Que signifie LiDAR et comment fonctionne-t-il ?

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En quoi consiste le LiDAR et comment fonctionne-t-il

Le terme LiDAR, qui signifie “light detection and ranging” (détection et télémétrie par la lumière), est un terme inventé que l’on pourrait trouver dans la bouche d’un ingénieur d’un vaisseau spatial fictif. Il roule sur la langue de la même manière que phaser ou unobtainium. Malgré son nom à consonance factice, il s’agit d’une technologie bien réelle qui utilise la lumière laser pour mesurer la distance entre un objet et un observateur.

Associée aux capteurs modernes et aux technologies GPS, cette lumière est capable de suivre les objets distants dans leurs déplacements et de créer des cartes 3D haute définition des objets et des environnements. Le LiDAR utilise une philosophie comparable à celle du RADAR pour fonctionner, mais comme les longueurs d’onde sont plus petites, la résolution est beaucoup plus élevée. Par analogie, si LiDAR est une photographie haute définition, RADAR est une ombre chinoise sur le mur d’une grotte.

La technologie, bien que relativement nouvelle, a infiltré diverses facettes de la recherche scientifique et de la vie quotidienne. Elle a trouvé sa place dans les avions, les vaisseaux spatiaux et pourrait même être dans votre poche en ce moment. Alors, qu’est-ce que le LiDAR, comment fonctionne-t-il, et quelles nouvelles connaissances et capacités nous a-t-il apporté ?

Que faut-il savoir sur le LiDAR ?

Le système LiDAR est considéré comme un système de télédétection actif, ce qui signifie qu’il génère de l’énergie afin de mesurer un objet, au lieu de simplement capter l’énergie déjà présente dans l’environnement. Il fonctionne selon une philosophie semblable à celle du radar, d’où les associations communes dans l’imaginaire populaire, mais au lieu de faire rebondir des ondes radio, ces systèmes utilisent la lumière laser.

Il peut s’avérer difficile de reconnaître le LiDAR à vue, en raison des différences drastiques entre les différents systèmes. Selon la fonction à laquelle ils sont destinés, les systèmes LiDAR peuvent aller de grands dispositifs montés sur des avions à de petits appareils portatifs à usage personnel.

Quelles que soient les spécificités, tous les systèmes LiDAR sont composés de deux éléments majeurs : un émetteur pour envoyer de la lumière dans l’environnement et un capteur pour recueillir la lumière lors de son retour vers l’appareil.

Au fur et à mesure que la technologie LiDAR s’est améliorée, les coûts ont considérablement baissé. Relativement récemment, le LiDAR coûtait régulièrement des dizaines de milliers de dollars pour un seul système. Aujourd’hui, cette technologie est suffisamment abordable pour être incluse dans les smartphones courants. Vous en possédez peut-être un sans même le savoir.

Que représente le LiDAR et comment fonctionne-t-il ?
Que signifie LiDAR et comment fonctionne-t-il ? 4

Comment marche le système LiDAR ?

Le système LiDAR émet de la lumière dans l’environnement, généralement par impulsions. Cette lumière se déplace ensuite dans l’environnement avec lequel rencontre un objet. Les objets que le LiDAR est capable de mesurer sont variés et comprennent des constructions naturelles et artificielles comme des plantes et des animaux, des bâtiments ou des planètes entières.

Lorsque la lumière rencontre un objet, elle rebondit, où elle frappe un capteur. La vitesse de la lumière étant constante, le temps entre l’émission et la réflexion vers le capteur fournit des données utiles concernant la distance. Le système mesure le temps que la lumière a mis à faire un aller-retour et l’utilise pour calculer une distance.

La longueur d’onde de la lumière laser étant comparativement courte, elle devient capable de mesurer les distances en haute définition, par rapport aux technologies précédentes comme le radar. Au lieu d’obtenir des taches indéfinies indiquant de grands objets, le LiDAR peut produire des modèles très détaillés des objets.

Ainsi, les systèmes LiDAR se révèlent aptes à construire des cartes 3D détaillées d’objets ou d’environnements, ce qui a été accompli de diverses manières depuis son invention. Nous reviendrons plus tard sur la façon dont le LiDAR a été utilisé dans tous les types d’environnement imaginables.

