Lidar

Lidar (acronyme de détection et télémétrie de la lumière ou imagerie, détection et télémétrie laser, fréquemment stylisé comme LiDAR) représente une méthodologie permettant de déterminer les distances en dirigeant un faisceau laser sur un objet ou une surface et en mesurant ensuite le temps nécessaire pour que la lumière réfléchie revienne à un récepteur. Les systèmes Lidar peuvent fonctionner soit dans une direction fixe, par exemple verticalement, soit en balayant dynamiquement diverses directions, combinant ainsi les aspects du balayage 3D et du balayage laser.

La technologie Lidar trouve des applications sur les plates-formes terrestres, aéroportées et mobiles. Il est largement utilisé pour générer des cartes haute résolution, son utilité couvrant divers domaines, notamment l'arpentage, la géodésie, la géomatique, l'archéologie, la géologie, la géomorphologie, la sismologie, la foresterie, la physique atmosphérique, le guidage laser, la cartographie laser aéroportée (ALSM) et l'altimétrie laser. En ajustant la longueur d'onde de la lumière, le lidar facilite la création de représentations numériques 3D de la surface terrestre et du fond océanique dans les zones intertidales et proches des côtes. De plus, son application s'est considérablement étendue dans les systèmes de contrôle et de navigation des véhicules autonomes, ainsi que pour l'hélicoptère Ingenuity lors de ses vols sans précédent à travers le paysage martien. Le Lidar a également été largement utilisé dans la recherche atmosphérique et la météorologie. Les instruments Lidar intégrés aux avions et aux satellites remplissent des fonctions critiques d'arpentage et de cartographie, illustrées par le Lidar expérimental avancé de recherche aéroportée de l'US Geological Survey. La NASA a reconnu le lidar comme une technologie essentielle pour réaliser des atterrissages autonomes, précis et sûrs pour les prochaines missions lunaires robotisées et avec équipage.

Histoire et étymologie

Le concept fondamental qui sous-tend la technologie lidar a été proposé pour la première fois par E. H. Synge en 1930, qui envisageait d'utiliser de puissants projecteurs pour la détection atmosphérique.

En 1961, peu après l'invention du laser, la Hughes Aircraft Company, sous la direction de Malcolm Stitch, a dévoilé le premier système de type lidar. Conçu pour le suivi par satellite, ce système intègre une imagerie focalisée au laser avec la capacité de calculer les distances en mesurant avec précision le temps de retour du signal, à l'aide de capteurs spécialisés et d'électronique d'acquisition de données. Initialement désignée « Colidar », un acronyme pour « détection et télémétrie cohérentes de la lumière », sa nomenclature est dérivée de « radar », qui signifie lui-même « détection et télémétrie radio ». Les télémètres laser, altimètres laser et unités lidar contemporains trouvent tous leurs origines dans ces systèmes Colidar fondamentaux.

Le déploiement terrestre pratique initial d'un système Colidar a eu lieu en 1963 avec le « Colidar Mark II », un important télémètre laser semblable à un fusil. Cet appareil avait une portée de 11 km et une précision de 4,5 m, principalement destiné aux applications de ciblage militaire. La première apparition documentée du terme « lidar » en tant que terme distinct en 1963 indique son origine probable comme un portemanteau de « lumière » et de « radar », comme en témoigne la déclaration : « À terme, le laser peut fournir un détecteur extrêmement sensible de longueurs d'onde particulières provenant d'objets distants. lidar.

Les premières applications du lidar concernaient principalement la météorologie, où le Centre national de recherche atmosphérique l'utilisait pour mesurer les nuages et la pollution atmosphérique. La reconnaissance publique de la précision et de l'utilité des systèmes lidar s'est considérablement accrue en 1971 lors de la mission Apollo 15, lorsque les astronautes ont utilisé un altimètre laser pour cartographier la surface lunaire. Bien que « radar » ne soit plus traité comme un acronyme en anglais et soit généralement sans majuscule, le terme « lidar » a commencé à apparaître avec une majuscule sous la forme « LIDAR » ou « LiDAR » dans certaines publications à partir des années 1980. Actuellement, il n'existe aucun consensus universel concernant sa capitalisation, diverses publications utilisant « LIDAR », « LiDAR », « LIDaR » ou « Lidar ». Par exemple, l'USGS emploie à la fois « LIDAR » et « lidar », parfois dans le même document ; de même, le New York Times utilise principalement le « lidar » dans ses articles rédigés par son personnel, bien que les fils d'actualité externes comme Reuters puissent opter pour le « Lidar ».

Théorie

La technologie Lidar utilise des longueurs d'onde de lumière ultraviolette, visible ou proche infrarouge pour l'imagerie d'objets. Il est capable de cibler un large éventail de matériaux, notamment des objets non métalliques, des formations géologiques, des précipitations, des composés chimiques, des aérosols, des structures nuageuses et même des molécules individuelles. L'utilisation d'un faisceau laser étroit permet la cartographie de caractéristiques physiques avec des résolutions exceptionnellement élevées ; par exemple, les systèmes lidar aéroportés peuvent réaliser une cartographie du terrain avec une résolution de 30 centimètres (12 pouces) ou plus.

Les longueurs d'onde opérationnelles des systèmes lidar sont sélectionnées en fonction de la cible, allant d'environ 10 micromètres (infrarouge) à 250 nanomètres (ultraviolet). La lumière est généralement réfléchie par rétrodiffusion, ce qui diffère de la réflexion spéculaire observée avec un miroir. Divers phénomènes de diffusion sont utilisés dans les applications lidar, notamment la diffusion Rayleigh, la diffusion Mie, la diffusion Raman et la fluorescence. Des combinaisons stratégiques de longueurs d'onde permettent la caractérisation à distance des constituants atmosphériques en détectant les variations de l'intensité du signal de retour en fonction de la longueur d'onde. Le terme « radar photonique » fait parfois référence à la télémétrie à spectre visible, similaire au lidar, bien que sa définition plus précise concerne la télémétrie par radiofréquence utilisant des composants photoniques.

Les systèmes lidar calculent la distance jusqu'à un objet ou une surface à l'aide de la formule suivante :

${\displaystyle d={\frac {c\cdot t}{2}}}$

Dans cette équation, c représente la vitesse de la lumière, d désigne la distance entre le détecteur et l'objet ou la surface cible, et t signifie le temps total requis pour que la lumière laser se propage du détecteur à la cible et revienne.

Les systèmes Lidar emploient deux méthodologies de détection principales : la détection d'énergie incohérente ou directe, qui quantifie principalement les variations d'amplitude de la lumière réfléchie ; et une détection cohérente, optimisée pour mesurer les décalages Doppler ou les modifications de phase dans la lumière réfléchie. Les systèmes cohérents intègrent généralement une détection optique hétérodyne. Cette approche offre une sensibilité améliorée par rapport à la détection directe, permettant un fonctionnement à des niveaux de puissance considérablement réduits, bien que nécessitant des conceptions d'émetteur-récepteur plus complexes.

Les deux types de détection utilisent des modèles d'impulsions distincts : soit micropulse, soit haute énergie. Les systèmes Micropulse émettent des sursauts d’énergie intermittents, un développement motivé par les progrès de la puissance de calcul et de la technologie laser. Ces systèmes fonctionnent avec une énergie laser nettement inférieure, généralement autour d'un microjoule, et sont souvent classés comme « sans danger pour les yeux », permettant une utilisation sans mesures de sécurité spécialisées. À l’inverse, les systèmes à haute puissance sont répandus dans la recherche atmosphérique, où ils sont largement utilisés pour quantifier divers paramètres atmosphériques, notamment la hauteur, la stratification et la densité des nuages ​​; caractéristiques des particules nuageuses (par exemple, coefficient d'extinction, coefficient de rétrodiffusion, dépolarisation) ; température; pression; vent; humidité; et des concentrations de gaz traces tels que l'ozone, le méthane et l'oxyde nitreux.

Composants du système

Émetteurs laser

Les lasers fonctionnant dans la plage de 600 à 1 000 nm sont principalement utilisés dans des applications non scientifiques. Pour garantir la sécurité des yeux au niveau du sol, la puissance maximale du laser est soit limitée, soit un mécanisme d'arrêt automatique est mis en œuvre, désactivant le laser à des altitudes désignées.

Une alternative fréquemment utilisée est le laser de 1 550 nm, qui offre une sécurité oculaire à des puissances de sortie relativement élevées, car cette longueur d'onde est considérablement absorbée par l'eau et pénètre peu dans la rétine, bien que les capteurs de la caméra restent susceptibles d'être endommagés. Un compromis notable est l’état moins développé de la technologie actuelle des détecteurs pour cette longueur d’onde, ce qui conduit à son application principalement dans des scénarios à plus longue portée avec une précision réduite. De plus, les lasers de 1 550 nm sont privilégiés dans les contextes militaires en raison de leur invisibilité pour les lunettes de vision nocturne, ce qui les distingue des lasers infrarouges plus courts de 1 000 nm.

