Voir la source de Lidar

[[Fichier:Starfire Optical Range - sodium laser.jpg|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]] ou '''LIDAR''', [[Acronymie|acronyme]] de l'expression en [[Anglais|langue anglaise]] « ''{{lang|en|light detection and ranging}}'' » ou « ''{{lang|en|laser imaging detection and ranging}}'' » (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 [[laser|faisceau]] de [[lumière]] renvoyé vers son émetteur.

À la différence du [[sonar]] qui utilise des [[Son (physique)|ondes acoustiques]] et du [[radar]] qui emploie des ondes électromagnétiques de plus basse fréquence ([[Onde radio|ondes radio]]), le lidar utilise des ondes électromagnétiques proches de la lumière visible (du [[spectre électromagnétique|spectre]] [[spectre visible|visible]], [[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, [[Onde monochromatique|monochromatique]], [[Polarisation (optique)|polarisée]], de haute amplitude et [[Cohérence (physique)|cohérente]].

Le principe de la [[Télémètre laser|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 impulsion réfléchie, connaissant la [[vitesse de la lumière]]. Quand la source laser est [[Onde entretenue|entretenue]] et [[Modulation de fréquence|modulée en fréquence]], on parle de lidar FMCW ({{Langue|en|''Frequency Modulated Continuous Wave''}}).

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|effet Doppler-Fizeau]], c'est-à-dire le décalage de la fréquence de l’onde réfléchie et reçue. 

Beaucoup d’autres paramètres (concentrations de gaz et de particules spécifiques, densité, température{{Etc.}}) peuvent être mesurés dans l’[[Atmosphère terrestre|atmosphère]] et les autres [[diffusion des ondes|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<ref>{{harvsp|Cracknell|Hayes|1991}}.</ref>, trouve des applications en [[topographie]]<ref name="Stoker">{{harvsp|Stoker|2007}}.</ref> ([[géomorphologie]], [[altimétrie]] et [[bathymétrie]]), [[Sciences de la Terre|géosciences]] ([[risque sismique]]<ref><!-- lien renvoi 451, bloqué pour raison légale en France -->{{Lien brisé |auteur = T. Paulson |titre = Lidar shows where earthquake risks are highest |site = SeattlePI |date = 2001 |langue = en |url = http://www.seattlepi.com/local/article/LIDAR-shows-where-earthquake-risks-are-highest-1052381.php }}.</ref>{{,}}<ref name="Gueguen">{{chapitre |langue=en |prénom1 = P.|nom1 = Guéguen |et al. = oui |titre chapitre = Analysis of reinforced concrete buildings using multipath lidar |titre ouvrage = European Workshop on Structural Health Monitoring |année = 2014 |lire en ligne = https://hal.inria.fr/hal-01021064/PDF/0334.pdf |format=pdf}}.</ref>, [[météorologie]]<ref name="Brocard">{{article |langue=en |prénom1 = E.|nom1 = Brocard |et al. = oui |titre = Raman Lidar for Meteorological Observations, RALMO |périodique = Atmospheric Measurement Techniques|année = 2013 }}.</ref>, [[physique atmosphérique|physique de l’atmosphère]]<ref>{{article |langue = en |prénom1 = G.|nom1 = Baumgarten |titre = Doppler/Rayleigh/Mie/Raman lidar for wind and temperature measurements in the middle atmosphere up to {{unité|80|km}} |périodique = Atmospheric Measurement Techniques |année = 2010 }}.</ref>) et [[environnement|sciences de l’environnement]] (étude de la [[Pollution de l'air|pollution atmosphérique]]<ref name="Barrett">{{article |langue = en|prénom1 = E.|nom1 = Barrett |prénom2 = O.|nom2 = Ben-Dov |titre = Application of the Lidar to Air Pollution Measurements |périodique = Journal of Applied Meteorology |année = 1967 |lire en ligne = http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/1520-0450%281967%29006%3C0500%3AAOTLTA%3E2.0.CO%3B2 }}.</ref>, [[agronomie]] & [[sylviculture]]<ref>{{lien web
|auteur = P. Lewis
|titre = Lidar for vegetation applications
|site = University College London
|url = http://www2.geog.ucl.ac.uk/~plewis/lidarforvegetation/lidarRS.pdf
|format = pdf
|langue = en
}}.</ref>), mais aussi dans l’[[archéologie]]<ref name="Raimondi">{{chapitre
|prénom1 = V.|nom1 = Raimondi
|et al. = oui
|titre chapitre = Fluorescence lidar technique for Cultural Heritage
|titre ouvrage = Handbook of the Use of Lasers in Conservation and Conservation Science
|lire en ligne = http://www.science4heritage.org/COSTG7/booklet
|langue = en
}}.</ref>, la prospection [[énergie éolienne|éolienne]]<ref name="Leosphere WindPower">{{Lien brisé
|site = Leosphere
|titre = Wind power applications
|url = http://www.leosphere.com/applications/wind-power
|langue = en
}}.</ref>, la régulation du [[contrôle de la circulation aérienne|trafic aérien]]<ref name="Leosphere Airport">{{Lien brisé
|site = Leosphere
|titre = Windcube 400S-AT : Unambiguous wind shear detection for safe traffic decisions
|date = 2013
|url = http://www.leosphere.com/wp-content/uploads/2014/02/WINDCUBE400S-AT_LEOSPHERE_BD.pdf
|format = pdf
|langue = en
}}.</ref>, le [[véhicule à guidage automatique|guidage automatique]]<ref name="blogautomobile.fr">{{lien web
|auteur = F. Euvrard
|titre = Après Google Street View, bientôt Google Driverless
|date = 2010
|url = http://blogautomobile.fr/technologie-apres-google-street-view-bientot-google-alone-videos-85542#axzz1Op8Q8Umv
}}.</ref> de véhicules terrestres ou spatiaux, ou encore la [[Prévention et sécurité routières|sécurité routière]]<ref name="RadarAuto">{{lien web
|site = Radars-auto.com
|titre = Les radars laser
|url = http://www.radars-auto.com/info-radars/modele-radar-laser.php
}}.</ref> ou l'[[Industrie de l'armement|industrie militaire]]<ref>{{article
|prénom1 = G.|nom1 = Pillet
|et al. = oui
|titre = Wideband Dual-Frequency Lidar-Radar for High-Resolution Ranging, Profilometry and Doppler Measurement
|périodique = Proceedings of SPIE
|volume = 7114
|année = 2008
}}.</ref>.

== Histoire et dénomination ==
[[Fichier:Amazing Lunar Laser Show - 18 Sept. 2010.jpg|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 [[laser à rubis|lasers à rubis]] naturellement impulsionnels de [[Theodore Maiman|Théodore Maiman]] sont exploités pour la télémétrie fine à grande distance. Aux États-Unis, Louis Smullin et Giorgio Fiocco du {{Langue|en|''[[Massachusetts Institute of Technology]]''}} (MIT) les emploient pour mesurer précisément la [[Mesure des distances en astronomie#Mesures de la distance Terre-Lune et du diamètre de la Lune|distance Terre-Lune]] en {{date-|mai 1962}} (Project Luna See)<ref>{{harvsp|Smullin|Fiocco|1962}}.</ref>, alors que Guy Goyer et Robert Watson du {{Langue|en|''[[National Center for Atmospheric Research]]''}} (NCAR) les appliquent parallèlement à la mesure de la hauteur des nuages<ref name="GoyerWatson1963">{{harvsp|Goyer|Watson|1963}}.</ref>. 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]]<ref>{{lien web
|auteur = J. Abshire
|titre = NASA’s Space Lidar Measurements of Earth and Planetary Surfaces
|date = 2010
|url = http://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20100031189
}}.</ref>, 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 »<ref>{{article
|prénom1 = J.|nom1 = Ring
|titre = The Laser in Astronomy
|périodique = New Scientist
|année = 1963
}}.</ref>, 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<ref>{{lien brisé
|auteur = J. Hecht
|titre= Lidar/ladar acronyms
|site = LaserFocusWorld.com
|url = http://www.laserfocusworld.com/blogs/what-the-hecht/2012/03/lidar-ladar-acronyms.html
}}.</ref>. On trouve également le sigle « ALSM » (Airborne Laser Swath Mapping)<ref>{{Lien brisé|url=http://imaging.geocomm.com/features/laserswath/}}.</ref> 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<ref name="RadarAuto"/>.

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<ref>https://www.forbes.com/sites/sabbirrangwala/2023/07/24/hesai-dominates-the-automotive-lidar-market/?sh=2a88b422119a</ref>.

== Généralités ==
De manière générale, le fonctionnement du lidar ressemble à celui du [[radar]] (basé sur l'[[écholocalisation]]), la différence étant le [[spectre électromagnétique|domaine spectral]] des [[ondes électromagnétiques]] employées. Alors que le radar fonctionne dans le domaine des [[micro-onde]]s ([[fréquences]] de {{unité|1|à=100|GHz}}, [[longueur d’onde|longueurs d’onde]] millimétriques et centimétriques), le lidar est fondé sur des [[laser]]s rayonnant dans le domaine [[infrarouge]], le domaine [[spectre visible|visible]] ou le domaine [[ultraviolet]] proche (fréquences au-delà de {{unité|10|THz}}, longueurs d’onde de {{unité|250|nm}} à {{unité|10|µm}}). Dans les deux cas, l’onde électromagnétique émise est [[Cohérence (physique)|cohérente]] et [[Polarisation (optique)|polarisée]]. Mais dans le domaine spectral visible, elle est beaucoup plus directive et elle peut interagir avec des objets de taille microscopique.
[[Fichier:Sonar Principle FR.svg|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.
[[Fichier:SchemaGeneralLidar.png|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 {{unité|100|mW}}). Ceci doit être concilié avec les exigences de [[laser#Sécurité|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 ({{unité|400|à=1400|nm}}) 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 (optique)#Diaphragme de champ|diaphragme de champ]] si nécessaire,
*spectralement, à l’aide d’un [[Filtre (optique)|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 « [[Cohérence (Physique)|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]] ».