Comment utiliser le LiDAR actuellement ?

Vous êtes peut-être en mesure de participer à l’action LiDAR. Pourquoi les scientifiques devraient-ils avoir tout le plaisir ? Sur certains modèles d’iPhones et d’iPads, le LiDAR est intégré à la caméra, préinstallé et prêt à être utilisé.

Le LiDAR est le petit cercle noir niché à côté des caméras et de la lumière. Si vous avez un iPhone Pro, douzième génération ou plus récent, ou un iPad Pro, deuxième génération ou plus récent, alors vous avez votre propre LiDAR dans votre poche ou sur votre table de chevet.

Grâce au système LiDAR d’Apple, de nombreuses applications déjà existantes sur votre téléphone. Notamment, la fonction Mesure et la capacité de mise au point de votre appareil photo, sont améliorées en déterminant avec plus de précision la distance des objets et entre eux (via Apple).

Cela est également pratique pour les jeux et les applications de RA en permettant aux objets virtuels d’interagir de manière plus réaliste avec le monde réel.
La fonction LiDAR vous permet aussi de capturer des images 3D d’objets et de lieux dans le monde réel, vous aidant à faire certaines des choses cool énumérées ci-dessus, bien qu’à un degré moindre.

Si vous utilisez Android, vous manquez de chance, du moins pour l’instant. Android avait auparavant le projet Tango qui visait à réaliser beaucoup des mêmes fonctions, mais depuis décembre 2017, le support pour Tango a été fermé.

Pour l’instant, les utilisateurs d’Android sont donc laissés dans le noir en ce qui concerne les capacités de numérisation 3D contemporaines. Espérons que cela change bientôt.

Les avantages du LiDAR en archéologie actuelle

Comme la Terre est géologiquement active, inondée d’activité tectonique et météorologique qui construit les choses et les érode, trouver des objets du passé peut être assez difficile. Bien que nous ayons cartographié la surface totale d’autres planètes, il reste encore beaucoup à découvrir sur notre propre monde, dans des endroits difficiles d’accès.

Des archéologues utilisent des systèmes LiDAR déployés à partir d’avions qui les survolent pour obtenir des cartes solides des sites de fouilles potentiels. Comme le LiDAR peut fournir des cartes avec des détails étonnants et offrir une vue d’ensemble d’une zone, les scientifiques sont en mesure de trouver des sites intéressants qu’ils auraient pu manquer autrement.

Tout récemment, une étude aérienne utilisant le LiDAR a permis de découvrir la plus ancienne et la plus grande structure maya découverte à ce jour. Même en regardant des photos de la zone depuis le ciel, le site n’a pas été révélé, mais la télédétection l’a fait. Depuis son introduction dans le domaine de l’archéologie, le LiDAR a révélé d’innombrables ruines et de nouveaux sites de fouilles potentiels qui auraient pu être perdus à jamais sans cette incroyable technologie.

Mais les avantages du LiDAR ne se limitent pas à la découverte du passé. La technologie a eu un impact sur les océans jusqu’à l’espace.

Crédit vidéo Nat Geo France

La Cartographie des rivages et des fonds marins

La technologie LiDAR n’est pas seulement utile pour cartographier le sol ou les objets dans l’espace extra-atmosphérique, elle l’est également pour obtenir une image plus claire des océans. Alors que la cartographie topographique utilise souvent un laser proche de l’infrarouge, la bathymétrie (la pratique consistant à cartographier le fond de l’océan) demande un peu d’ingéniosité.

À cause de la façon dont l’eau diffuse la lumière de différentes longueurs d’onde, certains types de lumière laser pénètrent mieux que d’autres. Afin de se déplacer plus facilement dans la colonne d’eau, les scientifiques utilisent la lumière laser verte pour cartographier le fond de l’océan (via NOAA).

Cependant, il existe une limite à la pénétration du LiDAR dans la colonne d’eau. Les parties les plus profondes de l’océan sont dépourvues de lumière, précisément parce que celle-ci finit par être trop dispersée et ne peut plus pénétrer plus loin. À des profondeurs suffisamment importantes, même la lumière laser se perd.