Les systèmes lidar de cartographie topographique aéroportés intègrent généralement des lasers YAG pompés par diode de 1 064 nm. En revanche, les systèmes bathymétriques (mesure de la profondeur sous-marine) utilisent généralement des lasers YAG pompés par diode à fréquence doublée de 532 nm, en raison de l'atténuation nettement inférieure du rayonnement de 532 nm dans l'eau par rapport à 1 064 nm. Les paramètres clés du laser incluent le taux de répétition du laser, qui régit la vitesse d'acquisition des données. La longueur de l'impulsion est principalement déterminée par la longueur de la cavité laser, le nombre de passages à travers le milieu de gain (par exemple, YAG, YLF) et la vitesse du Q-switch (impulsion). La résolution optimale de la cible est obtenue avec des impulsions plus courtes, sous réserve que les détecteurs du récepteur lidar et l'électronique associée possèdent une bande passante adéquate.

Un système multiéléments permet d'obtenir un éclairage directionnel grâce à un agencement microscopique d'antennes individuelles. En contrôlant précisément le timing, ou la phase, de chaque antenne, un signal cohérent peut être dirigé vers une cible spécifique. Cette technologie fait partie intégrante des systèmes radar depuis les années 1940. Dans les applications optiques, environ un million d’antennes optiques sont utilisées pour observer un diagramme de rayonnement d’une taille et d’une direction particulières. Cela nécessite un contrôle de phase très précis pour chaque émetteur individuel. L’application de cette technique au lidar présente des défis importants, la rendant potentiellement irréalisable. Les principaux obstacles incluent l'exigence que tous les émetteurs individuels soient cohérents, provenant d'un seul oscillateur « maître » ou d'une source laser, et qu'ils possèdent des dimensions se rapprochant de la longueur d'onde de la lumière émise (dans la plage du micron) pour fonctionner comme des sources ponctuelles avec des phases contrôlées avec précision.

Les miroirs microélectromécaniques (MEMS) ne constituent pas une technologie entièrement solide ; cependant, leur format compact offre des avantages comparables en termes de coûts. Dans de tels systèmes, un seul faisceau laser est dirigé sur un miroir solitaire, qui peut être réorienté pour balayer n'importe quelle partie du champ cible. Alors que ce miroir tourne à grande vitesse, les systèmes MEMS fonctionnent généralement dans un seul plan de balayage, généralement horizontal. Pour obtenir une deuxième dimension de balayage, il faut souvent intégrer un miroir supplémentaire pour le mouvement vertical, ou bien diriger un autre laser vers le même miroir sous un angle différent. Un inconvénient notable des systèmes MEMS est leur sensibilité aux perturbations dues aux chocs et aux vibrations, nécessitant fréquemment un étalonnage récurrent.

Scanner et composants optiques

La vitesse d'acquisition des images est directement influencée par la vitesse de numérisation. Divers mécanismes sont disponibles pour scanner à la fois l'azimut et l'élévation, notamment des miroirs plans à double oscillation, des configurations incorporant un miroir polygonal et des scanners à deux axes. La sélection des composants optiques a un impact critique sur la résolution angulaire et la plage de détection réalisables. Pour collecter le signal de retour, les options courantes incluent un miroir à trous ou un séparateur de faisceau.

Électronique du photodétecteur et du récepteur

Les systèmes Lidar utilisent principalement deux technologies de photodétecteurs : les photodétecteurs à semi-conducteurs, illustrés par les photodiodes à avalanche de silicium, et les photomultiplicateurs. La sensibilité du récepteur représente un paramètre de conception crucial qui nécessite une optimisation minutieuse au sein du système lidar.

Systèmes de positionnement et de navigation

Les capteurs Lidar déployés sur des plates-formes mobiles, notamment des avions ou des satellites, nécessitent des instruments spécialisés pour déterminer leur position et leur orientation absolues. Généralement, ces systèmes intègrent un récepteur GPS (Global Positioning System) avec une unité de mesure inertielle (IMU).

Technologie des capteurs

Les systèmes Lidar utilisent des capteurs actifs qui fournissent leur propre éclairage. Une source d'énergie émet de la lumière qui frappe les objets, et l'énergie réfléchie est ensuite détectée et mesurée par les capteurs. La distance de l'objet est calculée en enregistrant l'intervalle de temps entre les impulsions transmises et rétrodiffusées, puis en appliquant la vitesse connue de la lumière pour déterminer la distance parcourue. Flash lidar facilite l'imagerie 3D en permettant à la caméra d'émettre un large flash et de percevoir les relations spatiales et les dimensions d'une zone d'intérêt en utilisant l'énergie réfléchie. Cette méthode améliore la précision de l'imagerie car elle élimine le besoin d'assembler plusieurs images et rend le système insensible aux mouvements de la plate-forme, minimisant ainsi la distorsion.

L'imagerie tridimensionnelle peut être réalisée à l'aide de systèmes lidar à balayage et sans balayage. Un exemple de système de télémétrie laser sans balayage est le « radar laser à visualisation 3D », qui utilise un laser pulsé en conjonction avec une caméra à accès rapide. En outre, des recherches sont en cours pour développer des capacités d'orientation de faisceau virtuelle utilisant la technologie de traitement numérique de la lumière (DLP).

Le lidar d'imagerie peut également être mis en œuvre à l'aide de réseaux de détecteurs à grande vitesse et de réseaux de détecteurs sensibles à la modulation, qui sont généralement fabriqués sur des puces uniques utilisant des techniques complémentaires de métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS) et hybrides CMOS/dispositif à couplage de charge (CCD). Au sein de ces dispositifs, chaque pixel exécute un traitement localisé, tel qu'une démodulation ou un déclenchement à grande vitesse, convertissant ainsi les signaux en un débit vidéo pour une lecture matricielle de type caméra. Cette méthodologie permet l'acquisition simultanée de données provenant de milliers de pixels ou de canaux. Les caméras lidar 3D haute résolution intègrent fréquemment une détection homodyne aux côtés d'un obturateur électronique CCD ou CMOS.

Les systèmes lidar d'imagerie cohérente utilisent une détection hétérodyne à réseau synthétique, qui permet à un récepteur fixe à élément unique de fonctionner efficacement comme un réseau d'imagerie.

En 2014, le laboratoire Lincoln a dévoilé une puce d'imagerie avancée comportant plus de 16 384 pixels, chacun capable de détecter un seul photon, facilitant ainsi la capture de zones étendues au sein d'une seule image. Une itération précédente de cette technologie, possédant un nombre de pixels équivalent à un quart, avait été déployée par l'armée américaine à la suite du tremblement de terre de janvier 2010 en Haïti. Un passage solitaire d'un avion d'affaires à une altitude de 3 000 m (10 000 ft) au-dessus de Port-au-Prince a permis l'acquisition instantanée d'instantanés couvrant 600 m (2 000 ft) de carrés de la zone urbaine, atteignant une résolution de 30 cm (1 ft) et cartographiant avec précision la hauteur des débris dispersés dans les artères de la ville. Ce nouveau système démontre une amélioration décuplée, offrant la possibilité de générer des cartes beaucoup plus grandes avec une vitesse accrue. La puce intègre de l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs), un matériau qui fonctionne dans le spectre infrarouge à une longueur d'onde relativement longue, ce qui facilite une puissance de sortie accrue et des plages de fonctionnement étendues. Pour de nombreuses applications, y compris les véhicules autonomes, ce système innovant devrait réduire les coûts en éliminant la nécessité d'un mécanisme de visée mécanique pour la puce. InGaAs utilise des longueurs d'onde moins dangereuses que celles utilisées par les détecteurs au silicium conventionnels, qui fonctionnent généralement dans le spectre visuel. Des progrès rapides se produisent dans les nouvelles technologies pour le lidar infrarouge de comptage de photons uniques, englobant des réseaux et des caméras développés sur diverses plates-formes de semi-conducteurs et supraconductrices.

Classification

Les systèmes Lidar peuvent être orientés selon des configurations nadir, zénithales ou latérales. Par exemple, les altimètres lidar sont dirigés vers le bas, les systèmes lidar atmosphériques sont orientés vers le haut et les systèmes anticollision basés sur lidar utilisent une perspective latérale.

Les projections laser lidar peuvent être manipulées via diverses méthodologies et mécanismes pour obtenir des effets de balayage. Ceux-ci incluent le type de broche conventionnel, qui tourne pour offrir un champ de vision de 360 ​​​​degrés ; lidar à semi-conducteurs, caractérisé par un champ de vision fixe et l'absence de pièces mobiles, utilisant soit des systèmes microélectromécaniques (MEMS), soit des réseaux optiques à commande de phase pour l'orientation du faisceau ; et flash lidar, qui diffuse une impulsion lumineuse sur un champ de vision étendu avant la détection du signal.

