thumb|FASOR, lidar à fluorescence expérimental utilisé pour sonder la densité de la haute atmosphère en excitant les atomes de sodium. La télédétection par laser, lidar ou LIDAR, acronyme de l'expression en langue anglaise « » ou « » (soit en français « détection et estimation de la distance par la lumière » ou « par laser »), est une technique de mesure à distance fondée sur l'analyse des propriétés d'un faisceau de lumière généré artificiellement et renvoyé par la cible vers son émetteur. Une très grande diversité d'applications est aujourd'hui permise par le lidar.
À la différence du sonar qui utilise des ondes acoustiques et du radar qui emploie des ondes électromagnétiques de plus basse fréquence (ondes radio), le lidar utilise des ondes électromagnétiques de la lumière visible ou proche (infrarouge ou ultraviolet). La lumière utilisée par le lidar est presque toujours issue d’un laser, ce qui permet d'avoir une source lumineuse directionnelle, monochromatique, polarisée, de haute amplitude et cohérente.
Le principe de la télémétrie (détermination de la distance d’un objet), qui concerne une grande partie des applications du lidar, requiert généralement l’utilisation d’un laser impulsionnel. La distance est donnée par la mesure du délai (aussi appelé « temps de vol ») entre l’émission d’une impulsion et la détection d’une onde réfléchie, connaissant la vitesse de la lumière. Quand la source laser est entretenue et modulée en fréquence, on parle de lidar FMCW (). Une autre classe d’applications permet de déterminer la vitesse de l’objet visé en employant un laser à spectre d’émission fin (une fréquence bien déterminée) et en mesurant l'effet Doppler-Fizeau, c'est-à-dire le décalage entre la fréquence de l’onde émise et celle de l'onde reçue en retour. Beaucoup d’autres paramètres (concentrations de gaz ou de particules spécifiques, densité, température) peuvent être mesurés dans l’atmosphère et les autres milieux diffus si l’on sait isoler l’effet des différentes interactions entre la lumière et la matière le long du faisceau laser. Résumé des utilisations courantes Le lidar, instrument de télédétection active., trouve des applications en topographie. (géomorphologie, altimétrie et bathymétrie), géosciences (risque sismique.., météorologie., physique de l’atmosphère.) et sciences de l’environnement (étude de la pollution atmosphérique., agronomie & sylviculture.), mais aussi dans l’archéologie., la prospection éolienne., la régulation du trafic aérien., le guidage automatique. de véhicules terrestres ou spatiaux, ou encore la sécurité routière. ou l'industrie militaire. (obus Bonus par exemple). Histoire et dénomination thumb|Deux lidars montés sur des télescopes tentent de mesurer la distance Terre-Lune en visant les rétro-réflecteurs déposés sur la Lune par les missions Apollo. Peu après leur invention au début des années 1960, les premiers lasers à rubis naturellement impulsionnels de Théodore Maiman sont exploités pour la télémétrie fine à grande distance. Aux États-Unis, Louis Smullin et Giorgio Fiocco du (MIT) les emploient pour mesurer précisément la distance Terre-Lune en (Project Luna See)., alors que Guy Goyer et Robert Watson du (NCAR) les appliquent parallèlement à la mesure de la hauteur des nuages.. Ils appellent leur système « radar optique ». L’utilité et la précision des systèmes lidar deviennent connus du grand public en 1971 lors de la mission Apollo 15., qui cartographie la Lune à l’aide d’un altimètre laser. Alors que le mot lidar avait originellement été créé par l’assemblage de « light » et « radar »., on considère à partir de cette même époque que leur dénomination est plutôt l’acronyme de « Light Detection And Ranging » ou « Laser Imaging Detection And Ranging », à l’instar de radar ou sonar. Le terme lidar couvre une très grande variété de systèmes de mesure à distance par laser. Mais ces systèmes sont parfois désignés autrement. On trouve parfois l'acronyme « LADAR » (LAser Detection And Ranging), qui est plutôt utilisé dans le domaine militaire sur des cibles dures ou dans la littérature anglo-saxonne.. On trouve également le sigle « ALSM » (Airborne Laser Swath Mapping). pour les applications spécifiques de topographie aéroportée. En français, l'expression « radar laser » est improprement employée par analogie, surtout pour les jumelles de contrôle de vitesse en sécurité routière. Alors que le terme radar est maintenant lexicalisé, l'écriture de son équivalent optique ne fait l’objet d’aucun consensus. Si bien que l’on peut trouver dans différentes publications de référence, parfois même dans le même document, les acronymes « LIDAR », « lidar », « Lidar » ou « LiDaR ». Le marché du LiDAR automobile devrait croître d'environ 15 fois en cinq ans pour atteindre 4,7 milliards de dollars en 2028.. Généralités De manière générale, le fonctionnement du lidar ressemble à celui du radar (basé sur l'écholocalisation), la différence étant le domaine spectral des ondes électromagnétiques employées. Alors que le radar fonctionne dans le domaine des micro-ondes (fréquences de , longueurs d’onde millimétriques et centimétriques), le lidar est fondé sur des lasers rayonnant dans le domaine infrarouge, le domaine visible ou le domaine ultraviolet proche (fréquences au-delà de , longueurs d’onde de à ). Dans les deux cas, l’onde électromagnétique émise est cohérente et polarisée. Mais dans le domaine spectral visible, elle est beaucoup plus directive et elle peut interagir avec des objets de taille microscopique. vignette|centre|upright=2|Principe de l’écholocalisation.