Fort heureusement, ce n’est pas un problème pour la cartographie du littoral. Les rivages changent naturellement tout le temps, sous l’effet du vent, de l’eau et des forces tectoniques. L’utilisation du LiDAR peut nous permettre de capturer des cartes en temps quasi réel de ces frontières mouvantes.

Donner un coup de projecteur sur l’agriculture

La technologie LiDAR n’est pas seulement utile pour dresser des cartes de la Terre et des autres planètes ; elle peut également fournir des informations utiles aux agriculteurs sur l’état de leurs cultures et sur les interventions qui fonctionnent mieux que d’autres (via Fly Guys). Un système LiDAR pointé sur un champ de cultures peut renvoyer des données sur la hauteur et la densité d’une seule plante ou d’un champ entier. Si l’on connaît le poids moyen d’une plante, cette information peut être utilisée pour estimer la biomasse et le rendement des cultures. C’est quelque chose d’utile à savoir si vous dépendez d’une culture pour nourrir votre famille, que ce soit directement ou économiquement.

En balayant différentes parcelles de terre soumises à divers traitements culturaux ou dans des conditions de sol variées, les agriculteurs peuvent avoir un aperçu rapide de ce qui fonctionne et de ce qui ne fonctionne pas, ce qui leur permet de faire des ajustements avant la fin de la saison. De plus, avec l’avènement des drones, les agriculteurs n’ont même pas besoin d’utiliser des avions équipés de LiDAR. Il suffit de faire voler un quadcoptère équipé de manière appropriée au-dessus d’un champ pour obtenir des données utiles sur le rendement des cultures.

Bien entendu, les agriculteurs peuvent utiliser le LiDAR avant les semis pour élaborer les cartes pour lesquelles la technologie est devenue si célèbre. Ce faisant, ils peuvent révéler des changements dans l’écoulement de l’eau et l’accès aux ressources naturelles, ce qui peut éclairer leurs décisions au moment de semer.

Rechercher la source de la pollution

La pollution atmosphérique est devenue un problème croissant depuis la révolution industrielle (via l’EPA). Elle est particulièrement problématique dans les villes où l’on trouve une plus grande concentration de sources de pollution. Malheureusement, la pollution atmosphérique nous est souvent invisible et facilement oubliée, alors qu’elle a un impact énorme sur la santé publique. Traditionnellement, les niveaux de pollution de l’air sont étudiés à partir de stations de surveillance au sol. Ces stations se limitent à mesurer les particules dans une zone locale, et obtenir une image d’une plus grande région nécessite plusieurs stations situées à intervalles réguliers.

En revanche, le LiDAR peut être rendu mobile, ce qui lui permet de recueillir des données sur une zone plus large en temps réel. Dans cette optique, les scientifiques ont conçu un système qui utilise la lumière laser pour mesurer la force avec laquelle l’air absorbe la lumière – une mesure connue sous le nom de “coefficient d’extinction” – dans un endroit donné. Un coefficient d’extinction plus élevé indique des niveaux plus élevés de pollution particulaire dans l’air.

Grâce à ces données, nous pouvons identifier les régions très polluées et remonter à la source de la pollution, note Science Direct. Elles fournissent également des informations cruciales sur les niveaux d’exposition d’une population, plus rapidement et de manière plus détaillée que ce qui était possible auparavant. Bien qu’il s’agisse d’une technique relativement nouvelle, elle remonte aux premiers jours de la détection de la lumière, lorsque les prédécesseurs du LiDAR mesuraient les conditions atmosphériques avec la lumière.

En quoi consiste le LiDAR et comment fonctionne-t-il ?
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Des voitures à conduite autonome

Les véhicules modernes sont équipés de toutes sortes de capteurs qui aident les conducteurs à manœuvrer. Si vous avez acheté une nouvelle voiture au cours des dernières années, elle est équipée d’une caméra de recul et de capteurs permettant de savoir si vous êtes trop près de quelque chose.

Les autos à conduite autonome poussent ces outils à l’extrême en les utilisant pour conduire à la place d’un opérateur humain. Tesla, peut-être le fabricant de voitures à conduite autonome le plus connu, a misé sur la vision par ordinateur. Il utilise des caméras qui transmettent des informations à un réseau neuronal afin de prendre des décisions. Alors que le débat sur les caméras optiques par rapport au LiDAR fait rage, la majorité des autres constructeurs utilisent ce dernier.