Les applications Lidar sont largement classées en modalités aéroportées et terrestres. Ces deux catégories nécessitent des scanners avec des spécifications distinctes, qui sont déterminées par des facteurs tels que l'utilisation prévue des données, l'étendue spatiale de la zone à étudier, la plage de mesure requise et les coûts d'équipement. Les plates-formes spatiales constituent également des options viables.

Le lidar aéroporté, également connu sous le nom de balayage laser aéroporté, implique l'utilisation d'un scanner laser monté sur un avion pendant le vol pour générer un modèle de nuage de points tridimensionnel du terrain. Cette méthodologie représente actuellement l'approche la plus détaillée et la plus précise pour développer des modèles numériques d'élévation, remplaçant la photogrammétrie traditionnelle. Un avantage significatif par rapport à la photogrammétrie est sa capacité à filtrer les réflexions de la végétation du nuage de points, permettant ainsi la création d'un modèle numérique de terrain qui représente avec précision les surfaces du sol, y compris les rivières, les sentiers et les sites du patrimoine culturel, même lorsqu'ils sont obscurcis par une couverture arboricole. Au sein de la classification lidar aéroporté, une distinction est parfois établie entre les applications à haute altitude et à basse altitude ; cependant, le principal facteur de différenciation est une diminution de la précision des données et de la densité des points lorsque les acquisitions ont lieu à des altitudes plus élevées. De plus, le lidar aéroporté peut être utilisé pour générer des modèles bathymétriques dans des environnements aquatiques peu profonds.

Les principaux résultats du lidar aéroporté incluent des modèles numériques d'élévation (DEM) et des modèles numériques de surface (DSM). Alors que les points et les points au sol représentent des vecteurs de données discrètes, les DEM et les DSM constituent des grilles raster interpolées dérivées de ces points discrets. La méthodologie intègre également l'acquisition de photographies aériennes numériques. Par exemple, le lidar aéroporté est utilisé pour interpréter les glissements de terrain profonds, même sous la couverture végétale, en identifiant des caractéristiques telles que des escarpements, des fissures de tension ou des arbres inclinés. Les modèles numériques d'élévation aéroportés dérivés du lidar possèdent la capacité de pénétrer dans le couvert forestier, facilitant ainsi les mesures détaillées des escarpements, des modèles d'érosion et de l'inclinaison des poteaux électriques.

Les données lidar aéroportées sont traitées via une suite logicielle spécialisée, la Toolbox for Lidar Data Filtering and Forest Studies (TIFFS), qui facilite le filtrage des données et l'analyse du terrain. Ce logiciel interpole les données brutes dans des modèles numériques de terrain. Ensuite, le laser est pointé vers la zone cible et la hauteur de chaque point au-dessus du sol est déterminée en soustrayant sa coordonnée z d'origine de l'élévation correspondante du modèle numérique de terrain. Cette hauteur relative au sol permet l'identification d'éléments non végétaux, tels que des bâtiments, des lignes électriques ou même des objets transitoires comme des oiseaux et des insectes. Les points de données restants sont classés comme végétation et sont utilisés pour la modélisation et la cartographie environnementales. Au sein de chaque parcelle définie, diverses métriques lidar, notamment la moyenne, l'écart type, l'asymétrie, les percentiles et la moyenne quadratique, sont calculées pour caractériser la structure de la végétation.

De nombreux systèmes lidar commerciaux conçus pour les véhicules aériens sans pilote (UAV) sont actuellement disponibles. Ces plates-formes offrent la capacité d'étudier systématiquement de vastes régions ou constituent une alternative rentable aux avions pilotés pour des opérations d'analyse plus localisées.

Les systèmes de bathymétrie lidar aéroporté (ALB) fonctionnent en mesurant le temps de vol d'un signal laser depuis sa source d'émission jusqu'à son retour au niveau du capteur. La méthodologie d'acquisition de données intègre à la fois un composant de cartographie des fonds marins et un composant de vérité sur le terrain, qui implique généralement des transects vidéo et un échantillonnage physique. Les systèmes ALB utilisent un faisceau laser à spectre vert (532 nm). Deux faisceaux sont dirigés sur un miroir en rotation rapide, générant un réseau dense de points de mesure. L'un de ces faisceaux est conçu pour pénétrer dans la colonne d'eau et, dans des conditions appropriées, détecter le fond marin.

La profondeur d'eau maximale mesurable par lidar dépend de la clarté de l'eau et des caractéristiques d'absorption de la longueur d'onde spécifique utilisée. L'eau présente la plus grande transparence à la lumière verte et bleue, permettant à ces longueurs d'onde d'atteindre la plus grande pénétration dans les environnements aquatiques clairs. Par conséquent, la lumière bleu-vert à 532 nm, générée par une sortie laser IR à semi-conducteurs doublée en fréquence, est devenue la norme pour la bathymétrie aéroportée. Bien que cette lumière puisse pénétrer dans l’eau, la force de son impulsion diminue de façon exponentielle à mesure que la distance dans la colonne d’eau augmente. Les systèmes Lidar sont capables de mesurer des profondeurs allant d'environ 0,9 à 40 m (3 à 131 pieds), atteignant une précision verticale d'environ 15 cm (6 pouces). Cependant, la réflexion en surface pose des problèmes pour résoudre avec précision les profondeurs inférieures à environ 0,9 m (3 pieds), tandis que l'absorption de la lumière limite la profondeur maximale mesurable. La turbidité influence considérablement la profondeur maximale atteignable en induisant une diffusion, et les pigments dissous peuvent encore augmenter l'absorption en fonction de la longueur d'onde. Certaines études suggèrent que la pénétration de l'eau est généralement de deux à trois fois supérieure à la profondeur de Secchi. Le lidar bathymétrique s'avère particulièrement utile pour la cartographie côtière dans la plage de profondeur de 0 à 10 m (0 à 33 pieds).

Dans les eaux de mer côtières modérément claires, le lidar atteint généralement une profondeur de pénétration moyenne d'environ 7 m (23 pieds), tandis que dans les eaux troubles, cette profondeur est réduite à environ 3 m (10 pieds). Les recherches de Saputra et al. (2021) indique que dans les eaux indonésiennes, la lumière laser verte pénètre généralement jusqu'à une profondeur équivalente à 1,5 à 2 fois la profondeur de Secchi. De plus, les variations de température et de salinité de l'eau influencent l'indice de réfraction, ce qui, à son tour, a un impact mineur sur les calculs de profondeur.

Les données acquises délimitent l'étendue complète de la surface terrestre exposée au-dessus du fond marin. Cette technique est très précieuse et est sur le point de jouer un rôle crucial dans les initiatives globales de cartographie des fonds marins. Le processus de cartographie génère à la fois une topographie terrestre et des élévations sous-marines. De plus, l’imagerie par réflectance des fonds marins, un produit dérivé de ce système, offre des avantages pour la cartographie des habitats submergés. Par exemple, cette méthodologie a été utilisée avec succès pour la cartographie d'images tridimensionnelles des environnements aquatiques de Californie à l'aide d'un lidar hydrographique.

Historiquement, les systèmes lidar aéroportés ne capturaient qu'un nombre limité de retours de pointe ; cependant, les systèmes contemporains sont capables d'acquérir et de numériser l'intégralité du signal réfléchi. Les chercheurs ont analysé ces signaux de forme d'onde pour en extraire les rendements maximaux, en utilisant souvent des techniques de décomposition gaussienne. Par exemple, Zhuang et al. (2017) ont appliqué cette méthodologie pour estimer la biomasse aérienne. La gestion d’ensembles de données étendus de formes d’onde complètes présente des défis importants. Par conséquent, la décomposition gaussienne des formes d’onde s’avère efficace en réduisant le volume de données et en s’intégrant aux flux de travail établis qui facilitent l’interprétation des nuages ​​de points 3D. Des recherches plus récentes ont exploré la voxélisation, un processus dans lequel les intensités des échantillons de forme d'onde sont cartographiées dans un espace voxélisé, créant ainsi une image en niveaux de gris 3D qui représente la région numérisée. Par la suite, des métriques et des informations structurelles pertinentes peuvent être dérivées de cette représentation voxélisée à l’aide de métriques 3D provenant de zones localisées. Une étude de cas notable a démontré l'application de la voxélisation pour identifier les eucalyptus morts sur pied en Australie.

Les applications lidar terrestres, également connues sous le nom de balayage laser terrestre, sont menées à la surface de la Terre et peuvent être classées comme stationnaires ou mobiles. Le balayage terrestre stationnaire est fréquemment utilisé comme technique d'arpentage dans divers domaines tels que la topographie conventionnelle, la surveillance environnementale, la documentation du patrimoine culturel et l'analyse médico-légale. Les nuages ​​de points 3D générés par ces scanners peuvent être intégrés aux images numériques capturées du point de vue du scanner de la zone étudiée, permettant la création rapide de modèles 3D réalistes par rapport aux technologies alternatives. Chaque point du nuage de points se voit attribuer la couleur correspondant au pixel de l'image acquise à l'emplacement et dans la direction identiques à ceux du faisceau laser d'origine.