[[Fichier:LidarCohérentHétérodyne.png|alt=Lidar à détection cohérente hétérodyne|centre|thumb|upright=2|Lidar à détection cohérente hétérodyne.]]

Avec <math>P</math> la puissance et <math>\phi</math> la phase, <math>R</math> désignant l'onde reçue et <math>OL</math> désignant l'oscillateur local, on a l'intensité <math>I</math> du signal, dépendant du temps <math>t</math>, qui est proportionnelle à :

<math>I(t) \propto P_{OL} + P_R + \underbrace{2\sqrt{P_R P_{OL}} \cos(\phi_R(t)-\phi_{OL}(t))}_{\text{Signal hétérodyne : fréquence } \Delta f_0+2 V_r/\lambda}</math>

où <math>\Delta f_0</math> est le décalage en fréquence fixe introduit sur l'oscillateur local, <math>V_r</math> est la vitesse radiale de la cible et <math>\lambda</math> 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{{exp|-4}} nm) de la lumière reçue autour de la fréquence centrale, tandis que la condition de [[Cohérence (Physique)|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 [[Tavelure (optique)|« 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 ===
[[Fichier:Lidar P1270901.jpg|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 <math>z</math> d’un objet réfléchissant les impulsions laser émises, à partir de la différence de temps entre l’émission d'une impulsion <math>t_0</math> et la réception de l’écho le plus important <math>t_{echo,max}</math> :

<math>z = \frac{c}{2}(t_{echo,max}-t_0)</math>

avec <math>c</math> la [[vitesse de la lumière]] (environ {{unité|299800|km||s|-1}}). La précision de cette mesure est inversement proportionnelle à la durée de l’impulsion et augmente avec l’énergie que l’on est parvenu à récupérer sur le photodétecteur du lidar.

On appelle « équation lidar » le [[bilan de liaison]] du lidar entre son émission et sa réception, c’est-à-dire l’énergie lumineuse <math>E</math> de l’impulsion rétrodiffusée par une cible (supposée [[Source lumineuse orthotrope|lambertienne]], c'est-à-dire qui diffuse la lumière uniformément) située à une distance <math>z</math> et captée par le lidar<ref>J. Shaw, [http://www.coe.montana.edu/ee/jshaw/classes/rss/rss_s12/notes/9_ee583_s12_lidar_directdet.pdf ''Optical Remote Sensing Systems : Lidar & Ladar''], Montana State University. {{pdf}}</ref> :

::<math> E(z) = E_0 F_R(z) T_{atm}^2(z) \frac{T_R A_R}{z^2} \frac{\rho}{\pi} \frac{A_{cible}(z)}{A_{spot}(z)}</math>

Dans cette équation :
* <math>E_0</math> représente l’énergie initiale de l’impulsion émise (en J) ;
* <math>F_R(z)</math> est la fonction de recouvrement entre le faisceau émis et le cône de réception du lidar (à valeur entre 0 et 1) ;
* <math>T_{atm}(z)</math> est la [[transmittance|transmission]] (à valeur entre 0 et 1) de l’atmosphère sur l’épaisseur <math>z</math> (cf. section lidar atmosphérique) ;
* <math>T_R</math> est la transmission (à valeur entre 0 et 1) et <math>A_R</math> la surface (en m{{2}}) du [[système optique]] de réception ;
* <math>\rho</math> est l’[[albédo]] de la cible (à valeur entre 0 et 1) ;
* <math>A_{cible}</math> est la surface de la cible éclairée par le laser (en m{{2}}) ; <math>A_{spot}(z)</math> est la surface totale (en m{{2}}) de la tache (« spot ») laser à la distance <math>z</math>. Par définition, <math>A_{cible}\le A_{spot}</math>, d’où <math>\frac{A_{cible}(z)}{A_{spot}(z)}=1</math> pour une cible [[pouvoir de résolution|résolue]] (cible plus grande que le faisceau) et <math>\frac{A_{cible}(z)}{A_{spot}(z)}\propto \frac{1}{z^2}\ </math> pour une cible non résolue (cible moins grande que le faisceau).
Application numérique : pour <math>F_R(z)=100 %</math>, <math>T_{atm}(z)=90%</math> (propagation sur {{unité|1|km}} en visée horizontale en visibilité moyenne), <math>T_R=60%</math> (optiques et filtres compris), <math>A_R=20</math> cm{{2}} (optique de {{unité|5|cm}} de diamètre), <math>\rho=30%</math>, cible résolue à une distance <math>z=1</math> km, on a :[[Fichier:LIDAR-scanned-SICK-LMS-animation.gif|thumb|upright=0.6|Principe du lidar télémètre à balayage.]]<math> E(z) \approx 10^{-10} E_0</math>

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

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

Parmi les très nombreuses applications de ces lidars, on peut citer :
* la reconstitution en [[3D]] d’environnements pour l’[[architecture]], l’[[urbanisme]]<ref>Y. Kobayashi, Photogrammetry and 3D city modeling, in Digital Architecture and Construction, WITpress {{ISBN|1-84564-047-0}}, 2006</ref>, ou l’exploration [[spéléologie|spéléologique]]<ref>M.K. Funk, Empire of Rock : China’s Supercaves, National Geographic, 2014, http://www.nationalgeographic.com/china-caves/</ref>,
* la télémétrie en temps réel pour le guidage automatique de véhicules terrestres<ref name="blogautomobile.fr"/> ([[voiture autonome]] et [[Système d'aide à la conduite|systèmes d'aide à la conduite]]) ou spatiaux<ref>Blogueur Julien@ESA, [http://blogs.esa.int/atv/2014/03/19/liris-laser-infra-red-imaging-sensors-demonstrator-on-atv-5/ ''LIRIS: Laser Infra-Red Imaging Sensors demonstrator on ATV-5''], 2014.</ref> (rendez-vous orbital, exemple : [[Véhicule automatique de transfert européen|ATV]]-5 Georges Lemaître),
* le contrôle de vitesse portatif pour la [[sécurité routière]] (jumelles dites à « radar laser »<ref name="RadarAuto"/>) par télémétrie différentielle : on mesure la variation de la distance de la cible en fonction du temps.
* depuis un avion ou depuis l’orbite, la [[topographie]] à haute précision de la Terre<ref name="Stoker"/> (lidar GLAS des satellites [[ICESat]]) ou des corps rocheux du système solaire<ref>J. Abshire et al, [http://ssed.gsfc.nasa.gov/IPM/PDF/Sample_abstract-IPM.pdf ''Mars Orbital Lidar for Global Atsmopheric and Topographic Measurements''], International Workshop on Instrumentation for Planetary Missions, 2012.</ref> (altimètre MOLA de la sonde martienne [[Mars Global Surveyor]]) pour obtenir un [[modèle numérique de terrain]]. En [[archéologie]] et [[géomorphologie]] cette technique aide à détecter des sites enfouis sous la végétation<ref>McElhanney, [http://www.mcelhanney.com/index.php?mact=News,cntnt01,detail,0&cntnt01articleid=19&cntnt01returnid=24 ''McElhanney uses LiDAR to Map Angkor Archaeological Sites''], 2014.</ref> ou l’eau<ref>[http://www.2grobotics.com/successful-subsea-laser-scanner-demonstration-by-c-c-technologies/ ''Successful Subsea Laser Scanner Demonstration by C & C Technologies''], 2013.</ref> ou bouleversés par la guerre<ref>Taborelli, P., Devos, A., Laratte, S., Brenot, J., Bollot, N., Cancès, B., & Desfossés, Y. (2017). [http://geomorphologie.revues.org/11711 « Apport des plans directeurs et de l’outil LiDAR aéroporté pour la caractérisation des impacts morphologiques de la Grande Guerre: exemple de la cote 108 (Berry‑au‑Bac, France) »]. Géomorphologie: relief, processus, environnement.</ref>{{,}}<ref>de Matos Machado, R., Amat, J. P., Arnaud-Fassetta, G., & Bétard, F. (2016). [http://echogeo.revues.org/14791 « Potentialités de l’outil LiDAR pour cartographier les vestiges de la Grande Guerre en milieu intra-forestier (bois des Caures, forêt domaniale de Verdun, Meuse) »]. EchoGéo (38)</ref>. En {{date-|février 2018}}, une équipe découvre une cité [[Civilisation maya|maya]] de plus de {{unité|2000|km|2}} au [[Guatemala]]<ref>{{Article|langue=en|auteur1=Clynes|prénom1=Tom|nom1=Silva|titre=Laser Scans Reveal Maya "Megalopolis" Below Guatemalan Jungle|périodique=National Geographic|date=2018-02-01|lire en ligne=https://news.nationalgeographic.com/2018/02/maya-laser-lidar-guatemala-pacunam/|consulté le=2018-04-19}}.</ref>. En [[sylviculture|foresterie]], elle sert à mesurer la hauteur de la [[canopée]] ou de la couronne des arbres, ce qui permet d’établir des bilans de couverture végétale, de [[biomasse (écologie)|biomasse]] ou de risque incendie à de très grandes échelles<ref name="Stoker"/>. Dans ce dernier cas, on note l’utilisation de lidars à large empreinte et à « onde complète » qui extraient les structures de la même manière que les lidars atmosphériques détaillés ci-après.
{{images
|légende = Applications des lidars télémètres
|image1 = Velodyne_High-Def_LIDAR.jpg
|légende1 = Pour le guidage automobile
|alternative1= Velodyne lidar
|image2 = ATV5_5_minutes_before_capture_-_outside_view.jpg
|légende2 = Approche et arrimage automatique de l'ATV 5 Georges Lemaître par lidar
|alternative2= ATV 5
|image3 = Mars_Orbiter_Laser_Altimeter_%28MOLA%29_Globe.jpg
|légende3 = Cartographie de Mars par le lidar MOLA de la sonde MGS
|alternative3= Carte Mars par MOLA
|image4 = Police-LIDAR-Gun-0946.jpg
|légende4 = Contrôle de vitesse
|alternative4= Lidar mobile pour contrôle de vitesse
|image5 = LIDAR_field_yield.jpg
|légende5 = Carte de rendement agricole
|alternative5= Carte de rendement agricole par lidar aéroporté
|position = centre
|hauteur = 150
}}
[[File:Ouster OS1-64 lidar point cloud of intersection of Folsom and Dore St, San Francisco.png|vignette|centré|redresse=3.2|alt=Vue fantomatique en tons violets de batiments dans une rue.|Vue de {{Lien|lang=en|Folsom Street}} (San Francisco) par un lidar Ouster OS1 monté sur une voiture. L'image est une [[projection orthogonale]] de points capturés par un système de [[cartographie et localisation simultanées]]. Chaque point est coloré en fonction de l'intensité du signal retour. ]]