Si vous avez déjà rencontré l’un des véhicules autonomes de Google sur la route, vous avez peut-être vu le LiDAR à l’œuvre. Le système monté sur le toit envoie de la lumière et l’utilise pour construire une carte de son environnement (via IEEE Spectrum). Cependant, faire cela dans un véhicule en mouvement sur un terrain accidenté peut être complexe. Pour que tout fonctionne, les voitures équipées du LiDAR disposent également d’une unité de mesure inertielle qui suit en temps réel les changements d’angle afin de s’assurer que le LiDAR crée une carte précise pour manœuvrer en toute sécurité sur la route.

Cartographies de la Lune et de Mars

Dès 1971, le LiDAR a fait fureur, ayant été inclus dans les missions Apollo (via la NASA). Au lieu de se diriger vers l’espace depuis la Terre à la recherche de satellites, il était désormais envoyé dans l’espace lui-même dans l’espoir de cartographier d’autres mondes.

La NASA a noté que sa première utilisation dans un vaisseau spatial a eu lieu pendant la mission Apollo 15, et plus tard durant les missions Apollo 16 et 17. Il était visé depuis l’orbite lunaire pour établir des cartes détaillées de la surface de la Lune. De plus, les missions Apollo ont laissé derrière elles de grands miroirs à la surface de la Lune sont encore utilisés aujourd’hui pour mesurer la distance à la Lune depuis la Terre, avec une précision de l’ordre du centimètre.

Ensuite, la NASA a envoyé des systèmes LiDAR améliorés sur Mars pour cartographier sa surface. Plus de 600 millions de mesures ont été effectuées. Comme le LiDAR est capable de fournir des mesures avec une précision incroyable, nous avons pu obtenir des cartes topographiques de la géographie d’autres mondes sans jamais avoir à poser les yeux dessus.

Quels sont les Avantages et inconvénients de LiDAR ?

Il faut bien comprendre que le LiDAR n’est pas une technologie parfaite, la réponse à tous nos besoins en matière de cartographie et de collecte de données. Certaines des caractéristiques qui rendent le LiDAR si utile pour la collecte d’informations dans des circonstances spécifiques, peuvent s’avérer être des limites dans d’autres contextes.

Comme la lumière rebondit ou se disperse sur un grand nombre d’objets, y compris les particules dans l’air, cela peut limiter son utilité.

Par exemple, lorsque les conditions météorologiques sont mauvaises, les précipitations dans l’air empêchent potentiellement le système de peindre clairement une image de son environnement.

Cela peut être particulièrement pertinent pour les technologies de conduite automatisée établies sur le LiDAR, qui peuvent souvent être appelées à fonctionner dans de déplorables conditions météorologiques.

Dans le cas de la cartographie de la végétation comme les terres agricoles ou les forêts, une croissance dense peut empêcher le LiDAR de pénétrer aux profondeurs nécessaires pour être vraiment utile. Un épais couvert forestier empêche potentiellement la lumière de traverser le sol de la forêt. De plus, comme nous l’avons mentionné plus haut, il y a un arrêt brutal lorsqu’on tente de cartographier à travers la colonne d’eau.

Dans ces cas, d’autres technologies, notamment le RADAR ou la collecte manuelle de données, peuvent être des solutions plus adaptées.

Les prédécesseurs de la technologie LiDAR

Dès les années 1930, la lumière a été utilisée comme moyen de détecter des objets éloignés, y compris la haute atmosphère (via Brittanica). Les scientifiques voulaient une méthode pour mesurer la distribution des particules dans l’atmosphère à haute altitude, et ils ont choisi de puissants projecteurs comme solution possible, selon une étude publiée par OSA Publishing Group. En installant un projecteur près d’une station d’observation et en dirigeant le faisceau de lumière à travers l’atmosphère selon un angle, les chercheurs pouvaient photographier le faisceau et mesurer ses propriétés. Le faisceau de lumière était visible à une hauteur comprise entre 20 et 28 kilomètres, en fonction de la clarté du ciel un jour donné.

