Lidars atmosphériques et météorologiques : Principes fondamentaux

Le lidar est une methode de mesure optronique qui utilise un laser pour sonder a distance les milieux etendus peu denses comme l'atmosphere terrestre, ou restituer la structure et la topographie des surfaces et des couverts naturels ou urbanises. Le mot lidar est une abreviation de l'anglais « light detec- tion and ranging ». Le lidar a pris de l'importance en recherche et dans l'industrie depuis les annees 1980. Il est utilise dans des domaines varies: ― atmosphere, qualite de l'air et pollution (voir l'article [E 4 315]), mais aussi climat et meteorologie ; - topographie de surfaces terrestres et de zones urbanisees; - couverts vegetaux, canopees ; - geologie ; - zones inondees, bathymetrie; - pollution marine. Les applications atmospheriques interessent une large communaute scientifique qui prend en charge les developpements instrumentaux et algorithmiques (voir l'International Coordination Group for laser Atmospheric Studies: ICLAS), tandis qu'une communaute d'utilisateurs et de partenaires industriels prend en charge les autres applications (voir l'International Lidar Mapping Forum). Le present article ne traite que du lidar atmospherique. Comme leur nom l'indique, les lidars atmospheriques et meteorologiques sont utilises pour l'etude des phenomenes atmospheriques et des processus qui reglent leurs cycles de vie. Les observations sont conduites de maniere reguliere par des reseaux (comme EARLINET en Europe) ou au cours de cam- pagnes d'etudes. Les applications aeroportees ont ete rendues possibles par les avancees techniques dans de nombreux domaines. La generalisation des applications sol, aeroportees et spatiales, requiert des instruments compacts, fiables et securises. De meme, la mise en œuvre par un personnel technique non specialiste est a prendre en compte des la conception et pour la redaction d'un manuel d'utilisation et de modes operatoires. Un premier lidar spatial LITE a ete experimente avec succes par la NASA en 1994, ce qui a conduit a de nouveaux programmes de lidar dans l'espace pour la premiere decennie du XXI e siecle (voir l'article suivant sur les methodes et applications des lidars atmospheriques et meteorologiques [E 4 311]). Pour les applications scientifiques et industrielles, il est utile de chiffrer ce qu'un lidar peut apporter par comparaison avec d'autres techniques: mesures in situ (voir « Mesures en meteorologie » [R 3 050]), radiometrie, radar ou sodar. Dans tous les cas, une utilisation industrielle certifiee demandent des protocoles de validation, ce qui dans un premier temps limite les applications. De meme, les regles strictes de securite oculaire liees a l'utilisation des lasers apportent aussi leurs contraintes. Un marche industriel innovant se developpe autour de PME europeennes (Leosphere, CIMEL, et Raymetrics...), qui offrent des produits commerciaux pouvant repondre a des besoins d'utilisateurs institutionnels. Cependant, il reste que les applications nouvelles sont initiees et mises en œuvre par les organismes de recherche (en France: CNRS, universites, CNES), avec a terme une possibilite de transfert vers les PME innovantes. Le present article et sa suite [E 4 311] ont pour objectif d'expliquer le fonc- tionnement des lidars concus pour les differentes applications. Ils devraient permettre au lecteur de concevoir le lidar correspondant a son application et d'ecrire un cahier des charges en vue d'une realisation.