La cartographie lidar terrestre intègre un processus de génération de cartes en grille d'occupation. Cette méthodologie consiste à diviser une zone en un réseau de cellules de grille, où les valeurs de hauteur provenant des données lidar sont stockées dans leurs cellules correspondantes. Par la suite, une carte binaire est construite en appliquant un seuil spécifique à ces valeurs de cellule, facilitant ainsi d’autres procédures analytiques. L'étape suivante consiste à traiter la distance radiale et les coordonnées z de chaque balayage pour vérifier la correspondance entre les points 3D et leurs cellules de grille désignées, permettant ainsi la formation de données.

Le lidar mobile, également appelé balayage laser mobile, implique le montage de deux scanners ou plus sur un véhicule en mouvement pour acquérir des données le long d'une trajectoire définie. Ces systèmes de balayage sont généralement intégrés à des équipements complémentaires, tels que les récepteurs du système mondial de navigation par satellite (GNSS) et les unités de mesure inertielle (IMU). Une application pratique comprend l'arpentage des rues, où des caractéristiques critiques telles que les lignes électriques, les hauteurs précises des ponts et les arbres adjacents nécessitent des mesures précises. Plutôt que de collecter individuellement chaque mesure sur le terrain à l'aide d'un tachymètre, un modèle 3D dérivé d'un nuage de points peut être généré, permettant d'extraire toutes les mesures requises, en fonction de la qualité des données acquises. Cette approche atténue le risque de négliger des mesures essentielles, à condition que le modèle soit accessible, fiable et possède un niveau de précision adéquat.

Applications

La technologie Lidar englobe un large spectre d'applications, au-delà de celles détaillées ci-après, et est fréquemment référencée dans les initiatives nationales relatives aux ensembles de données Lidar. L'utilité de ces applications dépend principalement de plusieurs facteurs : la portée effective de détection d'objets ; la résolution, qui dénote la précision avec laquelle le lidar identifie et catégorise les objets ; et la confusion en matière de réflectance, faisant référence à la capacité du système à discerner des objets au milieu d'éléments hautement réfléchissants tels que des panneaux lumineux ou un soleil intense.

Des efforts sont en cours par diverses entreprises pour réduire les coûts de fabrication des capteurs lidar, qui varient actuellement d'environ 1 200 USD à plus de 12 000 USD. De telles réductions de coûts devraient renforcer l'attrait du lidar et faciliter son adoption sur les marchés émergents.

Agriculture

Les robots agricoles sont déployés pour diverses fonctions, notamment la dispersion précise des graines et des engrais, diverses techniques de détection et le dépistage des cultures pour un contrôle efficace des mauvaises herbes.

La technologie Lidar est utile pour optimiser l'application d'engrais coûteux. Il facilite la génération de cartes topographiques détaillées des champs agricoles, identifiant ainsi les pentes et évaluant l'exposition solaire sur les terres agricoles. Les chercheurs du Service de recherche agricole ont exploité ces informations topographiques en conjonction avec les données historiques sur le rendement des terres agricoles pour délimiter les terres en zones de productivité élevée, moyenne ou faible. Cette stratification éclaire les stratégies d'application ciblée d'engrais visant à maximiser le rendement des cultures.

La technologie Lidar est actuellement utilisée pour surveiller les insectes dans leurs habitats naturels. Cette application permet de détecter les mouvements et le comportement d'insectes volants individuels, facilitant ainsi l'identification au niveau de l'espèce et du sexe. Une demande de brevet pour cette technologie a été déposée aux États-Unis, en Europe et en Chine en 2017.

Une autre application importante concerne la cartographie des cultures dans les vergers et les vignobles. Cette capacité permet d'évaluer la croissance du feuillage, d'identifier les besoins de taille ou d'entretien, de détecter les variations de rendement en fruits et de compter précisément les plantes.

Le Lidar s'avère particulièrement utile dans les environnements où les signaux du système mondial de navigation par satellite (GNSS) sont compromis, comme dans les vergers de noix et de fruits où un feuillage dense obstrue la réception GNSS précise pour les machines agricoles. Les capteurs Lidar peuvent identifier et surveiller avec précision les positions relatives des rangées, des plantes individuelles et d'autres marqueurs spatiaux, permettant ainsi aux équipements agricoles de maintenir la continuité opérationnelle jusqu'à ce que la connectivité GNSS soit rétablie.

Une gestion efficace des mauvaises herbes nécessite une identification précise des espèces végétales, un processus réalisable grâce à l'intégration du lidar 3D et de l'apprentissage automatique. Lidar génère les contours des plantes sous forme de « nuage de points », comprenant des données de portée et de réflectance. Ces données brutes subissent une transformation dont sont extraites des caractéristiques spécifiques. Lorsqu'une espèce est identifiée, ses caractéristiques sont intégrées à l'ensemble de données. L’espèce est ensuite étiquetée et ses caractéristiques sont initialement archivées comme référence pour une identification ultérieure dans des contextes réels. Cette méthodologie est très efficace, tirant parti du lidar basse résolution et de l’apprentissage supervisé. Il intègre un ensemble de fonctionnalités simples sur le plan informatique, utilisant des attributs statistiques standard qui ne varient pas en fonction de la taille de l'usine.

Opérations aéroportuaires

En avril 2025, l'aéroport international de Dallas-Fort Worth a dévoilé la mise en œuvre d'une plate-forme basée sur le lidar conçue pour la surveillance en temps réel des mouvements des passagers et des véhicules.

Archéologie

La technologie Lidar offre de nombreuses applications en archéologie, notamment la planification stratégique de campagnes sur le terrain, la cartographie précise des éléments cachés sous le couvert forestier dense et l'aperçu complet d'éléments topographiques étendus et continus qui seraient autrement imperceptibles depuis le niveau du sol. Lidar facilite la génération rapide et rentable d’ensembles de données haute résolution. De plus, les produits dérivés du lidar peuvent être intégrés de manière transparente aux systèmes d'information géographique (SIG) pour une analyse et une interprétation ultérieures.

Le Lidar joue un rôle déterminant dans la génération de modèles numériques d'élévation (DEM) haute résolution de sites archéologiques, qui peuvent dévoiler de subtiles caractéristiques microtopographiques obscurcies par la végétation. L'intensité du signal lidar réfléchi peut également être utilisée pour identifier des éléments enfouis sous des terrains plats et végétalisés, tels que des champs agricoles, en particulier lors de l'utilisation de la cartographie du spectre infrarouge. L’existence de ces caractéristiques souterraines influence la croissance des plantes, modifiant ainsi la quantité de lumière infrarouge réfléchie. Par exemple, au lieu historique national du Fort-Beauséjour-Fort-Cumberland au Canada, le lidar a réussi à identifier les éléments archéologiques associés au siège du fort en 1755. Des caractéristiques auparavant indétectables depuis le sol ou via des photographies aériennes ont été discernées en superposant les ombres des collines du DEM, générées avec un éclairage simulé sous plusieurs angles. D'autres travaux illustratifs comprennent les recherches menées à Caracol par Arlen Chase et Diane Zaino Chase. En 2012, le lidar a été déployé pour localiser la ville légendaire de La Ciudad Blanca, également connue sous le nom de « Ville du Dieu Singe », dans la région de la jungle de La Mosquitia au Honduras. Un effort de cartographie de sept jours a mis en évidence des structures anthropiques. Par la suite, en juin 2013, la redécouverte de Mahendraparvata a été déclarée. Dans le sud de la Nouvelle-Angleterre, le lidar a facilité la découverte de murs en pierre, de fondations de bâtiments, de routes désaffectées et d'autres éléments du paysage masqués sur les photographies aériennes par la dense canopée forestière de la région. De même, au Cambodge, Damian Evans et Roland Fletcher ont utilisé des données lidar pour documenter les modifications du paysage d'Angkor induites par l'homme.

En 2012, des enquêtes lidar ont démontré que la colonie Purépecha d'Angamuco dans le Michoacán, au Mexique, possédait une densité de construction comparable à celle de Manhattan contemporaine. Par la suite, en 2016, la cartographie lidar des anciennes chaussées mayas du nord du Guatemala a révélé 17 routes surélevées reliant l'ancienne ville d'El Mirador à d'autres endroits. Une avancée significative s'est produite en 2018 lorsque les archéologues, utilisant le lidar, ont identifié plus de 60 000 structures anthropiques dans la réserve de biosphère maya, indiquant une civilisation maya considérablement plus grande que ce qui était estimé précédemment. Plus récemment, en 2024, des archéologues utilisant la technologie lidar ont découvert les sites de la vallée d'Upano.

Véhicules autonomes

Les véhicules autonomes utilisent fréquemment le lidar pour détecter et éviter les obstacles, facilitant ainsi une navigation sûre dans divers environnements. L'émergence du Lidar s'est avérée cruciale, servant de principale technologie permettant à Stanley, le premier véhicule autonome, de mener à bien le Grand Défi DARPA. Les données de nuages ​​de points générées par les capteurs lidar fournissent des informations essentielles, permettant aux logiciels robotiques d'identifier les obstacles environnementaux potentiels et de déterminer la relation spatiale du robot avec eux. L'Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie (SMART) à Singapour est activement engagée dans le développement de technologies pour les véhicules autonomes utilisant le lidar.