Selon l’étude, mesurer l’intensité de la lumière à différentes altitudes permettait de connaître le nombre de particules présentes dans l’atmosphère à différentes altitudes. Cette méthode d’observation était difficile, en raison de la lumière de fond de la lune et des étoiles dans le ciel nocturne. Les scientifiques ont résolu ce problème d’abord en utilisant une collection de projecteurs rassemblés en un seul faisceau à l’aide d’un miroir, puis en utilisant un projecteur modulé de manière à ce que sa signature puisse être marquée et isolée du fond.

Grâce à ces méthodes, on a pu réaliser quelques-unes des premières tentatives d’observation de la haute atmosphère.

Le système LiDAR, qu'est-ce que c'est et comment ça marche ?
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L’invention pour le laser

Le concept du laser ou d’autres dispositifs similaires avait été évoqué par la communauté scientifique depuis qu’Einstein l’avait suggéré pour la première fois au début du vingtième siècle. Des progrès ont été réalisés au cours des décennies suivantes, principalement dans la génération de rayonnements micro-ondes par émission stimulée, mais les applications étaient rares (via Physics Today).

Le secret, en fin de compte, consistait à créer des émissions de lumière à des longueurs d’onde plus courtes. Cette idée s’est imposée au milieu et à la fin des années 50, mais n’a été réalisée avec succès qu’en 1960. Cette année-là, Theodore Maiman, qui travaillait alors au Hughes Research Laboratory, a braqué une lampe de poche de photographe sur un morceau de rubis modifié et a observé qu’il produisait des impulsions rouges de lumière visible. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Nature.

Dans un premier temps, les scientifiques ne savaient pas trop quoi faire de cette nouvelle technologie. Mais cela a vite changé. Les lasers ont rapidement trouvé leur place dans presque tous les domaines de recherche scientifique et font aujourd’hui partie intégrante de la vie quotidienne, comme le note American Scientist.

Le premier usage de la technologie LiDAR

Alors qu’on attribue à Maiman l’invention du premier laser fonctionnel, il travaillait à l’époque pour la Hughes Aircraft Company, qui est devenue le premier bénéficiaire de cette technologie. Seulement un an plus tard, en 1961, la société a développé le premier système LiDAR fonctionnel.

Toutefois, à l’époque, il ne s’appelait pas LiDAR. Ce terme n’entrera dans le langage scientifique que deux ans plus tard. Il s’appuyait sur les travaux antérieurs de mesure par la lumière, mais cette fois avec une source plus efficace et plus puissante que les projecteurs.

Comme pour beaucoup de nouvelles technologies, le premier système LiDAR a rapidement suscité l’intérêt des militaires (via IOP Science). Quelques années plus tôt, en 1957, l’Union soviétique a lancé Spoutnik, le premier satellite au monde, donnant le coup d’envoi de la course à l’espace. Savoir où se trouvent les satellites et ce qu’ils font était une priorité suite à la peur du public générée par l’existence des satellites soviétiques. Dans cette optique, l’armée s’est associée à Hughes pour mettre en service un système LiDAR dans le but de suivre les satellites.

Des idées jusqu’à la domination du monde et au-delà

On aurait pu se réjouir de l’avènement des lasers même s’ils n’étaient utiles que pour conduire votre chat (littéralement) dans un mur. Au lieu de cela, les lasers ont trouvé leur place dans d’innombrables appareils que nous utilisons au quotidien.

Si nous n’avions pas pu les utiliser dans des outils de détection et de télémétrie, nous aurions été privés de connaissances dans presque toutes les disciplines scientifiques. Le LiDAR a contribué à éclairer les civilisations de notre lointain passé et à établir des feuilles de route pour notre avenir sur la lune et les autres planètes.

Ainsi que nous l’avons vu dans cet article, cette technologie contribue à réduire la pénurie alimentaire et la prévalence de la pollution dans nos villes et nos quartiers. Elle rend vos trajets domicile-travail plus sûrs et offre de nouvelles possibilités pour créer des jeux et documenter les moments de plaisir que vous passez avec votre famille et vos amis.

Le LiDAR, que vous le sachiez ou non, a probablement touché votre vie d’une manière ou d’une autre. En mesurant simplement la distance entre les choses, nous avons été en mesure de dessiner un avenir meilleur un peu plus proche.