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

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

<math>i_{het}(t) = i_0 \cos(2\pi(\Delta f_0+2\frac{V_r}{\lambda})t+\phi)</math>

avec <math>\Delta f_0</math> le décalage fixe imposé à l’oscillateur local, <math>V_r</math> la vitesse radiale de la cible (projetée vers le lidar), <math>\lambda</math> la longueur d’onde émise et <math>i_0</math> donné par l’équation lidar adaptée au cas du lidar cohérent (en supposant l’émission laser continue) :

<math>i_0^2(z) = 4 \eta_{het}^2 S^2 P_0P_{OL} F_R(z) T_{atm}(z) \frac{ T_R A_R}{z^2} \frac{\rho}{\pi} \frac{A_{cible}(z)}{A_{spot}(z)}</math>

Dans cette équation, plusieurs termes nouveaux apparaissent (les autres sont explicités dans la sous-section précédente) :
* <math>\eta_{het}</math> le [[rendement (physique)|rendement]] hétérodyne (à valeur entre 0 et 1), d’autant meilleur que les fronts d’ondes interférents se ressemblent, et très sensible à la propagation du faisceau,
* <math>S</math>, la [[Qualité métrologique d'un appareil de mesure#Sensibilité|sensibilité]] du [[photodétecteur]] (en A/W),
* <math>P_0</math>, la puissance émise (en W),
* <math>P_{OL}</math>, la puissance de l’oscillateur local (en W).

Le traitement du signal s’effectue par l’estimation de la fréquence instantanée du signal hétérodyne (opération parfois appelée [[Modulation de fréquence|démodulation]], comme en [[Récepteur radio|radio]]), afin de remonter à la vitesse de la cible. Il est à noter que, le lidar ayant une longueur d’onde {{Unité|10000|fois}} plus courte que le radar, la sensibilité en vitesse est d’autant décuplée par rapport aux [[radar Doppler]] : {{unité|1|MHz}} de décalage en fréquence correspond approximativement à une vitesse de {{unité|1|m/s}}. Sur des périodes longues, avec une émission laser continue visant une cible dure, on est ainsi capable de sonder des vitesses inférieures au micromètre par seconde.

[[Fichier:LidarVibroBuilding.png|thumb|La surveillance des méga-structures (grands bâtiments, ponts...) par leurs modes de vibration est l’une des applications civiles de la vibrométrie par lidar à detection cohérente : les vibrations naturelles sont ralenties et amorties après un endommagement.]]
{{Souligner|Applications}}:

Jusqu’à la fin des années 1990, seuls d’imposants et coûteux [[laser au dioxyde de carbone|lasers à gaz CO{{ind|2}}]] (infrarouge thermique, <math>\lambda=10,6</math> µm) avaient les caractéristiques nécessaires de finesse spectrale et de puissance, réservant ce lidar à des applications militaires apparentées au radar<ref>A. Gschwendter & W. Keicher, [https://www.ll.mit.edu/publications/journal/pdf/vol12_no2/12_2devcoherentlaserradar.pdf ''Development of Coherent Laser Radar at Lincoln Laboratory''], LLJ, 2000.</ref>. Il s’agit principalement de l’imagerie/[[télémétrie]]/[[vélocimétrie]] à très grande portée (jusqu’à plusieurs centaines de kilomètres). Il est possible d’aller sonder jusqu’à la forme et les mouvements des [[satellite artificiel|satellites]] et [[débris spatial|débris spatiaux]] en [[orbite terrestre basse]], inaccessible aux radars, dont le faisceau est trop divergent.

Par la suite, le développement des [[Liste des différents types de laser#Lasers à fibre|lasers fibrés]] (infrarouge proche, <math>\lambda=1,55</math> µm), compacts, robustes et moins onéreux, ont ouvert d’autres champs d’application sur cible dure, notamment la [[vibromètre laser|vibrométrie laser]] à grande distance :
* pour la surveillance de la santé mécanique des grandes structures par leurs [[mode normal|modes de vibration]] naturels, qu’il s’agisse d’[[ouvrage d’art|ouvrages d’art]]<ref>T. Miyashita et al., [http://www.ceric.net/kssc/KSSC_3_2008_8_4_325%28C%29.pdf ''Vibration-based Structural Health Monitoring for Bridges using Laser Doppler Vibrometers and MEMS-based Technologies''], Steel Structures, 2008.</ref>, d’une falaise sur le point de se décrocher<ref>J.-L. Got et al., [http://www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/10/819/2010/nhess-10-819-2010.pdf ''Pre-failure behaviour of an unstable limestone cliff from displacement and seismic data''], Natural Hazards and Earth System Sciences, 2010.</ref> ou des grands bâtiments d’une ville<ref name="Gueguen"/> après un [[séisme]]. L’intérêt est de ne pas avoir à s’approcher d’une structure qui peut potentiellement s’effondrer, ou de pouvoir balayer sa surface pour étudier la forme des modes de vibration (par exemple pour repérer des discontinuités causées par des fissures) sans avoir à y déposer des dizaines de capteurs.
* pour la détection de [[mine terrestre|mines terrestres]] enfouies, révélées par un scan des vibrations du sol soumis à une excitation sonore<ref>V. Aranchuk et al., ''Multi-beam laser Doppler vibrometry for landmine detection'', Optical Engineering 45, 2006</ref>
* par ailleurs, dans la défense, les lidars vibromètres sont applicables à la détection<ref>V. Aranchuk et al., ''Standoff detection of obscured vehicle with laser Doppler vibrometry'', Proc. of SPIE 7303, 2009</ref> et à l’[[identification friend or foe|identification]] à grande distance<ref>V. Jolivet et al., ''Feasibility of air target identification using laser radar vibrometry'', Proc. of SPIE 5807, 2005</ref> de véhicules terrestres ou aériens par leurs vibrations spécifiques, ou encore à l’[[Renseignement|espionnage]]<ref>Z. Zhu, [http://www-cs.ccny.cuny.edu/~zhu/LDV/FinalReportsHTML/CCNY-LDV-Tech-Report-html.htm ''Integration of Laser Vibrometry with Infrared Video for Multimedia Surveillance Display''], City College of New York report for the US Air Force Research Laboratory, 2004.</ref>. Ces applications sont toutefois relativement récentes et donc exploratoires.

== Lidars à cible diffuse – lidar atmosphérique ==
Les lidars peuvent effectuer des mesures à travers différents milieux diffus (océan, forêt) outre l’[[atmosphère terrestre|atmosphère]], mais nous nous concentrerons sur ce dernier cas, majoritaire et représentatif. Dans l’atmosphère, il s’agit d’analyser les échos lumineux provenant des molécules de l’air ou des particules ([[aérosols]], gouttelettes d’eau ou cristaux de glace) en suspension dans la colonne traversée par le faisceau laser. On étudie l’intensité de la rétro[[diffusion des ondes|diffusion]] ou de l’[[atténuation]] de la lumière par ces constituants. Comme dans une [[échographie]], le signal reçu représente une coupe de l’atmosphère.

[[Fichier:LidarAtmospherique.png|thumb|upright=2|center|Principe du lidar atmosphérique.]]
La difficulté du traitement de ce signal est de séparer les effets d’atténuation de ceux de la rétrodiffusion, ainsi que la contribution respective des particules en suspension et des différentes molécules<ref>R. Collis & P. Russell, ''Lidar Measurement of Particles and Gases by Elastic Backscattering and Differential Absorption'', in Laser Monitoring of the Atmosphere, 1976.</ref>. C’est un cas exemplaire de [[problème inverse]] [[Conditionnement (analyse numérique)|mal conditionné]] pour lequel on tente, avec peu d’observables mais un bon [[modèle mathématique]] du [[système physique]] observé, de remonter aux paramètres caractéristiques du système. Si l’on sait résoudre ce problème, on peut alors accéder à la [[densité]] et la [[Concentration molaire|concentration]] de constituants de l’atmosphère, leurs propriétés optiques qui renseignent sur leur nature, mais aussi des paramètres physiques tels que la [[température]] ou la vitesse des vents, en fonction de l’altitude. On parle donc [[Problème inverse|« d'inverser »]] le signal lidar pour le fait de résoudre l'équation qui le décrit.

L’extinction (atténuation) et la rétrodiffusion sont en effet la somme de termes associés aux différentes particules et molécules présents dans l’atmosphère, et dépendent parfois fortement de la longueur d’onde. Chaque terme est le produit de la concentration de l’espèce (en m{{exp|-3}}) par la [[section efficace]] d’interaction (en m{{exp|2}} pour l’extinction ou m{{exp|2}}.sr{{exp|-1}} pour la rétrodiffusion). Ces sections efficaces donnent une idée de l’ordre de grandeur des phénomènes d’interaction.