Les premières générations de systèmes de régulateur de vitesse adaptatifs automobiles reposaient exclusivement sur des capteurs lidar.

Dans les systèmes de transport, une compréhension globale d'un véhicule et de son environnement est primordiale pour garantir la sécurité du véhicule et des passagers, ainsi que pour développer des systèmes électroniques d'aide à la conduite efficaces. Les systèmes Lidar contribuent de manière significative à améliorer la sécurité des infrastructures de transport. De nombreux systèmes électroniques conçus pour améliorer l'assistance à la conduite et la sécurité des véhicules, notamment le régulateur de vitesse adaptatif (ACC), l'assistance au freinage d'urgence et les systèmes de freinage antiblocage (ABS), nécessitent une détection environnementale pour fonctionner de manière autonome ou semi-autonome. Les techniques de cartographie et d'estimation basées sur le lidar répondent à cette exigence.

Les systèmes lidar contemporains intègrent des miroirs hexagonaux rotatifs qui divisent le faisceau laser émis. Les trois faisceaux supérieurs sont destinés à détecter les véhicules et les obstacles positionnés devant, tandis que les faisceaux inférieurs sont utilisés pour identifier les marquages ​​au sol et d'autres caractéristiques de la route. L'un des principaux avantages du déploiement lidar est sa capacité à acquérir des données structurelles spatiales, qui peuvent ensuite être intégrées aux entrées d'autres capteurs, tels que le radar, pour générer une représentation plus complète de l'environnement du véhicule, englobant à la fois les attributs statiques et dynamiques des objets présents. À l’inverse, un défi notable associé au lidar concerne la complexité de la reconstruction des données de nuages ​​de points dans des conditions météorologiques défavorables. Par exemple, lors de fortes pluies, les impulsions lumineuses émises par le système lidar sont partiellement réfléchies par les gouttelettes de pluie, introduisant du bruit, appelé « échos », dans les données collectées.

Une approche basée sur le lidar pour la détection d'obstacles et la reconnaissance de l'environnement routier, proposée par Kun Zhou et al., s'étend au-delà de la simple détection et suivi d'objets pour inclure l'identification des marquages ​​au sol et des caractéristiques de la route. Comme indiqué précédemment, ces systèmes lidar utilisent des miroirs hexagonaux rotatifs qui divisent le faisceau laser en six faisceaux distincts. Les trois couches supérieures sont dédiées à la détection d'objets positionnés devant, tels que des véhicules et des éléments en bordure de route. Le capteur lui-même est construit à partir de matériaux résistants aux intempéries. Les données détectées par Lidar sont segmentées en clusters puis suivies à l'aide d'un filtre de Kalman. Ce processus de regroupement de données s'appuie sur les caractéristiques de chaque segment, dérivées d'un modèle objet, qui facilite la différenciation de divers objets comme les véhicules et les panneaux de signalisation. Ces caractéristiques englobent les dimensions des objets, entre autres attributs. Des réflecteurs situés sur les bords arrière des véhicules servent à les distinguer des autres objets. Le suivi des objets est effectué via un filtre de Kalman à deux étages, qui prend en compte à la fois la stabilité du suivi et le mouvement accéléré des objets. Les données d'intensité de réflexion Lidar sont également utilisées pour la détection des trottoirs, en utilisant une régression robuste pour gérer efficacement les occlusions. Les marquages ​​routiers sont identifiés grâce à une méthode Otsu modifiée, qui fait la distinction entre les surfaces rugueuses et brillantes.

Étant donné que les réflecteurs routiers indiquant les limites des voies peuvent être obscurcis pour diverses raisons, des données supplémentaires sont essentielles pour une reconnaissance précise des limites routières. La technologie lidar utilisée dans cette méthodologie est capable de mesurer la réflectivité des objets, permettant ainsi l'identification des limites routières grâce à ces données. De plus, l'intégration d'un capteur équipé d'une tête résistante aux intempéries améliore les capacités de détection d'objets, même dans des conditions météorologiques défavorables. Par exemple, Lidar peut générer des modèles très détaillés de hauteur de canopée, avant et après des événements tels que des inondations, et délimiter simultanément les limites des routes. Les mesures Lidar jouent un rôle déterminant dans la caractérisation de la structure spatiale des obstacles, facilitant la différenciation des objets par taille et permettant l'estimation des impacts potentiels d'une collision. Les systèmes Lidar offrent une portée supérieure et un champ de vision étendu, ce qui est particulièrement bénéfique pour détecter les obstacles dans les courbes : un avantage significatif par rapport aux systèmes RADAR, qui possèdent généralement un champ de vision plus étroit. L'intégration des mesures lidar avec d'autres types de capteurs améliore la robustesse et l'utilité du système dans les applications en temps réel, d'autant plus que les systèmes centrés sur le lidar peuvent ne pas fournir à eux seuls des informations dynamiques sur les objets détectés. Cependant, il a été démontré que les systèmes lidar peuvent être manipulés, induisant potentiellement les véhicules autonomes en erreur et les incitant à exécuter des manœuvres d'évitement injustifiées.

Écologie et conservation

La technologie Lidar a de nombreuses applications dans la cartographie des paysages naturels et gérés, englobant les forêts, les zones humides et les prairies. Les systèmes lidar aéroportés facilitent l’étude de la hauteur du couvert forestier, des mesures de la biomasse et de la surface foliaire. Parallèlement, diverses industries, notamment l'énergie, les chemins de fer et le ministère des Transports, utilisent le lidar pour accélérer les processus d'arpentage. Les cartes topographiques, y compris celles à des fins récréatives comme la course d'orientation, peuvent être facilement générées à partir de données lidar. De plus, le lidar a été utilisé pour estimer et évaluer la biodiversité de la flore, des champignons et de la faune. Dans une application spécifique impliquant le varech du sud en Nouvelle-Zélande, les données de cartographie lidar côtières ont été corrélées avec des preuves génomiques de la population pour formuler des hypothèses concernant l'occurrence et la chronologie des événements de soulèvement sismique préhistorique.

Foresterie

Des systèmes Lidar ont été déployés efficacement pour améliorer les pratiques de gestion forestière. Ces mesures sont utilisées pour réaliser des inventaires au sein de parcelles forestières et pour calculer avec précision la hauteur des arbres individuels, la largeur de la cime et le diamètre de la cime. De plus, les analyses statistiques exploitent les données lidar pour obtenir des informations complètes sur les parcelles, notamment le volume de la canopée, les hauteurs moyennes, minimales et maximales, la couverture végétale, la biomasse, la densité de carbone et d'autres mesures. Par exemple, le lidar aérien a joué un rôle déterminant dans la cartographie des feux de brousse en Australie début 2020, où les données ont été traitées pour visualiser la terre nue et différencier la végétation saine de la végétation brûlée.

Géologie et sciences du sol

La génération de cartes numériques d'élévation haute résolution par lidar aéroporté et stationnaire a considérablement fait progresser la géomorphologie, la discipline géoscientifique axée sur l'origine et l'évolution de la topographie de la surface de la Terre. Les capacités du Lidar, notamment la détection de caractéristiques topographiques subtiles telles que les terrasses fluviales, les berges des chenaux fluviaux et les reliefs glaciaires ; la mesure de l'élévation de la surface terrestre sous le couvert végétal ; résolution améliorée des dérivées spatiales de l'élévation ; détection des chutes de pierres ; et l'identification des changements d'altitude au cours d'enquêtes répétées - ont facilité de nombreuses recherches novatrices sur les processus physiques et chimiques qui sculptent les paysages. Notamment, en 2005, la Tour Ronde, dans le massif du Mont Blanc, est devenue la première montagne de haute montagne où le lidar a été utilisé pour surveiller l'incidence croissante de fortes chutes de pierres sur de vastes parois rocheuses, un phénomène prétendument lié au changement climatique et à la dégradation du pergélisol de haute altitude.

La technologie Lidar, en particulier lorsqu'elle est intégrée au lidar aéroporté et aux systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS), est utilisée en géologie structurale et en géophysique pour l'identification et l'analyse des failles géologiques et pour quantifier le soulèvement de la croûte terrestre. Cette approche synergique produit des modèles d'élévation du terrain très précis, capables de discerner la topographie du sol même sous une couverture arborée dense. Une application notable consistait à localiser précisément l'emplacement précis de la faille de Seattle à Washington, aux États-Unis. En outre, cette méthodologie a joué un rôle déterminant dans la mesure du soulèvement du mont St. Helens, en utilisant des données comparatives avant et après l'événement de soulèvement de 2004. Les systèmes lidar aéroportés sont également cruciaux pour la surveillance des glaciers, permettant de détecter des changements même subtils dans leur bilan de masse. Pour cette application spécifique, le système satellitaire ICESat de la NASA intègre un sous-système lidar dédié. De même, le mappeur topographique aéroporté de la NASA est largement utilisé pour la surveillance des glaciers et l'analyse complète des changements côtiers. De plus, cette technologie combinée aide les pédologues à mener des études de sol. Les modèles de terrain détaillés générés facilitent l'identification de variations subtiles de pente et de cassures distinctes du relief, qui sont indicatives des modèles spatiaux de répartition et de caractéristiques du sol.

