Lidar

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Lidar est l'acronyme du terme anglo-saxon light detection and ranging. C'est un système de mesure utilisant des ondes électromagnétiques.

Sommaire

1 Histoire
2 Principe
3 Équation Lidar
4 Rapport de dépolarisation
5 Représentation graphique
6 Utilisation
7 Voir aussi
- 7.1 Articles connexes
8 External links

[modifier] Histoire

Les premières mesures lidar on été effectuées en 1969 dans la Sierra Nevada.

[modifier] Principe

Son fonctionnement est le même que celui du radar, la seule différence étant le domaine spectral dans lequel il travaille : alors que le radar fonctionne dans le domaine des ondes radio, le lidar couvre en particulier le domaine du visible, et également les domaines ultraviolet (UV) et infrarouge (IR).

Un lidar se compose d'un système laser chargé d'émettre l'onde lumineuse, d'un télescope qui récoltera l'onde rétrodiffusée par les particules rencontrées, et d'une chaîne de traitement qui quantifiera le signal reçu.

Principe de la mesure Lidar

Le laser émet une onde lumineuse. Elle interagit avec les différents composants qu’elle rencontre. Une partie de cette onde est rétrodiffusée et collectée par le télescope. À partir de cette composante rétrodiffusée, on peut alors déduire des informations quant au diffuseur (sa concentration par exemple) et sa distance par rapport au système de mesure.

Lors de la propagation de l’onde émise par le lidar, on peut envisager deux types de diffusions par les composants rencontrés :

Une diffusion élastique : elle se produit sans échange d’énergie entre les photons incidents et la molécule rencontrée. Le photon est alors diffusé sans changement de fréquence. C’est le cas de la diffusion Rayleigh (lorsque la taille du diffuseur est largement inférieure à la longueur d’onde utilisée) ou de celle de Mie (lorsque la taille du diffuseur est du même ordre de grandeur que la longueur d’onde utilisée).
Une diffusion inélastique, beaucoup plus faible, appelée aussi diffusion Raman. Celle-ci est à l’origine d’un décalage de la fréquence de l’onde incidente $ν r$ . Les photons sont alors diffusés selon 2 fréquences : $ν 0 + ν r$ (décalage vers les hautes fréquences - correspond aux raies appelée « raies anti-Stockes ») et $ν 0 - ν r$ (décalage vers les basses fréquences - correspond aux raies appelées « raies Stockes »). Ce décalage de fréquence est caractéristique de la molécule rencontrée et permet donc de la discriminer.

[modifier] Équation Lidar

L'expression de la distribution verticale du signal lidar rétrodiffusé est donné par l'équation suivante (Collis and Russel, 1976) pour un faisceau laser de longueur d'onde donné :

$P(z) = K F_0 \beta(z) \frac{A}{z^2} \left[ -2 \int_0^z \alpha(z')dz' \right]$

$K$ est une constante instrumentale, prenant en compte les éléments optiques et électroniques qui composent la chaîne de traitement de l'énergie lumineuse rétrodiffusée ;
$F 0$ représente l'énergie initiale du faisceau (en $J . s - 1$ );
$A$ est l'aire du récepteur en $m 2$ ;
$α(z)$ représente le coefficient d'extinction total (absorption+atténuation) à l'altitude $z$ en $m - 1$ ;
$β(z)$ représente le coefficient de rétrodiffusion à l'altitude $z$ en $m - 1 s r - 1$ .

$P$ a la dimension d'une puissance ( $J . s - 1$ ou $W$ ).

[modifier] Rapport de dépolarisation

De nombreux systèmes lidar récents sont équipés d'un dispositif sensible à la polarisation lumineuse. Dans ces systèmes, l'onde laser émise est polarisée linéairement dans un plan appelé plan parallèle. L'énergie lumineuse rétrodiffusée par les composants atmosphériques, et détectée par le télescope du lidar, n'est souvent plus polarisée linéairement. On quantifie la modification de l'état de polarisation lumineuse par le rapport de dépolarisation $\delta=\frac{I_{\| }}{I_\perp}$ , avec $I_{\| }$ et $I_{\perp}$ les énergies lumineuses détectées dans les plans respectivement parallèle et perpendiculaire au plan d'émission.

Le rapport de dépolarisation est une mesure extrêmement utile car elle permet de distinguer facilement la phase d'un nuage détecté : les gouttelettes d'eau composant un nuage d'eau liquide, de par leur forme sphérique, produisent un rapport de dépolarisation nul ( $δ = 0$ ) ; en revanche, les cristaux de glace composant un Cirrus produisent des rapports de dépolarisation élevés de l'ordre de $0.2 < δ < 0.8$ .

[modifier] Représentation graphique

Les observations lidar sont principalement représentées sous deux formes :

Série temporelle lidar

Un profil lidar est une figure simple en 2 dimensions, représentant l'évolution du signal lidar en abscisse en fonction de l'altitude en ordonnée.

Une série temporelle (appelée aussi RHI pour Range-Height-Indicator) est un carte couleur en 2 dimensions, où les intensités du signal lidar sont codées à la fois en fonction du temps (en abscisse) et de l'altitude (en ordonnée) par une couleur appartenant à une échelle d'intensité.