Importance des interactions lumière-atmosphère en termes de section efficace de rétrodiffusion<ref>{{lien web
|auteur = X. Chu
|titre = Lecture on Lidar Remote Sensing
|site = University of Colorado
|url = http://home.ustc.edu.cn/~522hyl/%B2%CE%BF%BC%CE%C4%CF%D7/UCS%BD%CC%B3%CC/Lecture07.pdf
|format = pdf
|langue = en
}}.</ref> :
{|class="wikitable"
|-
! Interaction !! Section efficace de rétrodiffusion !! Caractéristiques
|-
|Diffusion de Mie (particules aérosols)||10{{exp|-8}} - 10{{exp|-10}} cm{{exp|2}}sr{{exp|-1}}||Instantanée, élastique (même longueur d’onde)
|-
|Fluorescence résonnante (ex : espèces métalliques)||10{{exp|-13}} cm{{exp|2}}sr{{exp|-1}}||Instantanée, inélastique (changement de longueur d’onde)
|-
|Fluorescence (ex : aérosols biologiques)||10{{exp|-19}} cm{{exp|2}}sr{{exp|-1}}||Retardée, inélastique
|-
|Diffusion Rayleigh (molécules)||10{{exp|-27}} cm{{exp|2}}sr{{exp|-1}}||Instantanée, élastique
|-
|Diffusion Raman (molécules)||10{{exp|-30}} cm{{exp|2}}sr{{exp|-1}}||Instantanée, inélastique
|}
Les observations lidar sont principalement représentées sous deux formes :
* Le profil lidar est usuellement la représentation de l'évolution du signal lidar <math>E(z)</math> (parfois corrigée de la dépendance en <math>1/z^2</math>) ou d'un paramètre dérivé du traitement de ce signal, en abscisse, en fonction de l'altitude <math>z</math>, en ordonnée.
* Une série temporelle lidar est une figure en trois dimensions représentant l'évolution du signal lidar (en couleur) en fonction du temps (en abscisse), et de l'altitude (en ordonnée).
[[Fichier:Profil&SerieTemporelleLidar.jpg|thumb|upright=2|center|Exemple de profil et série temporelle obtenus à l’aide d’un lidar atmosphérique (Rayleigh-Mie-Raman, Minorque, 2012).]]
On peut classer les lidars atmosphériques suivant le phénomène d’interaction observé.

=== Lidars à rétrodiffusion (Rayleigh, Mie ou Raman) ===
Ces lidars sont pour la plupart basés sur des lasers puissants (énergie de plus de {{unité|10|m[[Joule|J]]}} par impulsion) émettant entre le proche [[infrarouge]] et le proche [[ultraviolet]]. La [[longueur d'onde]] sera choisie courte si l'on souhaite maximiser l’interaction avec les molécules et petites particules (cas Rayleigh/Raman)<ref name="Measures">{{harvsp|Measures|1992}}.</ref>, ou longue dans le cas contraire (cas Mie). De nos jours, les [[laser Nd-YAG|lasers au néodyme]], émettant à {{unité|1064|nm}} (proche infrarouge), {{unité|532|nm}} (vert) et/ou {{unité|355|nm}} (proche ultraviolet) par doublage ou triplage de fréquence, sont souvent employés.

[[Fichier:LidarAtmospheriqueDetail.png|thumb|center|upright=3|Détail de l'interaction laser-atmosphère en lidar atmosphérique et éléments de calcul de l'équation lidar.]]

==== Dans le cas des lidars « Rayleigh » et/ou « Mie » ====
On étudie la rétrodiffusion directe des constituants de l’atmosphère à la même longueur d’onde que celle qui a été émise. La diffusion est dite « [[diffusion élastique de rayonnement|élastique]] » : elle se produit sans échange d’énergie entre les [[photon]]s incidents et le diffuseur rencontré. On distingue la [[Diffusion Rayleigh|diffusion « Rayleigh »]] des molécules (la taille du diffuseur est largement inférieure à la longueur d’onde utilisée) de la [[diffusion de Mie|diffusion « de Mie »]] des particules [[aérosols]] (la taille du diffuseur est du même ordre de grandeur que la longueur d’onde utilisée).

L'« équation lidar » est dans ce cas l’expression de la distribution verticale d’[[énergie électromagnétique|énergie lumineuse]] rétrodiffusée par une tranche d'atmosphère d'épaisseur <math>\Delta z</math> et captée par le lidar, en fonction de l’altitude <math>z</math>, que l'on cherche le plus souvent à résoudre pour trouver le profil d'extinction <math>\alpha (z)</math> ou de rétrodiffusion <math>\beta (z)</math><ref name="Measures"/>:

<math>E(z) = E_0 F_R(z) \frac{ T_R A_R}{z^2} \beta(\lambda,z) \Delta z \times\underbrace{\exp\left[-2 \int_0^z \alpha(\lambda,z')dz'\right]}_{T_{atm}^2(\lambda,z)}</math>

Dans cette équation :
* <math>E_0</math> représente l’énergie initiale des impulsions émises (en J) ;
* <math>F_R(z)</math> est la fonction de recouvrement entre le faisceau laser émis et le cône de réception du lidar à la distance z (à valeur entre 0 et 1) ;
* <math>\Delta z=c /2\times\Delta t</math> est la taille de la case distance ou résolution en distance (en m), fixée par Δ''t'' qui est le maximum entre la durée de l’impulsion et le temps de réponse de la détection ;
* <math>T_R</math> est la transmission (à valeur entre 0 et 1) et <math>A_R</math> la surface (en m{{exp|2}}) du système optique de réception ;
* <math>\alpha(\lambda, z)</math> représente le [[coefficient d'extinction]] (ou [[atténuation#Ondes|atténuation]], en m{{exp|-1}}) à l'altitude <math>z</math> et à la longueur d’onde <math>\lambda</math>, elle conditionne la transmission de l’atmosphère <math>T_{atm} (\lambda)</math> ;
* <math>\beta(\lambda, z)</math> représente le coefficient de [[Diffusion des ondes#Applications|rétrodiffusion]] (en m{{exp|-1}}.sr{{exp|-1}}) à l'altitude <math>z</math> et à la longueur d’onde <math>\lambda</math>.

Il est à noter que les coefficients d’extinction et de rétrodiffusion sont la somme de contributions particulaire (<math>p</math>) et moléculaire (<math>m</math>) évoluant différemment avec la longueur d'onde et l'altitude :

<math>\begin{cases} \alpha(z) = \alpha_p(z) + \alpha_m(z), \\ \beta(z) = \beta_p(z) + \beta_m(z) \end{cases}</math>

Sachant que l'énergie exacte transmise <math>E_0T_R</math> est rarement connue avec suffisamment de précision, l'équation lidar devient une équation à 5 inconnues au total. Il faut user d'hypothèses simplificatrices pour la résoudre.
* Dans la haute atmosphère (>{{unité|10|km}}), il n'y a habituellement pas de particules, et un lidar Rayleigh étudiant uniquement la diffusion des molécules peut remonter, en sachant que <math>\alpha_m=8\pi/3\times\beta_m</math>, au coefficient d'extinction. Celui-ci étant proportionnel au nombre de molécules, on obtient ainsi des profils de [[densité]] de la [[stratosphère]] et de la [[mésosphère]]. D’autre part, à l’aide d’un [[interféromètre]] spécifique placé à la réception (détection dite à « haute [[résolution spectrale]] »), il est possible de mesurer le décalage spectral par [[effet Doppler]] du spectre de rétrodiffusion des molécules, donnant accès à la vitesse du vent<ref>D. Bruneau et al., ''Wind velocity lidar measurements by use of a Mach-Zender interferometer, comparison with a Fabry-Perot interferometer'', Applied Optics 43, 2004</ref>.
* Dans la [[troposphère]] (<{{unité|10|km}}), il faut utiliser des hypothèses simplificatrices (profil de densité moléculaire, albédo des particules), pour réduire le nombre d’inconnues. On remonte ainsi au profil d'extinction des particules ([[aérosols]], gouttelettes ou cristaux dans les [[nuage]]s) en fonction de l'altitude, qui renseigne sur leur [[Concentration molaire|concentration]]. Différents concepts d’instruments récents (avec une mesure de la [[Polarisation (optique)|dépolarisation]] de la lumière reçue, ou l’utilisation de plusieurs longueurs d’onde à l’émission) peuvent contribuer à déterminer la nature des particules<ref>S. Burton et al., ''Aerosol classification using airborne high spectral resolution lidar measurements - methodology and examples'', Atmospheric Measurements Techniques 5, 2012</ref> (« spéciation » : [[pollution]], poussières, cendres, gouttelettes, cristaux) ; par exemple, la phase des nuages (eau liquide : pas de dépolarisation, cristaux de glace : forte dépolarisation).

{{Souligner|Applications :}}
De manière générale, les systèmes Rayleigh/Mie sont très divers et conçus spécifiquement en vue d'une application particulière (sol ou aéroporté, particules/molécules, basse ou haute altitude). Beaucoup mettent en œuvre de multiples canaux (Rayleigh, Mie, Raman, dépolarisation…) simultanément pour maximiser le nombre d'observations.