Applications atmosphériques

Les systèmes Lidar conçus pour les applications météorologiques, utilisant initialement des lasers à rubis, ont été développés peu de temps après l'invention du laser, marquant l'une des premières utilisations pratiques de cette technologie. Depuis lors, les capacités du lidar se sont considérablement développées, les systèmes actuels effectuant un large éventail de mesures. Celles-ci incluent le profilage des structures nuageuses, la quantification de la vitesse du vent, l'étude des aérosols atmosphériques et la détermination des concentrations de divers constituants atmosphériques. Ces mesures des composants atmosphériques fournissent des données précieuses, notamment la pression de surface (dérivée de l'absorption d'oxygène ou d'azote), les émissions de gaz à effet de serre (par exemple, dioxyde de carbone et méthane), l'activité photosynthétique (indiquée par les niveaux de dioxyde de carbone), la détection d'incendies (via le monoxyde de carbone) et l'humidité atmosphérique (vapeur d'eau). En fonction de l'objectif de mesure spécifique, les systèmes lidar atmosphérique peuvent être déployés à partir de plates-formes terrestres, aéroportées ou satellitaires.

La télédétection lidar atmosphérique fonctionne via deux mécanismes principaux :

1. Premièrement, en détectant les rayonnements rétrodiffusés provenant des constituants atmosphériques, et
2. Deuxièmement, en quantifiant la réflexion diffusée depuis le sol ou d'autres surfaces solides, en particulier lorsque le système lidar est aéroporté.

Les mesures de rétrodiffusion directe depuis l'atmosphère fournissent des données immédiates sur les nuages et les aérosols. Cependant, l’obtention d’autres mesures dérivées, telles que la vitesse du vent ou les propriétés des cristaux de glace des cirrus, nécessite une sélection méticuleuse de la longueur d’onde et/ou de la polarisation détectée. Les systèmes Lidar Doppler et Lidar Doppler Rayleigh sont spécifiquement utilisés pour déterminer la température et la vitesse du vent le long du faisceau lidar en analysant la fréquence de la lumière rétrodiffusée. Le phénomène d'élargissement Doppler, observé dans les gaz en mouvement, facilite la détermination des propriétés atmosphériques grâce au décalage de fréquence qui en résulte. Les systèmes lidar à balayage, illustrés par HARLIE à balayage conique de la NASA, ont été utilisés avec succès pour mesurer la vitesse du vent atmosphérique. La mission éolienne de l'Agence spatiale européenne (ESA), ADM-Aeolus, devrait intégrer un système lidar Doppler pour fournir des mesures globales des profils verticaux du vent. Notamment, un système lidar Doppler a été déployé lors des Jeux olympiques d'été de 2008 pour mesurer avec précision les champs de vent pour les compétitions de voile.

Les systèmes lidar Doppler sont de plus en plus mis en œuvre avec succès dans le secteur des énergies renouvelables pour acquérir des données critiques relatives à la vitesse du vent, à la turbulence, à l'orientation du vent et au cisaillement du vent. Des configurations lidar à ondes pulsées et continues sont utilisées pour ces applications. Les systèmes pulsés atteignent une résolution de distance verticale grâce à une synchronisation précise du signal, tandis que les systèmes à ondes continues dépendent de la focalisation du détecteur pour une discrimination spatiale similaire.

Le néologisme éolique a été introduit pour désigner l'étude collaborative et interdisciplinaire des phénomènes de vent, intégrant des simulations informatiques de dynamique des fluides avec des mesures lidar Doppler.

Bien que la réflexion au sol du lidar aéroporté fournisse des données sur la réflectivité de la surface à la longueur d'onde du lidar (en supposant une transmission atmosphérique connue), sa principale application implique souvent des mesures d'absorption atmosphérique. Les systèmes Lidar à absorption différentielle (DIAL) utilisent au moins deux longueurs d'onde, généralement séparées de moins de 1 nm, pour atténuer l'influence de la réflectivité de surface et d'autres pertes de transmission, car ces facteurs présentent une dépendance minimale à la longueur d'onde. Lorsqu'elles sont réglées avec précision sur les raies d'absorption spécifiques d'un gaz cible, les mesures DIAL permettent de déterminer la concentration atmosphérique de ce gaz (rapport de mélange). Cette technique est connue sous le nom d'approche Integrated Path Differential Absorption (IPDA), car elle quantifie l'absorption cumulée sur l'ensemble du trajet lidar. Les lidars IPDA, qui peuvent fonctionner en mode pulsé ou à onde continue (CW), utilisent couramment plusieurs longueurs d'onde et ont été appliqués à la télédétection de gaz tels que le dioxyde de carbone et le méthane.

Le lidar à réseau synthétique facilite les opérations d'imagerie lidar sans nécessiter de détecteur à réseau. Ses applications englobent l'imagerie vélocimétrie Doppler, l'imagerie à fréquence d'images ultra-rapide (atteignant des millions d'images par seconde) et la réduction des taches dans les systèmes lidar cohérents. Grant fournit une bibliographie lidar complète spécifiquement pour les applications atmosphériques et hydrosphériques.

Prévision des inondations

Au Japon, des progrès sont en cours dans les technologies lidar à absorption différentielle (DIAL) et lidar Raman pour améliorer la précision de la prévision des inondations et des précipitations.

Une initiative de recherche collaborative, dirigée par l'Université de Kyushu et impliquant plusieurs entreprises, universités et instituts, est actuellement engagée dans la détection météorologique et la modélisation des risques d'inondation dans le cadre d'un programme financé par le gouvernement.

Les principaux objectifs du projet sont les suivants :

• Utiliser le lidar pour observer la distribution verticale de la vapeur d'eau, la température, la direction et la vitesse du vent ;
• Intégrer ces données dérivées du lidar avec des observations par satellite et des cartes météorologiques en altitude pour générer de nouveaux ensembles de données météorologiques ;
• Utiliser des modèles d'intelligence artificielle pour la simulation et la prévision des précipitations, des débits fluviaux et des risques d'inondation.

En mai 2025, EKO Instruments a lancé une étude sur le terrain sur l'île de Goto Fukue, dans la préfecture de Nagasaki, en déployant un système lidar Micropulse DIAL fourni par le Centre national de recherche atmosphérique (NSF NCAR). Cette enquête vise à comparer les performances de la technologie DIAL avec celles des systèmes lidar Raman établis.

De plus, en février 2025, EKO Instruments Co. Ltd. a signé un accord de licence technologique avec la Montana State University, NSF NCAR et la NASA, englobant des brevets critiques liés à la technologie DIAL.

Applications militaires

Bien que les applications militaires opérationnelles spécifiques du lidar restent largement classifiées (par exemple, la mesure de vitesse basée sur le lidar pour le missile de croisière nucléaire furtif AGM-129 ACM), d'importantes recherches sont consacrées à ses capacités d'imagerie. Les systèmes lidar haute résolution peuvent acquérir suffisamment de détails pour l’identification de cibles, telles que les chars. Les applications militaires notables incluent le système aéroporté de détection de mines laser (ALMDS), développé par Areté Associates pour la guerre contre les mines.

Un rapport de l'OTAN (RTO-TR-SET-098) a évalué diverses technologies pour la détection et la discrimination à distance des agents de guerre biologique. Les technologies évaluées comprenaient l'infrarouge à ondes longues (LWIR), la diffusion différentielle (DISC) et la fluorescence induite par laser ultraviolet (UV-LIF). Le rapport conclut : Sur la base des résultats des systèmes lidar testés et discutés ci-dessus, le groupe de travail recommande que la meilleure option pour l'application à court terme (2008-2010) des systèmes de détection à distance est UV-LIF  ; cependant, pour des applications à long terme, d'autres techniques comme la spectroscopie Raman à distance peuvent s'avérer utiles pour identifier les agents de guerre biologique.

Des systèmes lidar spectrométriques compacts à courte portée utilisant la fluorescence induite par laser (LIF) sont proposés pour détecter les menaces biologiques en aérosol dans les environnements critiques intérieurs, semi-fermés et extérieurs, notamment les stades, les métros et les aéroports. Cette capacité de détection en temps quasi réel faciliterait l'identification rapide des rejets de bioaérosols, permettant ainsi la mise en œuvre rapide de mesures de protection pour les occupants et minimisant la propagation de la contamination.

