lidar DIAL utilisent la technique de la détection hétérodyne^[85] pour s'affranchir totalement du parasite de la lumière ambiante et effectuer des mesures de jour comme de nuit.

Plusieurs difficultés subsistent :

• Il faut disposer d'un laser bi-fréquence accordable en longueur d'onde pour viser le sommet de la raie d'absorption de l'espèce à mesurer (λ_ON), ainsi que son pied (λ_OFF).
• La précision de cette mesure dépend très fortement de l'absorption cumulée de l'espèce mesurée dans l'atmosphère (épaisseur optique). Il existe une épaisseur optique optimale à atteindre, qui contraint le choix de la raie d'absorption, du laser et donc la conception du système d'émission dans son ensemble, en fonction de la configuration d'observation (depuis le sol, depuis un avion, faible ou forte concentration, gamme d'altitudes d'intérêt…).
• Plus important encore, le phénomène de décalage par la pression (pressure shift) de raies spectrales d'absorption étroites biaise les mesures lidar faites sur de grandes gammes d'altitude, puisqu'au fur et à mesure que la pression décroît en montant dans l'atmosphère, la raie s'écarte de λ_ON et l'absorption diminue. Il faut donc placer λ_ON au flanc de la raie à pression standard, pour qu'elle se rapproche plus du maximum avec l'altitude, et étalonner rigoureusement ce biais pour le soustraire aux mesures.

Lidars « supercontinuum »

Laser à supercontinuum dans une fibre microstructurée.

À l'aide de lasers à impulsions femtosecondes, ou maximisant les effets non-linéaires dans des fibres optiques ou cristaux spécifiques, il est possible de générer des impulsions lumineuses de spectre très large, couvrant des bandes spectrales de plusieurs micromètres (lumière blanche). On appelle une telle émission « supercontinuum ».

Ceci a amené à envisager un lidar supercontinuum, pour la résolution de l'équation lidar à toutes longueurs d'onde afin d'accéder simultanément à la concentration des espèces gazeuses polluantes^[95], aux distributions de taille des aérosols^[96] et aux molécules organiques fluorescentes^[97]. Le système franco-allemand Téramobile^[98] en est une incarnation renommée.

Toutefois, par la dispersion spectrale de leur puissance et les effets dissipatifs de la propagation dans l'atmosphère des faisceaux en régime de forte puissance crête, un problème de bilan de liaison limite la portée et, par conséquent, les applications de ces systèmes. Les derniers travaux à longue portée que l'on peut trouver remontent à la fin des années 2000^[99], alors que les travaux récents se concentrent sur la discrimination de gaz à courte portée, sans résolution en distance^[100].

Bibliographie

Articles connexes

• Radar, Sonar, Sodar
• Laser, Liste des différents types de laser, Supercontinuum
• Lasergrammétrie
• Effet Doppler
• Télédétection
• Télémètre laser, Vibromètre laser, Scanner tridimensionnel, assimilables à des lidars de courte portée.
• Techniques laser à courte portée à ne pas confondre avec le lidar : LIBS (spectroscopie sur plasma induit par laser), CARS (spectroscopie Raman anti-Stockes cohérente), Vélocimétrie laser.
• Le principe du lidar appliqué au contrôle de fibres optiques : la technique de l'Optical Time Domain Reflectometer.
• CALIOP, lidar franco-américain sur le satellite CALIPSO, en orbite depuis avril 2006, et ALADIN, lidar français sur le satellite ADM-Aeolus.

Liens externes

• [Stoker 2007] (en) J. Stoker, « Introduction to Lidar, USGS » [PDF], 2007 (consulté le 17 novembre 2014).
  Introduction au lidar aéroporté
• [Chu et al. 2012] (en) X. Chu et al., « Lidar Measurements of Winds in the Upper Atmosphere » [PDF], sur University of Colorado at Boulder, 2012 (consulté le 17 novembre 2014).
  Lidar à fluorescence résonnante
• P. Flamant, « Fondamentaux lidar » [PDF], sur École polytechnique, 2010 (consulté le 17 novembre 2014).
• J. Pelon, « Les missions spatiales lidar » [PDF], sur Centre national de recherches météorologiques, 2010 (consulté le 17 novembre 2014).
• Applications: Les aspirateurs robots : Honiture Q6,Dreame w10, Lubluelu A9
• Vulgarisation : [vidéo] Le LIDAR : d'APOLLO 15 à la voiture autonome - Spatialiste #22 sur YouTube