Plusieurs modèles de lidar Rayleigh-Mie sont commercialisés depuis le milieu des années 2000<ref>{{lien web
|langue = en
|site = Raymetrics
|titre = Backscatter LIDAR LB100-D200
|url = http://www.raymetrics.gr/#!backscatter-lidar/cfm5
}}.</ref> et commencent à équiper des réseaux de surveillance de la basse atmosphère à l'échelle nationale et internationale<ref>{{Lien web|langue = anglais|titre = A European Aerosol Research Lidar Network to Establish an Aerosol Climatology: EARLINET|url = http://www.earlinet.org/|consulté le = 2014-11-15}}.</ref>. Un réseau mondial de lidar à micro-impulsions (émettant des milliers d'impulsions microjoules par seconde, plutôt que les quelques dizaines d'impulsions millijoules par seconde des lidars), MPLNET, a notamment été développé par la [[National Aeronautics and Space Administration|NASA]]<ref>{{lien web
|langue = en
|site = Goddard Space Center
|titre = The Micro Pulse Lidar Network
|url = http://mplnet.gsfc.nasa.gov/
}}.</ref> :
* étude de la densité, du contenu en eau/glace, de la granulométrie et de la formation des nuages et brouillards<ref name="GoyerWatson1963" /> ;
* « ceilométrie », mesure de la hauteur d'altitude du plafond nuageux ou « super-ceilométrie » de la [[Couche Limite#Domaines d'application#Météorologie|couche limite atmosphérique]], pour l'aviation civile ou la météorologie<ref name="Barrett"/> ;
* mesure de densité et de température de la moyenne atmosphère (10 à {{unité|100|km}}) terrestre depuis le sol par lidar Rayleigh<ref>{{article |langue=en
|prénom1 = E.|nom1 = Silverberg
|prénom2 = S.|nom2 = Poultney
|titre = Optical radar back scattering from the mesopause region during July and August 1967
|périodique = Technical Report
|année = 1967
}}.</ref>{{,}}<ref>{{lien web
|langue = en
|auteur = L. Sox et al.
|titre = Middle Atmosphere Temperature Results from a New, High powered, Large Aperture Rayleigh Lidar
|date = 2012
|url = http://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1001&context=spacegrant
}}.</ref> (mise en évidence d'[[onde de gravité|ondes de gravité]] dès 1967) ;
* étude de la [[pollution atmosphérique]] [[particules en suspension|particulaire]]<ref name="Barrett"/> (pour la compréhension de ses sources, son impact sur le [[réchauffement climatique]]<ref>{{article
|prénom1 = F.|nom1 = Wagner
|et al. = oui
|titre = Comparison of the radiative impact of aerosols derived from lidar and sunphotometer measurements sous-titre = example of an Indian aerosol plume
|périodique = Journal of Geophysical research
|année = 2001
|langue = en
}}.</ref>, la prévision de la [[Surveillance de la qualité de l'air|qualité de l’air]]<ref>{{ article
|prénom1 = Y.-G.|nom1 = Wang
|et al. = oui
|titre = Assimilation of lidar signals|sous-titre = application to aerosol forecasting in the Mediterranean Basin
|périodique = Atmospheric Physics and Chemistry
|volume = 14
|année = 2014
|langue = en
}}.</ref>) et des transports de particules [[aérosols]] ([[pollen]], [[Tempête de sable|poussières désertiques]]<ref>{{article
|prénom1 = P.|nom1 = Chazette
|et al. = oui
|titre = The mobile Water vapor Aerosol Raman LIdar and its implication in the framework of the HyMeX and ChArMEx programs|sous-titre = application to a dust transport process
|périodique = Atmospheric Measurement Techniques
|volume = 7
|année = 2014
|lire en ligne = http://www.atmos-meas-tech.net/7/1629/2014/amt-7-1629-2014.pdf
|langue = en
}}.</ref>, [[cendre volcanique|cendres volcaniques]]<ref>{{article
|prénom1 = A.|nom1 = Miffre
|et al. = oui
|titre = Interpretation of Accurate UV Polarization Lidar Measurements|sous-titre = Application to Volcanic Ash Number Concentration Retrieval
|périodique = Journal of Atmospheric and Oceanic Technology |lien périodique=Journal of Atmospheric and Oceanic Technology
|volume = 29
|année = 2012
|lire en ligne = http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/JTECH-D-11-00124.1
|langue = en
}}.</ref>…) depuis le sol ou par satellite (lidar CALIOP sur le satellite [[CALIPSO]], partenariat [[CNES]]/[[National Aeronautics and Space Administration|NASA]]) ;
* observation des nuages de glace<ref>{{article
|prénom1 = J.|nom1 = Whiteway
|et al. = oui
|titre = Mars Water Ice Clouds and Precipitations
|périodique = Science
|volume = 235
|année = 2009
|langue = en
}}.</ref> et poussières<ref>{{article
|prénom1 = L.|nom1 = Komguem
|et al. = oui
|titre = Phoenix LIDAR measurements of Mars atmospheric dust
|périodique = Icarus
|volume = 223
|année = 2013
|langue = en
}}.</ref> dans l’atmosphère de [[Mars (planète)|Mars]] par le lidar de la sonde [[Phoenix (sonde spatiale)|Phoenix]] (NASA), inclus à la station météo canadienne MET<ref>{{lien web
|titre = Meteorological Station (MET) built by the Canadian Space Agency
|site = Phoenix Mars Mission
|url = http://phoenix.lpl.arizona.edu/science_met.php
|langue = en
}}.</ref> ;
* mesure de la vitesse du vent par satellite pour l’amélioration des modèles de [[prévision météorologique]] (lidar ALADIN sur le satellite [[ADM-Aeolus]]<ref>{{lien web
|auteur = O. Reitebuch
|titre = The Wind Lidar Mission ADM-Aeolus: Recent Science Activities and Status of Instrument Development
|date = 2008
|url = http://www.pa.op.dlr.de/aeolus/Campaigns_Pub/Reitebuch1_ADM_Feb08.pdf
|format = pdf
|langue = en
}}.</ref>), et potentiellement par avion pour la mesure de vitesse air sans [[sonde Pitot]] et la détection de turbulence en avant de l’appareil<ref>{{article
|prénom1 = N.|nom1 = Cezard
|et al. = oui
|titre = Performance evaluation of a dual fringe-imaging Michelson interferometer for air parameter measurements with a 355nm Rayleigh–Mie lidar
|périodique = Applied Optics
|volume = 48
|année = 2009
|langue = en
}}.</ref>.

{{images
|légende = Applications des lidars Rayleigh et/ou Mie
|image1 = Sample_data_from_the_Cloud_Physics_Lidar.jpg
|légende1 = Structure de nuages cirrus mis en évidence par le Cloud Physics Lidar (NASA), lidar aéroporté pour l'étude des nuages
|alternative1= Observations lidar CPL
|image2 = Profiles_from_Australia_and_New_Zealand_with_model_trajectories.jpeg
|légende2 = Cendres volcaniques observées au-dessus de l'Australie par le lidar CALIOP du satellite Calipso
|alternative2= Observations lidar Calipso
|image3 = Lidar_Fall_Streaks.jpg
|légende3 = Chutes de neige (flèche) vues par le lidar de la sonde Phoenix sur Mars
|alternative3= Neige sur Mars
|position = centre
|hauteur = 180
}}

==== Cas particulier du « lidar vent » : lidar Mie à détection cohérente ====
[[Fichier:LidarVent3D.png|thumb|Reconstitution du vecteur vent en 3 dimensions par un lidar vent mesurant la vitesse radiale par effet Doppler suivant différents axes.]]
Le système communément appelé « lidar vent » est un lidar à diffusion de Mie à détection cohérente hétérodyne, [[Radar#Radar monostatique, bistatique, multistatique|monostatique]] (une seule optique d'émission et de réception), pour la mesure du champ de vent dans la [[Couche Limite#Domaines d'application#Météorologie|couche limite atmosphérique]] : il donne vitesse et direction du vent en fonction de l'altitude, potentiellement jusqu'à 1 ou {{unité|2|km}}, dans la couche proche du sol où des particules (aérosols) réfléchissent son émission. Il s'agit donc d'une version dans le spectre visible du [[profileur de vents]].

L'[[amplitude]] du signal peut-être exploitée pour calculer la concentration des aérosols, mais on s'intéresse majoritairement à la [[Phase (onde)|phase]] du signal, dont la [[dérivée]] est proportionnelle à la vitesse radiale (projetée sur l'axe du faisceau) du vent V{{ind|r}} de par l'[[effet Doppler]].

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

{{Souligner|Applications}} :
Développé dans les années 1980 pour la [[aérologie|dynamique atmosphérique]] par la [[NOAA]] à l'aide d'imposants laser CO{{ind|2}} (longueur d'onde 10,6&nbsp;µm) continus puis des lasers solides Tm/Ho:YAG (2&nbsp;µm)<ref>M. Huffaker & M. Hardesty, ''Remote Sensing of Atmospheric Wind Velocities Using Solid-State and {{formule chimique|CO|2}} laser systems'', Proc. of IEEE 84, 1996)</ref>, il se répand plus largement dans les années 2000 grâce à la technologie des lasers à fibre à 1,55&nbsp;µm<ref>G. Pearson et al., ''Analysis of the performance of a coherent pulsed fiber lidar for aerosol backscatter applications'', Applied Optics 41, 2002</ref>{{,}}<ref name="Valla">M. Valla, ''Étude d'un lidar Doppler impulsionnel à laser Erbium fibré pour des mesures de champ de vent dans la couche limite de l'atmosphère'', Thèse de doctorat, Télécom Paris, 2005</ref> dont les composants issus de l'industrie des [[fibres optiques]] pour les [[télécommunications]] sont fabriqués en grande série. Il est à noter que la résolution en distance est parfois obtenue par défocalisation sur des systèmes fibrés à émission continue<ref>ZephIR lidar, [http://www.zephirlidar.com/products/zephir-300/ ''Zephir 300 - Onshore wind lidar''.]</ref>, le rendement hétérodyne étant beaucoup plus élevé au point de focalisation d'un faisceau convergent.
* Prospection du profil vertical de vent en amont de l'implantation d'un [[parc éolien]] pour prévoir sa production [[énergie éolienne|énergétique]]<ref name="Leosphere WindPower"/>.
* Surveillance des [[turbulence de sillage|tourbillons de sillage]], en bout<ref>S. M. Hannon & J. A. Thomson, ''Aircraft wake vortex detection and measurement with pulsed solid-state coherent laser radar'', Journal of Modern Optics 41, 1994</ref> ou sur toute la longueur<ref>A. Dolfi-Bouteyre et al., ''Pulsed 1.5-μm LIDAR for Axial Aircraft Wake Vortex Detection based on High-Brightness Large-Core Fiber Amplifier'', IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 15, 2009</ref> des pistes de décollage des [[aéroport]]s, pour régler les intervalles de départ dans les ''hubs'' internationaux à fort trafic tels que l'[[aéroport de Paris-Charles-de-Gaulle]]<ref>F. Barbaresco, [http://www.wakenet.eu/fileadmin/user_upload/4th_major_WN3E-Workshop/presentations/WN3E_2_08_Barbaresco_SESAR12.2.2.pdf ''Radar/Lidar Sensors for Wind & Wake-vortex Monitoring on Airport: Results at Paris CDG''.]</ref>.
* Cartographie des champs de vent autour des aéroports pour détecter les [[Cisaillement (météorologie)|cisaillements de vent]] dangereux à l'atterrissage<ref name="Leosphere Airport"/>{{,}}<ref>J.-P. Cariou et al., [http://www.leosphere.com/wp-content/uploads/2014/03/Long-range-scanning-pulsed-Coherent-Lidar-CLRC2012.pdf ''Long Range pulsed coherent lidar for real time wind monitoring in the planetary boundary layer''], Coherent Laser Radar Conference, 2012.</ref>.
* Mesure de vitesse air sur [[hélicoptère]]<ref>J.-P Cariou et al, ''All-fiber 1.5 μm cW coherent laser Anemometer DALHEC. Helicopter flight test Analysis'', {{13th}} Cohernet Laser Radar Conference, 2005</ref>, les sondes de vitesse classiques étant fréquemment perturbées par le flux d'air du [[Rotor (électrotechnique)|rotor]].