Le système de détection à distance biologique à longue portée (LR-BSDS) a été conçu pour l'armée américaine afin de fournir l'alerte à distance la plus précoce possible en cas d'agression biologique. Ce système aéroporté, déployé par hélicoptère, est conçu pour identifier les nuages ​​d'aérosols synthétiques contenant des agents biologiques et chimiques à des distances significatives. Le LR-BSDS, doté d'une portée de détection d'au moins 30 km, est devenu opérationnel en juin 1997. De plus, cinq unités lidar fabriquées par la société allemande Sick AG ont été intégrées pour la détection à courte portée sur Stanley, le véhicule autonome qui a remporté la victoire au Grand Challenge DARPA 2005.

En juin 2010, un Boeing AH-6 robotique a exécuté avec succès un vol entièrement autonome, utilisant la technologie lidar pour éviter les obstacles.

Applications minières

Les calculs du volume de minerai sont effectués au moyen d'une analyse périodique (mensuelle) des zones d'extraction de minerai, suivie d'une comparaison des données de surface acquises avec les analyses précédentes.

Des capteurs Lidar sont également utilisés pour la détection et l'évitement d'obstacles dans les véhicules miniers robotisés, comme en témoigne leur intégration dans le système de transport autonome Komatsu (AHS) utilisé dans la mine du futur de Rio Tinto.

Physique et Astronomie

Un réseau mondial d'observatoires exploite la technologie lidar pour déterminer la distance par rapport aux réflecteurs lunaires, permettant ainsi des mesures au millimètre près de la position de la Lune et facilitant les tests de relativité générale. Le Mars Orbiting Laser Altimeter (MOLA), un instrument lidar embarqué sur le satellite Mars Global Surveyor de la NASA, a généré un levé topographique mondial exceptionnellement précis de Mars. Les altimètres laser ont également créé des modèles d'élévation globaux pour Mars, la Lune (via l'altimètre laser Lunar Orbiter (LOLA)) et Mercure (en utilisant l'altimètre laser Mercury (MLA) et le télémètre laser NEAR-Shoemaker (NLR)). Les missions à venir, telles que Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE), devraient intégrer des expériences d'altimètre laser, notamment l'altimètre laser Ganymède (GALA).

En septembre 2008, l'atterrisseur Phoenix de la NASA a utilisé le lidar pour identifier la neige dans l'atmosphère martienne.

Dans le cadre de la physique atmosphérique, le lidar sert d'instrument de télédétection pour quantifier les densités de composants spécifiques dans l'atmosphère martienne. atmosphère moyenne et supérieure, y compris le potassium, le sodium, l'azote moléculaire et l'oxygène. Ces mesures facilitent les calculs de température. De plus, le lidar peut déterminer la vitesse du vent et caractériser la distribution verticale des particules d'aérosol.

Au centre de recherche sur la fusion nucléaire Joint European Torus (JET), situé près d'Abingdon, dans l'Oxfordshire, au Royaume-Uni, la diffusion lidar Thomson est utilisée pour vérifier la densité électronique et les profils de température du plasma.

Mécanique des roches

La technologie Lidar a trouvé de nombreuses applications en mécanique des roches pour caractériser les masses rocheuses et détecter les changements de pentes. Plusieurs propriétés géomécaniques critiques de la masse rocheuse peuvent être dérivées des nuages ​​de points 3D générés par le lidar. Ces propriétés incluent :

• Orientation discontinuité
• Espacement des discontinuités et désignation de la qualité des roches (RQD)
• Ouverture de discontinuité
• Persistance des discontinuités
• Rugosité de discontinuité
• Infiltration d'eau

Certaines propriétés susmentionnées ont été utilisées pour évaluer la qualité géomécanique des masses rocheuses via l'indice Rock Mass Rating (RMR). De plus, étant donné que les orientations des discontinuités peuvent être extraites à l’aide de méthodologies établies, l’indice Slope Mass Rating (SMR) peut être appliqué pour évaluer la qualité géomécanique des pentes rocheuses. De plus, la comparaison des nuages ​​de points 3D d'une pente acquis à différents moments permet aux chercheurs d'analyser les altérations se produisant dans la scène au cours de cet intervalle, telles que celles résultant de chutes de pierres ou d'autres phénomènes de glissement de terrain.

THOR

THOR est un système laser conçu dans le but de mesurer les conditions atmosphériques de la Terre. Ce laser pénètre la couverture nuageuse pour quantifier l’épaisseur du halo renvoyé. Le capteur intègre une ouverture à fibre optique, mesurant 7+§34§⁄§56§ pouces (19 cm) de largeur, qui est utilisée pour mesurer la lumière réfléchie.

Applications robotiques

La technologie Lidar est utilisée en robotique pour la perception de l'environnement et la classification des objets. Sa capacité à générer des cartes d'élévation du terrain en trois dimensions, à fournir des mesures très précises de la distance au sol et à déterminer la vitesse d'approche facilite l'atterrissage sûr et précis des véhicules robotisés et avec équipage. De plus, le lidar est largement utilisé en robotique pour la localisation et la cartographie simultanées (SLAM) et s'intègre parfaitement aux simulateurs de robots.

Vol spatial

Le Lidar est de plus en plus adopté pour la télémétrie et le calcul des éléments orbitaux, en particulier la vitesse relative, lors des opérations de proximité des engins spatiaux et des manœuvres de maintien en position. De plus, le lidar a joué un rôle déterminant dans la réalisation d’études atmosphériques depuis l’espace. De courtes impulsions laser émises par un vaisseau spatial se reflètent sur de minuscules particules atmosphériques et retournent vers un télescope co-aligné avec le laser. En chronométrant précisément l’écho lidar et en quantifiant la lumière laser reçue, les scientifiques peuvent déterminer avec précision l’emplacement, la distribution et les caractéristiques de ces particules. Cette méthodologie fournit un outil innovant pour étudier les constituants atmosphériques, allant des gouttelettes nuageuses aux polluants industriels, qui sont difficiles à détecter par des moyens alternatifs.

L'altimétrie laser est appliquée pour générer des cartes numériques d'élévation des corps planétaires, notamment la cartographie de Mars par l'altimètre laser orbital de Mars (MOLA), la cartographie de l'altimètre laser orbital lunaire (LOLA) et de l'altimètre lunaire (LALT) de la Lune, et la cartographie de Mercure par l'altimètre laser à mercure (MLA). Cette technologie aide également à la navigation de l'hélicoptère Ingenuity lors de ses vols record sur le terrain martien.

Arpentage

Les capteurs lidar aéroportés sont utilisés par les sociétés de télédétection pour créer des modèles numériques de terrain (MNT) ou des modèles numériques d'élévation (DEM). Cette approche est courante pour les zones étendues, car un avion peut capturer des andains de 3 à 4 km (2–2+§34§⁄§56§ mi) de large en un seul passage. Une précision verticale améliorée, inférieure à 50 mm (2 pouces), peut être obtenue avec des survols plus bas, même dans les régions forestières, où le système peut déterminer à la fois la hauteur de la canopée et l'élévation du sol. En règle générale, un récepteur du système mondial de navigation par satellite (GNSS), configuré sur un point de contrôle géoréférencé, est nécessaire pour intégrer les données au système géodésique mondial (WGS).

Le Lidar est également utilisé dans les levés hydrographiques. En fonction de la clarté de l'eau, le lidar peut mesurer des profondeurs allant de 0,9 à 40 m (3 à 131 pieds), atteignant une précision verticale de 15 cm (6 pouces) et une précision horizontale de 2,5 m (8 pieds).

Transport

Dans le secteur ferroviaire, le lidar a été utilisé pour générer des rapports sur l'état des actifs à des fins de gestion, et par les services des transports pour évaluer l'état des routes. Lidar a également été intégré aux systèmes de régulateur de vitesse adaptatif (ACC) pour automobiles. Les systèmes développés par des sociétés telles que Siemens, Hella, Ouster et Cepton intègrent un dispositif lidar, souvent monté sur le pare-chocs avant du véhicule, pour surveiller la distance par rapport aux véhicules précédents. Si le véhicule qui précède décélère ou est trop proche, le système ACC applique automatiquement les freins pour réduire la vitesse. Lorsque la voie à suivre est libre, l'ACC permet au véhicule d'accélérer jusqu'à une vitesse prédéfinie par le conducteur. De plus, le Ceilometer, un instrument basé sur le lidar, est déployé dans les aéroports du monde entier pour mesurer la hauteur des nuages le long des trajectoires d'approche des pistes.

Optimisation du parc éolien

Le Lidar peut améliorer la production d'énergie des parcs éoliens en mesurant avec précision la vitesse du vent et les turbulences. Des systèmes lidar expérimentaux peuvent être installés sur la nacelle d'une éolienne ou intégrés dans son cône rotatif pour mesurer les vents horizontaux et les effets de sillage venant en sens inverse, permettant ainsi des ajustements proactifs des pales pour la protection des composants et une production d'énergie accrue. Le Lidar est également utilisé pour caractériser la ressource éolienne incidente, facilitant les comparaisons avec la production d'énergie éolienne afin de vérifier les performances grâce à des mesures de courbe de puissance. L'optimisation des parcs éoliens est considérée comme un domaine des éoliques appliquées. Une autre application du lidar dans l'industrie éolienne consiste à utiliser la dynamique des fluides computationnelle sur des surfaces numérisées par lidar pour évaluer le potentiel éolien, ce qui permet de déterminer le placement optimal du parc éolien.