|alt=Principe de l’écholocalisation. Un lidar est un système opto-électronique composé d’un émetteur laser, d’un récepteur comprenant un collecteur de lumière (télescope ou autre optique) et un photodétecteur qui transforme la lumière en signal électrique, ainsi que d’une chaîne électronique de traitement du signal qui extrait l’information recherchée. thumb|center|upright=2.5|Schéma général d’un système lidar et du principe de la mesure. Noter que l’émission et la réception peuvent utiliser la même optique. Excepté à courte portée (moins d'un kilomètre), afin de capter un signal suffisamment fort, il est nécessaire d’utiliser : un laser de forte puissance moyenne (typiquement supérieure à ). Ceci doit être concilié avec les exigences de sécurité oculaire dans les applications proches du sol ; la sélection de longueurs d’onde hors du domaine de transparence de la cornée de l’œil () ou le balayage du laser aident grandement dans ce sens. du côté de la réception, un photodétecteur de sensibilité élevée (photomultiplicateur, photodiode à avalanche), excepté en détection cohérente. D’autre part, un filtrage de la lumière reçue est indispensable pour s’affranchir de la lumière de l’environnement, qui constitue un fort parasite. On filtre le plus souvent à la fois : spatialement, en limitant le champ de vision de l’optique de réception étroitement autour du faisceau laser, à l’aide d’un diaphragme de champ si nécessaire, spectralement, à l’aide d’un filtre ne laissant passer qu’une gamme étroite autour de la longueur d’onde du laser ou d’un interféromètre. Par opposition à cette détection dite « directe », il existe des lidars à détection dite « cohérente » ou « hétérodyne », identique à celle du radar. Dans ce cas, on effectue à la réception un mélange entre l’onde lumineuse reçue et une partie de l’onde émise, qui a été décalée d’une fréquence connue, par exemple par un modulateur acousto-optique (onde dite « d’oscillateur local »). L’interférence de ces deux ondes génère un terme oscillant autour de cette fréquence dans le signal de sortie du photodétecteur, en plus des termes proportionnels à la puissance reçue et à la puissance d’oscillateur local. En filtrant électroniquement le signal dans une bande étroite autour de la fréquence en question, on obtient un signal dit « hétérodyne ». alt=Lidar à détection cohérente hétérodyne|centre|thumb|upright=2|Lidar à détection cohérente hétérodyne. Avec la puissance et la phase, désignant l'onde reçue et désignant l'oscillateur local, on a l'intensité du signal, dépendant du temps , qui est proportionnelle à :
où est le décalage en fréquence fixe introduit sur l'oscillateur local, est la vitesse radiale de la cible et la longueur d'onde du laser. Ce procédé a plusieurs intérêts : le mélange interférométrique multiplie l’amplitude du signal utile, éliminant le besoin d’un photodétecteur ultra-sensible. l’information de phase de l’onde reçue est conservée, alors qu’elle était perdue en détection directe. on a ainsi effectué un filtrage spectral extrêmement fin (quelques dizaines de MHz, soit environ 10 nm) de la lumière reçue autour de la fréquence centrale, tandis que la condition de cohérence spatiale nécessaire à l’interférence implique un filtrage spatial parfaitement ajusté autour du faisceau émis. Ceci s’apparente à une détection synchrone, méthode éprouvée pour amplifier des signaux de faible amplitude à bande étroite. L’impact de la lumière parasite en lidar cohérent est donc négligeable. Le lidar cohérent doit faire face à quelques difficultés en contrepartie : il requiert une émission laser spectralement fine qui semble a priori incompatible avec la forte puissance nécessaire au lidar. un fonctionnement impulsionnel à commutation-Q dans la cavité laser, qui crée des impulsions puissantes mais trop courtes et sans relation de phase, empêche également d’avoir une fréquence bien définie. L’émission doit donc être soit continue, soit contrôlée par un oscillateur maître, soit découpée en impulsions « longues » (plusieurs centaines de nanosecondes) a posteriori puis ré-amplifiée. des bruits supplémentaires liés à la turbulence atmosphérique et aux mouvements des cibles (variations du « speckle ») perturbent la mesure en détruisant la cohérence entre les ondes mélangées. Ce système est directement applicable à la mesure précise de la vitesse de la cible via l’effet Doppler, exactement sur le même principe qu’en radar Doppler. Cet effet provoque un décalage en fréquence de l’onde réfléchie par un objet proportionnellement à sa vitesse en direction de l’observateur, dite vitesse radiale. Il est difficile de classifier les lidars par principe ou par application ; toutefois, dans la suite, on se propose de les aborder par le type de cible (dure ou diffuse) et le type d’interaction lumière/matière qu’ils observent. Lidars à cible dure Lidars télémètres laser à balayage thumb|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 d’un objet réfléchissant les impulsions laser émises, à partir de la différence de temps entre l’émission d'une impulsion et la réception de l’écho le plus important :
avec la vitesse de la lumière (environ ). 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 de l’impulsion rétrodiffusée par une cible (supposée lambertienne, c'est-à-dire qui diffuse la lumière uniformément) située à une distance et captée par le lidarJ. Shaw, Optical Remote Sensing Systems : Lidar & Ladar, Montana State University. . :
Dans cette équation : représente l’énergie initiale de l’impulsion émise (en J) ; est la fonction de recouvrement entre le faisceau émis et le cône de réception du lidar (à valeur entre 0 et 1) ; est la transmission (à valeur entre 0 et 1) de l’atmosphère sur l’épaisseur (cf. section lidar atmosphérique) ; est la transmission (à valeur entre 0 et 1) et la surface (en m) du système optique de réception ;