{{images
|légende = Applications des lidars vent
|image1 = Goliath Poldermolen.jpg
|légende1 = Pour la prospection éolienne
|alternative1= Ferme éolienne de Goliath Poldermolen
|image2 = Airplane vortex denoicefied.jpg
|légende2 = Surveillance des tourbillons de sillage après décollage pour le trafic aérien
|alternative2= Tourbillon de sillage
|image3 = Roberts_International_Airport_runway_approach.JPEG
|légende3 = Surveillance des cisaillement de vent pour la sécurité des atterrissages
|alternative3= Approche piste d'aterrissage
|position = centre
|hauteur = 150
}}

==== Dans le cas des lidars « Raman » ====
On étudie la [[diffusion Raman|rétrodiffusion « Raman »]] de la lumière sur un constituant de l’atmosphère à une longueur d’onde &lambda; différente de celle de l’émission &lambda;<sub>0</sub>, choisie a priori, et caractéristique d’un [[composé chimique]]. Toutefois, ce type de diffusion a typiquement moins d’une chance sur mille de se produire pour chaque [[photon]] diffusé, ce qui rend le signal ténu et difficile à isoler.

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

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

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

<math>E(\lambda,z) = E_0 F_R(z) \frac{ T_R A_R}{z^2} \underbrace{\exp\left[- \int_0^z \alpha(\lambda_0,z')dz'\right]}_{T_{atm}(\lambda_0,z')} \beta(\lambda_0,\lambda,z) \Delta z \underbrace{\exp\left[- \int_0^z \alpha(\lambda,z')dz'\right]}_{T_{atm}(\lambda,z')} </math>

Dans cette équation :
* on distingue la longueur d’onde d’observation <math>\lambda</math> de la longueur d’onde émise <math>\lambda_0</math> ;
* <math>\beta (\lambda_0, \lambda, z)</math> représente le coefficient de [[Diffusion des ondes#Applications|rétrodiffusion]] Raman de l'espèce d'intérêt (en m{{exp|-1}}.sr{{exp|-1}}) à l'altitude <math>z</math> entre <math>\lambda</math> et <math>\lambda_0</math>. Elle est uniquement due aux molécules ciblées, et est au premier ordre directement proportionnelle à leur concentration.
Cette équation se résout donc facilement si l’on dispose d’un canal de réception « élastique » en parallèle, ou si l’on fait le rapport de la diffusion Raman de deux espèces à des longueurs d'onde proches.

{{Souligner|Applications :}}
À longue portée dans l'atmosphère, cette technique relativement nouvelle (années 1990) nécessite des lasers puissants qui sont le plus souvent l’apanage des laboratoires de recherche, mais quelques lidars Raman atmosphériques commerciaux ont récemment été mis sur le marché<ref>[http://www.raymetrics.gr/#!water-vapour-raman-lidar/cud2 Lidar Raman Raymetrics.]</ref>. On peut envisager à terme un véritable lidar météorologique qui fournirait [[température]] et [[humidité relative|humidité]] atmosphériques en lieu et place des [[radiosonde]]s actuellement utilisés en météorologie opérationnelle<ref name="Brocard"/>.
* Utilisation de la rétrodiffusion du [[diazote]] atmosphérique comme une référence afin de résoudre totalement le problème inverse du lidar Rayleigh-Mie (section précédente) ; on détermine alors précisément la [[réflectivité]] ([[albédo]]) des particules aérosols et potentiellement leur concentration massique dans la colonne d'air<ref>A. Ansmann et al., ''Combined Raman Elastic-Backscatter LIDAR for Vertical Profiling of Moisture, Aerosol Extinction, Backscatter and LIDAR Ratio'', Applied Physics B Vol. 55, 1992</ref>,
* Mesure de la concentration de gaz traces spécifiques comme la [[vapeur d’eau]]<ref>S. H. Melfi et al, ''Observation of Atmospheric Fronts Using Raman Lidar Moisture Measurements'', Journal of Applied Meteorology 28, 1989, [https://dx.doi.org/10.1175/1520-0450(1989)028 <0789:OOAFUR>2.0.CO;2]</ref> et autres [[gaz à effet de serre]]<ref>D. N. Whiteman, ''Demonstration Measurements of Water Vapor, Cirrus Clouds, and Carbon Dioxide Using a High-Performance Raman Lidar'', Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 24, 2007</ref>,
* Mesure de la [[température]], de la [[troposphère]] jusqu’à la [[mésosphère]]<ref>A. Behrendt & J. Reichardt, ''Atmospheric temperature profiling in the presence of clouds with a pure rotational Raman lidar by use of an interference-filter-based polychromator'', Applied Optics 39, 2000</ref>{{,}}<ref>M. Radlach et al., [http://www.atmos-chem-phys.net/8/159/2008/acp-8-159-2008.pdf ''Scanning rotational Raman lidar at 355 nm for the measurement of tropospheric temperature fields''], Atmospheric Physics and Chemistry 8, 2008.</ref>

À plus courte portée, le lidar Raman serait applicable au contrôle à distance de l’alcoolémie des automobilistes par l’analyse du taux d’alcool dans l’habitacle de la voiture<ref>[http://www.techno-science.net/?onglet=news&news=8377 ''Alcolaser: le radar capable de détecter les vapeurs d'alcool''], Technosciences.</ref> (bien que la réalité de cet appareil ait été remise en cause depuis). Plus vraisemblablement, il a servi à la détection de substances<ref>A. Sedlacek et al., [http://www.ecd.bnl.gov/pubs/BNL69445.pdf ''Short-range, Non-contact Detection of Surface Contamination Using Raman Lidar''], Proc. of SPIE 4577, 2001.</ref>{{,}}<ref>S.K. Sharma et al, ''Stand-off Raman instrument for detection of bulk organic and inorganic compounds'', Proc. of SPIE 6554, 2007</ref> et à la localisation de fuites de gaz<ref>H. Ninomiya et al., ''Development of Remote Sensing Technology for Hydrogen Gas Concentration Measurement Using Raman Scattering Effect'', IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems vol. 129, 2009.</ref>, toxiques ou dangereux, à distance de sécurité ou dans des installations inaccessibles.
[[Fichier:LidarInélastique.png|thumb|upright=2.5|center|Spectre de la diffusion Raman et de la fluorescence exploitables par un lidar à diffusion inélastique pour le sondage d'espèces chimiques spécifiques.]]

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

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

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

==== Lidars à fluorescence moléculaire (non résonnante) ====
[[Fichier:Colonies de legionelles.jpg|thumb|Bactéries fluorescentes sous illumination ultraviolette.]]
Un lidar à fluorescence avec une émission dans le domaine [[ultraviolet]] et une réception filtrée dans le domaine [[spectre visible|visible]] est ainsi capable de détecter la présence et la concentration de molécules organiques [[fluorochrome]]s, à distance. Cela rend possible une télédétection spécifique du vivant dans l'[[Atmosphère terrestre|atmosphère]] ou dans l'[[océan]].

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

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

D'autre part, si la détection de [[fluorochrome|fluorophores]] (particules fluorescentes) est aisée, la détermination précise de leur concentration peut devenir assez complexe :
* en premier lieu, la forte absorption de l'espèce visée éteint rapidement l'énergie du laser.
* de plus, à cause du retard de la fluorescence, qui évolue en <math>\exp(-t/\tau)</math>, avec <math>\tau</math> son temps caractéristique qui peut aller jusqu'à quelques dizaines de nanosecondes, l'excitation et la réémission durent souvent plus longtemps que l'impulsion laser et la résolution temporelle de détection, ce qui brouille spatialement la couche de fluorophores observée avec son environnement.

Typiquement, dans l'atmosphère, pour une couche de concentration <math>N_F (z)</math> (en m{{exp|-3}}) dont le plancher se trouve à une altitude <math>z_F</math>, l'équation lidar devient dans le cas d'une fluorescence longue devant la durée d'impulsion et la résolution temporelle<ref name="Measures"/> :

<math>E(\lambda,\lambda_0,z) = E_0 F_R(z) \frac{T_R A_R}{z^2} T_{atm}(\lambda,z) T_{atm}(\lambda_0,z_F) \frac{\sigma_{fluo}(\lambda_0,\lambda)}{4\pi} \Delta z \left[N_F(z) \underbrace{\exp\left(-\int_{z_F}^z \alpha(\lambda_0,z')dz'\right)}_{\text{Extinction rapide}}\right] \star \underbrace{H_F(z)}_{\text{Brouillage}} </math>

avec :
* <math>\lambda_0</math> la longueur d'onde d'excitation et <math>\lambda</math> la longueur d'onde d'observation ;
* <math>\sigma_{fluo}</math> la section efficace de fluorescence à la longueur d'onde d'observation (en m{{exp|2}}), donnée par la section d'absorption <math>\sigma_{abs}</math>, le temps de vie radiatif du niveau excité <math>\tau_{rad}</math>, la répartition spectrale de la fluorescence <math>\mathcal{L}(\lambda)</math>, et la largeur du filtre à la réception <math>\delta \lambda</math> :

<math>\sigma_{fluo}(\lambda_0,\lambda) = \sigma_{abs}(\lambda_0) \frac{\lambda_0}{\lambda} \frac{\tau}{\tau_{rad}} \mathcal{L}(\lambda) \delta\lambda</math>
* <math>\star</math> le produit de convolution et <math>H_F</math> un terme de brouillage donné par :

<math>H_F(z=ct) = H(t) \exp(-t/\tau)</math>

où <math>H</math> est la [[fonction de Heaviside]].