Optimisation du déploiement du système solaire photovoltaïque

La technologie Lidar facilite également la planification et le développement urbains en optimisant le déploiement des systèmes solaires photovoltaïques, notamment en identifiant les toits appropriés et en quantifiant les pertes potentielles d'ombrage. Les initiatives contemporaines de balayage laser aéroporté se sont concentrées sur l'évaluation de l'irradiation solaire sur les façades verticales des bâtiments et sur l'intégration de calculs complets de perte d'ombrage, en tenant compte de la végétation et des nombreuses caractéristiques topographiques environnantes.

Jeux vidéo

Les titres de simulation de course contemporains, notamment rFactor Pro, iRacing, Assetto Corsa et Project CARS, intègrent progressivement des pistes de course méticuleusement reconstruites à partir de nuages de points 3D obtenus via des enquêtes lidar. Cette méthodologie produit des environnements 3D dans le jeu avec des réplications de surface atteignant une précision centimétrique ou millimétrique.

Le jeu d'exploration Scanner Sombre de 2017, développé par Introversion Software, intègre le lidar comme mécanisme de jeu de base.

Dans le projet Build the Earth, la technologie lidar facilite la génération de rendus de terrain précis dans Minecraft, corrigeant ainsi les inexactitudes, en particulier ceux liés à l'élévation, présents dans la génération de jeu par défaut. L'efficacité du rendu du terrain pour Build the Earth est limitée à la fois par la disponibilité des données régionales et par le temps de calcul requis pour la conversion des fichiers en blocs de données.

Sécurité physique

La technologie Lidar augmente la sécurité physique en permettant une détection précise et respectueuse de la confidentialité des menaces dans diverses applications, notamment la protection du périmètre, la surveillance des façades des bâtiments et la surveillance des infrastructures critiques. De tels systèmes utilisent des capteurs laser pour générer des nuages ​​de points à haute densité, garantissant un fonctionnement fiable même dans des conditions environnementales défavorables telles que les précipitations, les chutes de neige et l'obscurité totale. Un avantage important des systèmes lidar contemporains est leur intégration du lidar 3D, qui établit des zones de détection volumétrique précises englobant la hauteur, la largeur et la profondeur, facilitant ainsi une classification précise des dimensions et de la vitesse des objets. Contrairement aux systèmes lidar 2D, qui scannent généralement une surface plane unique et peuvent rencontrer des difficultés à faire la différence entre les menaces réelles et les déclencheurs inoffensifs basés uniquement sur la hauteur ou le volume, le lidar 3D atténue efficacement les fausses alarmes provenant de petits animaux ou de végétation grâce à une analyse complète des dimensions spatiales complètes de l'objet détecté.

Autres applications

Le clip de la chanson "House of Cards" de Radiohead de 2007 est largement considéré comme l'application pionnière du balayage laser 3D en temps réel dans la production de vidéoclips. Il est important de noter que les données de portée contenues dans cette vidéo ne sont pas exclusivement dérivées du lidar, car des techniques de balayage à lumière structurée ont également été utilisées.

En 2020, Apple a lancé l'iPad Pro de quatrième génération, qui incorporait un capteur lidar dans son module de caméra arrière, spécialement conçu pour améliorer les expériences de réalité augmentée (RA). Cette fonctionnalité a ensuite été étendue à la série iPhone 12 Pro et à tous les modèles Pro suivants. Sur les appareils Apple, la technologie lidar améliore la photographie en mode portrait avec des capacités en mode nuit, accélère les performances de mise au point automatique et augmente la précision de l'application Mesure.

À partir de 2022, le programme télévisé Wheel of Fortune a commencé à utiliser la technologie lidar pour surveiller les mouvements de la main de Vanna White sur le plateau du puzzle afin de révéler les lettres. Cette intégration technologique a été présentée pour la première fois dans le premier épisode de la 40e saison de la série.

Variantes

Flash lidar fonctionne en illuminant l'ensemble du champ de vision avec une seule impulsion laser très divergente, contrairement au lidar à balayage classique, qui utilise un faisceau laser collimaté pour éclairer séquentiellement des points individuels, en effectuant un balayage raster sur tout le champ de vision. Cette méthodologie d’éclairage distincte nécessite une approche de détection différente. Le balayage et le flash lidar utilisent une caméra à temps de vol pour acquérir des informations concernant l'emplacement tridimensionnel et l'intensité de la lumière incidente dans chaque image. Cependant, les caméras lidar à balayage n'intègrent qu'un capteur ponctuel, tandis que les caméras lidar flash comportent un réseau de capteurs unidimensionnel ou bidimensionnel, chaque pixel collectant des données de localisation et d'intensité en trois dimensions. Dans les deux systèmes, les informations de profondeur sont dérivées du temps de vol de l'impulsion laser (la durée nécessaire à chaque impulsion pour atteindre une cible et revenir au capteur), exigeant une impulsion laser synchronisée et une acquisition par caméra. Le résultat est une caméra capable de capturer des images à distance plutôt que des images couleur. Le lidar flash offre des avantages particuliers par rapport au lidar à balayage, en particulier lorsque la caméra, la scène ou les deux sont en mouvement, en raison de son éclairage simultané de l'ensemble de la scène. En revanche, le balayage lidar peut introduire une « gigue » causée par le retard temporel lorsque les trames laser traversent une scène en mouvement.

Conforme à toutes les modalités lidar, la source d'éclairage intégrée classe le flash lidar comme capteur actif. Le signal renvoyé est traité par des algorithmes intégrés pour générer un rendu tridimensionnel presque instantané des objets et des caractéristiques du terrain dans le champ de vision du capteur. La fréquence de répétition des impulsions laser est suffisante pour produire des vidéos tridimensionnelles haute résolution et précises. La fréquence d'images élevée du capteur en fait un instrument précieux pour diverses applications bénéficiant d'une visualisation en temps réel, telles que les opérations d'atterrissage à distance de haute précision. En fournissant un maillage d'élévation tridimensionnel immédiat des paysages cibles, un capteur de flash peut faciliter l'identification des zones d'atterrissage optimales dans les scénarios d'atterrissage d'engins spatiaux autonomes.

Pour obtenir une vision à longue distance, il faut un puissant éclat de lumière. Cependant, la puissance de sortie doit être limitée à des niveaux qui évitent d'endommager la rétine humaine, et les longueurs d'onde utilisées ne doivent pas nuire aux yeux humains. Un défi important se pose car les imageurs au silicium à faible coût sont incapables de détecter la lumière dans le spectre sans danger pour les yeux. Par conséquent, des imageurs à l'arséniure de gallium sont nécessaires, ce qui peut faire grimper les coûts jusqu'à environ 200 000 $. L'arséniure de gallium est le même composé utilisé dans la production de panneaux solaires coûteux et à haut rendement généralement déployés dans les applications spatiales.

Technologies alternatives

La vision stéréoscopique par ordinateur a démontré un potentiel considérable en tant qu'alternative au lidar pour les applications à courte portée, s'avérant nettement plus rentable lorsque cela est approprié.

• Mesure de structures géologiques par LiDAR – Mesure de terrain avec faisceaux lumineux
• Photogrammétrie – Prendre des mesures à l'aide de la photographie
• Réflectométrie dans le domaine temporel – Instrument électroniquePages affichant de brèves descriptions des cibles de redirection

Références

Gil, Emilio; Llorens, Jordi ; Llop, Jordi ; Fàbregas, Xavier; Gallart, Montserrat (2013). "Application d'un capteur LIDAR terrestre pour la détection de dérive dans la pulvérisation des vignobles." Capteurs, 13(1), 516-534. Bibcode:2013Senso..13..516G. est ce que je:10.3390/s130100516. PMC 3574688. PMID 23282583.

• Gil, Emilio; Llorens, Jordi ; Llop, Jordi ; Fàbregas, Xavier; Gallart, Montserrat (2013). "Utilisation d'un capteur LIDAR terrestre pour la détection de dérive dans la pulvérisation des vignobles". Capteurs. 13 (1) : 516–534. Bibcode:2013Senso..13..516G. est ce que je :10.3390/s130100516. PMC 3574688. PMID 23282583.Outsight (25 mai 2023). « Comprendre les principes fondamentaux de la technologie LiDAR 3D. » Outsight Insights.
  • Outsight (25 mai 2023). "Comprendre les bases de la technologie LiDAR 3D". Outsight Insights.Administration nationale océanique et atmosphérique (NOAA) (15 avril 2020). "Définir le LIDAR." National Ocean Service de la NOAA.