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

{{Souligner|Applications}} :
* Dans l'atmosphère, détection à distance des [[arme biologique|attaques biologiques]] par dispersion d’aérosols<ref>M. Trost, [http://sabotin.ung.si/~sstanic/CRA/lidar/papers/200812_Trost_MLidar.pdf ''Detection of biological aerosols using Induced Fluorescence Lidar''.]</ref>.
* Dans l'océan, détection de [[dégazage (marine)|dégazages]], [[marée noire|fuites de pétrole]]<ref>R. Karpicz et al., ''Oil spill fluorosensing lidar for inclined onshore or shipboard operation'', Applied Optics 45, 2006</ref> et du [[plancton]]<ref>S. Palmer et al., ''Ultraviolet Fluorescence LiDAR (UFL) as a Measurement Tool for Water Quality Parameters in Turbid Lake Conditions'', Remote Sensing 5, 2013</ref>, cartographie de la biodiversité et de la santé des [[récif corallien|récifs coralliens]]<ref>M. Sasano et al., [http://www.icrs2012.com/proceedings/manuscripts/ICRS2012_5A_7.pdf ''Development of boat-based fluorescence imaging lidar for coral monitoring''], Proceedings of the {{12th}} International Coral Reef Symposium, 2012.</ref> par un lidar embarqué sur un bateau.
* Sur cible dure, en [[archéologie]], reconnaissance des [[matériau]]x de construction par spectroscopie résolue dans le temps, ou mise en évidence de la détérioration biologique d’un site historique<ref name="Raimondi"/>.

==== Lidars à fluorescence résonnante ====
Plusieurs espèces non organiques de la haute atmosphère peuvent aussi être caractérisées par leur spectroscopie de fluorescence dite résonnante, si elles sont excitées à la longueur d'onde d'une [[raie spectrale]] d'absorption/émission. On étudie ainsi les confins de la [[mésosphère]] où des espèces métalliques telles que le [[sodium]] et le [[fer]] sont constamment déposées par les [[Météorite|météores]], ou l'azote [[ion]]isé de l’[[ionosphère]], malgré la distance (~{{unité|100|km}})<ref>{{harvsp|Chu et al.|2012}}.</ref>.

{|class="wikitable"
|-
! Espèce !! Na !! Fe !! K !! Ca !! N{{ind|2}}<sup>+</sup>
|-
|Longueur d'onde||<span style="color:DarkOrange">{{unité|589.1|nm}}</span>||<span style="color:Indigo">{{unité|372.1|nm}}</span>||<span style="color:Maroon">{{unité|766.6 / 770.1|nm}}</span>||<span style="color:DarkBlue">{{unité|422.8|nm}}</span>||<span style="color:Indigo">{{unité|393.8|nm}}</span>
|}

[[Fichier:Starfire Optical Range - sodium laser.jpg|thumb|FASOR, puissant lidar à fluorescence sodium, émettant à {{unité|589|nm}}.]]
Le principe physique est le même pour les différentes espèces citées :
* un laser continu asservi à la longueur d'onde voulue par [[absorption saturée]] dans une cellule du gaz visé joue le rôle d'oscillateur maître ;
* son émission est décalée par un [[modulateur acousto-optique]] de quelques centaines de MHz (Δƒ) alternativement de part et d'autre de la raie pour sonder les atomes de différentes classes de vitesse ;
* un laser impulsionnel injecté par ce flux produit une émission impulsionnelle plus puissante ;
* trois échantillonnages à –Δƒ, 0 et +Δƒ suffisent à reconstituer la fréquence centrale (liée à la vitesse radiale du vent par l'[[effet Doppler]]) et l'[[largeur Doppler d'une raie spectrale|élargissement]] (lié à la [[température]]) de la raie d'absorption des atomes sondés.

Parce que les impulsions laser sont émises en résonance avec la raie de l'espèce étudiée, la puissance ré-émise est magnifiée d'un facteur 10{{exp|14}} par rapport à la simple [[diffusion Rayleigh]].

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

{{Souligner|Applications}} :
* Mesure de la densité, de la température et des flux de la haute atmosphère via la spectroscopie de fluorescence des espèces métalliques atmosphérique (de 80 à {{unité|100|km}} environ)<ref>{{harvsp|Mégie|Blamont|1977}}.</ref>.
* Étude de l’[[ionosphère]] (couche externe de l’atmosphère où apparaisse les aurores boréales) via la fluorescence de l’azote ionisé<ref>{{article
|prénom1 = R.|nom1 = Garner
|prénom2 = P.|nom2 = Dao
|titre = Molecular nitrogen fluorescence lidar for remote sensing of the auroral ionosphere
|périodique = Journal of Geophysical Research
|volume = 100
|année = 1995
|langue = en
}}.</ref>.

=== Lidars à absorption différentielle : « DIAL » ===
[[Fichier:LidarDIAL.jpg|thumb|upright=2|Espèces gazeuses mesurables par lidar DIAL et lasers utilisés. C'est dans les bandes d'absorption de l'atmosphère (maxima de la courbe) que l'on trouve les raies d'absorption des molécules indiquées (invisibles à cette échelle car souvent très étroites) pouvant servir au DIAL.]]

Un puissant concurrent du lidar à diffusion Raman (très ténue et difficile à observer de jour ou à grande distance) pour la mesure de concentration de gaz traces dans l'atmosphère est le lidar à absorption différentielle (en anglais : ''{{souligner|Di}}fferential {{souligner|A}}bsorption {{souligner|L}}idar'', DIAL).

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

En effet, d'après l'équation lidar, on a pour chacune des deux longueurs d'onde ON et OFF :
: <math>\begin{cases} E(\lambda_{ON},z) = E_{ON} F_R(z) \frac{T_R A_R}{z^2} \beta(\lambda_{ON},z) \Delta z \exp\left[-2 \int_0^z \alpha(\lambda_{ON},z')dz'\right], \\ E(\lambda_{OFF},z) = E_{OFF} F_R(z) \frac{T_R A_R}{z^2} \beta(\lambda_{OFF},z) \Delta z \exp\left[-2 \int_0^z \alpha(\lambda_{OFF},z')dz'\right] \end{cases}</math>
d'où pour le ratio des énergies :
: <math>\frac{E(\lambda_{ON},z)}{E(\lambda_{OFF},z)} = \frac{\beta(\lambda_{ON},z)}{\beta(\lambda_{OFF},z)} \exp\left[-2 \int_0^z \alpha(\lambda_{ON},z')-\alpha(\lambda_{OFF},z')dz'\right]</math>
Or, si <math>N(z)</math> est le profil de concentration de l'espèce recherchée (en m{{exp|-3}}), <math>\sigma_{abs}</math> sa section efficace d'absorption (en m{{exp|2}}), et <math>\lambda_{ON}</math> proche de <math>\lambda_{OFF}</math> :
: <math>\begin{cases} \alpha(\lambda,z) \simeq N(z)\sigma_{abs}(\lambda) \\ \beta(\lambda_{ON}) \simeq \beta(\lambda_{OFF}) \end{cases}</math>

Donc, avec <math>\Delta\sigma_{abs}</math> la différence de section efficace d'absorption entre les deux longueurs d'onde <math>\lambda_{ON}</math> et <math>\lambda_{OFF}</math> :
: <math>\frac{E(\lambda_{ON},z)}{E(\lambda_{OFF},z)} \simeq \exp\left[-2 \int_0^z N(z')\Delta\sigma_{abs}dz'\right]</math>
et on peut déterminer :
: <math> N(z) \simeq -\frac{1}{2\Delta \sigma_{abs}} \frac{\partial}{\partial z} \left[\ln \frac{E(\lambda_{ON},z)}{E(\lambda_{OFF},z)} \right] </math>

La figure ci-dessus répertorie quelques espèces gazeuses mesurables par cette technique<ref name="Gibert">{{lien web
|auteur = F. Gibert
|titre = Lidar à absorption différentielle
|url = http://www.cnrm.meteo.fr/ecole_lidar/IMG/pdf/Gibert-DIAL_heterodyne.pdf
|site = Centre national de recherches météorologiques
|date = 2010
|format = pdf
}}.</ref>, en plaçant leur raies d'absorption sur le spectre UV-Visible-IR, et les [[liste des types de laser|types de laser]] utilisés pour ce faire. Il est à noter que certaines espèces présentes sous forme d'aérosols sont aussi sondables de cette manière<ref>{{lien web
|auteur = K. Douglass
|titre = Progress and promise in DIAL lidar
|url = http://www.nist.gov/pml/div682/lidar.cfm
|date = 2012-02-06
|site = NIST
|langue = en
}}.</ref>.

Certains lidar DIAL utilisent la technique de la détection hétérodyne<ref name="Gibert"/> pour s'affranchir totalement du parasite de la lumière ambiante et effectuer des mesures de jour comme de nuit.

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

==== Applications ====
* Surveillance de la [[couche d'ozone]] stratosphérique<ref>{{lien web
|titre = NASA Langley DIAL factsheet
|url = http://www.nasa.gov/centers/langley/news/factsheets/DIAL.html
|site = NASA
|date = 2008-04-22
|langue = en
}}.</ref>{{,}}<ref name="Browell">{{article
|prénom1 = E. V.|nom1 = Browell
|et al. = oui
|titre = Differential absorption lidar (DIAL) measurements from air and space
|périodique = Applied Physics
|volume = B 67
|année = 1998
|langue = en
}}.</ref>{{,}}<ref>{{article
|prénom1 = J. A.|nom1 = Seabrook
|et al. = oui
|titre = LIDAR measurements of Arctic boundary layer ozone depletion events over the frozen Arctic Ocean
|périodique = Journal of Geophysical Research
|volume = Atmospheres 117
|année = 2011
|langue = en
}}.</ref> (entre 15 et {{unité|30|km}} d'altitude), dont la [[trou de la couche d'ozone|disparition partielle]] est l'un des problèmes environnementaux majeurs de la fin du vingtième siècle. L'ozone a été le premier gaz trace de l'atmosphère mesuré par DIAL dans les années 1980 grâce à ses raies d'absorption larges et marquées dans l'ultraviolet.
* Mesure du [[rapport de mélange]] en [[vapeur d'eau]] atmosphérique (et éventuellement de la température<ref>{{article
|prénom1 = V.|nom1 = Wulfmeyer
|prénom2 = J.|nom2 = Bösenberg
|titre = Ground-based differential absorption lidar for water-vapor profiling|sous-titre = assessment of accuracy, resolution, and meteorological applications
|périodique = Applied Optics
|volume = 37
|année = 1998
|langue = en
}}.</ref>), y compris depuis l'espace<ref name="Browell"/>.
* Mesure des concentrations de gaz à effet de serre tel que le [[dioxyde de carbone]]<ref>{{article
|prénom1 = W.|nom1 = Grant
|et al. = oui
|titre = {{formule chimique|CO|2}} DIAL measurements of water vapor
|périodique = Applied Optics
|volume = 26
|année = 1987
|langue = en
}}.</ref> ou le [[méthane]]<ref>{{article
|prénom1 = T.|nom1 = Refaat
|titre = Performance evaluation of a 1.6-µm methane DIAL system from ground, aircraft and UAV platforms
|périodique = Optics Express
|volume = 21
|année = 2013
|langue = en
}}.</ref>. Le satellite franco-allemand MERLIN<ref>{{lien web
|site = eoPortal
|titre = MERLIN (Methane Remote Sensing Lidar Mission) Minisatellite
|url = https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/m/merlin
|langue = en
}}.</ref>, en développement, devrait mesurer à partir de 2018 le méthane atmosphérique par la méthode DIAL ''intégré'' (la mesure n'est pas résolue en altitude, pour avoir un signal suffisant).
* Mesure de gaz polluants divers dans la [[troposphère]] (basse atmosphère) : [[ozone troposphérique|ozone]], [[dioxyde de soufre]], [[dioxyde d'azote]], [[toluène]], éventuellement de manière simultanée par un lidar DIAL à 5 longueurs d'onde<ref>{{chapitre
|prénom1 = D.|nom1 = Weidauer
|et al. = oui
|titre chapitre = Ozone, VOC, NO2, and Aerosol Monitoring in Urban and Industrial Areas Using a Mobile DIAL System
|titre ouvrage = Advances in Atmospheric Remote Sensing with Lidar
|année = 1997
|langue = en
}}.</ref>, système commercialisé par la société allemande Elight jusqu'au début des années 2000.

=== Lidars « supercontinuum » ===
[[Fichier:Supercontinuum in a microstructured optical fiber.PNG|thumb|upright=1|Laser à supercontinuum dans une fibre microstructurée.]]

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

Ceci a amené à envisager un lidar supercontinuum, pour la résolution de l'équation lidar à toutes longueurs d'onde afin d'accéder simultanément à la concentration des espèces gazeuses polluantes<ref>{{article
|langue = en
|prénom1 = P.|nom1 = Rairoux
|et al. = oui
|titre = Remote sensing of the atmosphere using ultrashort laser pulses
|périodique = Applied Physics
|volume = B 71
|année = 2000
|lire en ligne = http://www.teramobile.org/publications/rairoux.pdf
|format=pdf
}}.</ref>, aux distributions de taille des aérosols<ref>{{article
|langue = en
|prénom1 = G.|nom1 = Méjean
|et al. = oui
|titre = Towards a supercontinuum-based infrared lidar
|périodique = Applied Physics
|volume = B 77
|année = 2003
|lire en ligne = http://www.teramobile.org/publications/lidar_ir.pdf
|format=pdf
}}.</ref> et aux molécules organiques fluorescentes<ref>{{article
|langue = en
|prénom1 = G.|nom1 = Méjean
|et al. = oui
|titre = Remote detection and identification of biological aerosols using a femtosecond terawatt lidar system
|périodique = Applied Physics
|volume = B 78
|année = 2004
|lire en ligne = http://www.teramobile.org/publications/ribo_ufraps.pdf
|format=pdf
}}.</ref>. Le système franco-allemand Téramobile<ref>{{lien web
|titre = Projet Teramobile
|url = http://www.teramobile.org/teramobile.html
}}.</ref> en est une incarnation renommée.

Toutefois, par la dispersion spectrale de leur puissance et les effets dissipatifs de la propagation dans l'atmosphère des faisceaux en régime de forte puissance crête, un problème de bilan de liaison limite la portée et, par conséquent, les applications de ces systèmes. Les derniers travaux à longue portée que l'on peut trouver remontent à la fin des années 2000<ref>{{chapitre
|langue = en
|prénom1 = D.|nom1 = Brown
|et al. = oui
|titre chapitre = Supercontinuum lidar applications for measurements of atmospheric constituents
|titre ouvrage = Laser Radar Technology and Applications
|collection = Proc. SPIE|numéro dans collection = 6950
|année = 2008
}}.</ref>, alors que les travaux récents se concentrent sur la discrimination de gaz à courte portée, sans résolution en distance<ref>{{Ouvrage
|langue=fr
|prénom1=Alexandre
|nom1=Dobroc
|nature ouvrage = thèse de doctorat en physique
|titre=Étude et réalisation de dispositifs optiques à large couverture spectrale pour la détection multi-gaz à distance
|éditeur=École Polytechnique
|année=2013
|lire en ligne=https://tel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/959752/filename/manuscrit_these_Dobroc_Alexandre.pdf |format=pdf
}}.</ref>.

== Notes et références ==
{{Références nombreuses|taille=24}}

== Voir aussi ==
{{Autres projets|commons=Category:LIDAR}}
=== Bibliographie ===
==== Travaux historiques ====
* {{article
|libellé = Smullin et Fiocco 1962
|prénom1 = L. D.|nom1 = Smullin
|prénom2 = G.|nom2 = Fiocco
|titre = Project Luna See|sous-titre = A lunar laser ranging experiment
|périodique = Institute of Electrical and Electronics Engineers Proceedings
|volume = 50
|année = 1962
|langue = en
}}.
* {{article
|libellé = Goyer et Watson 1963
|prénom1 = G.|nom1 = Goyer
|prénom2 = R.|nom2 = Watson
|titre = The Laser and its Application to Meteorology
|périodique = Bulletin of the American Meteorological Society
|volume = 44
|année = 1963
|langue = en
}}.
* {{article
|libellé = Mégie et Blamont 1977
|prénom1 = G.|nom1 = Mégie
|prénom2 = J. E.|nom2 = Blamont
|titre = Laser sounding of atmospheric sodium|sous-titre = interpretation in terms of global atmospheric parameters
|périodique = Planetary and Space Sciences
|volume = 25
|année = 1977
|langue = en
}}. {{commentaire biblio|Premier lidar atmosphérique en France.}}

==== Ouvrages de référence ====
* {{Ouvrage
|langue=en
|prénom1=R. M.
|nom1=Measures
|titre=Laser Remote Sensing
|sous-titre=Fundamentals and Applications
|lieu=Malabar FL
|éditeur=Krieger Pub. Co.
|année=1992
|pages totales=510
|isbn=0-89464-619-2
|libellé=Measures 1992
}}.
* {{Ouvrage
|langue=en
|prénom1=A. P.
|nom1=Cracknell
|prénom2=L.
|nom2=Hayes
|titre=Introduction to Remote Sensing
|lieu=Londres
|éditeur=Taylor and Francis Ed.
|année=1991
|isbn=978-0-415-33579-9
|libellé=Cracknell et Hayes 1991
}}.
* {{Ouvrage
|langue=en
|prénom1=C.
|nom1=Weitkamp
|titre=Lidar
|sous-titre=Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere
|éditeur=Springer
|année=2005
|pages totales=455
|isbn=978-0-387-40075-4
|lire en ligne=https://books.google.com/books?id=8AT2smoj4MkC&printsec=frontcover
|libellé=Weitkamp 2005
}}.

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

=== Liens externes ===
* {{lien web
|libellé = Stoker 2007|id=Stoker2007
|auteur = J. Stoker
|titre = Introduction to Lidar, USGS
|url = http://www.crssa.rutgers.edu/rs07/agenda/J%20Stoker_lidar101_nj_workshop.pdf
|format = pdf
|langue = en
|date = 2007|consulté le = 2014-11-17
}}. {{commentaire biblio|Introduction au lidar aéroporté}}
* {{lien web
|libellé = Chu et al. 2012|id=Chu et al.2012
|auteur = X. Chu et al.
|titre = Lidar Measurements of Winds in the Upper Atmosphere
|site = University of Colorado at Boulder
|url = http://cires.colorado.edu/events/lidarworkshop/LWG/Oct12/presentations/010-WindLidarUpperAtm-CHU.pdf
|format = pdf
|langue = en
|date = 2012|consulté le = 2014-11-17
}}. {{commentaire biblio|Lidar à fluorescence résonnante}}
* {{lien web
|auteur = P. Flamant
|titre = Fondamentaux lidar
|site = École polytechnique
|url = http://lidar.abct.lmd.polytechnique.fr/uploads/documents/cours_lidar/Flamant_Fond1.pdf
|date = 2010|consulté le = 2014-11-17
|format = pdf
}}.
* {{lien web
|auteur = J. Pelon
|titre = Les missions spatiales lidar
|site = Centre national de recherches météorologiques
|url = http://www.cnrm.meteo.fr/ecole_lidar/IMG/pdf/20._lidar_spatiaux_nar.pdf
|format = pdf
|date = 2010|consulté le = 2014-11-17
}}.
* Applications: Les aspirateurs robots : '''[https://avis-aspirateur-robot.com/honiture-q6-avis-lidar-autovidage-aspirateur-robot/ Honiture Q6],[https://avis-aspirateur-robot.com/dreame-w10-avis/ Dreame w10], [https://avis-aspirateur-robot.com/lubluelu-a9-avis/ Lubluelu A9]'''
* Vulgarisation : {{YouTube|xViGdU2xz-E|Le LIDAR : d'APOLLO 15 à la voiture autonome - Spatialiste #22}}


{{Palette|Lasers|Instruments de mesure météorologique}}
{{Portail|physique|électricité et électronique|information géographique|optique|météorologie}}

[[Catégorie:Optique ondulatoire]]
[[Catégorie:Utilisation du laser]]
[[Catégorie:Instrument optique]]
[[Catégorie:Instrument de mesure météorologique]]
[[Catégorie:Instrument de topographie]]
[[Catégorie:Invention du XXe siècle]]