Lidar

La teledetección por láser o lidar , acrónimo de la expresión en inglés "  detección de luz y alcance  " o "  detección y alcance de imágenes láser  " (en francés "detección y estimación de distancia por luz" o "por láser") es una medida de distancia técnica basada en el análisis de las propiedades de un haz de luz enviado de vuelta a su transmisor.

A diferencia del radar que usa ondas de radio o el sonar que usa ondas acústicas , el lidar usa luz (del espectro visible , infrarrojo o ultravioleta ). Casi siempre es el resultado de un láser y, por lo tanto, es coherente .

El principio de telemetría (determinación de la distancia desde un objeto), que concierne a una gran parte de las aplicaciones LIDAR, generalmente requiere el uso de un láser pulsado. La distancia se da midiendo el retardo entre la emisión de un pulso y la detección de un pulso reflejado, conociendo la velocidad de la luz . Otra clase de aplicaciones basadas en la medición de la velocidad emplea un láser con un espectro de emisión fino (una frecuencia fija). Es el efecto Doppler-Fizeau , es decir, el desplazamiento de la frecuencia de la onda reflejada y recibida, que luego permite determinar la velocidad del objeto. En la atmósfera y otros medios difusos se pueden medir muchos otros parámetros ( concentraciones de gases y partículas específicas , densidad, temperatura, etc.) si sabemos aislar el efecto de las diferentes interacciones entre la luz y la materia. A lo largo del rayo láser. .

Lidar, un instrumento de teledetección activo esencial , encuentra sus aplicaciones en topografía ( geomorfología , altimetría y batimetría ), geociencias ( riesgo sísmico , meteorología , física atmosférica ) y ciencias ambientales (estudio de la contaminación atmosférica , agronomía y silvicultura ), pero también en arqueología. , prospección eólica , regulación del tráfico aéreo , guiado automático de vehículos terrestres o espaciales, o seguridad o defensa vial .

Historia y nombre

Poco después de su invención a principios de la década de 1960, los primeros láseres de rubí pulsados ​​naturalmente de Théodore Maiman se utilizaron para la telemetría fina de largo alcance. En los Estados Unidos, Louis Smullin y Giorgio Fiocco del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) los utilizan para medir con precisión la distancia Tierra-Luna enMayo de 1962(Proyecto Luna See), mientras que Guy Goyer y Robert Watson del Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR) los aplican en paralelo para medir la altura de las nubes. Llaman a su sistema "radar óptico".

La utilidad y precisión de los sistemas lidar se dio a conocer al público en general en 1971 durante la misión Apolo 15 , que traza un mapa de la luna utilizando un altímetro láser. Si bien la palabra lidar había sido creada originalmente por el ensamblaje de "luz" y "radar", se considera desde esta misma época que su nombre es más bien el acrónimo de "Detección y rango de luz" o "Detección y rango de imágenes láser". , como radar o sonar .

El término lidar cubre una amplia variedad de sistemas de medición de distancia por láser. Pero estos sistemas a veces se denominan de manera diferente. Actualmente, todavía encontramos el acrónimo "LADAR" (LAser Detection And Ranging), que se usa más bien en el campo militar en objetivos duros o en la literatura anglosajona. El acrónimo "ALSM" (Airborne Laser Swath Mapping) también se encuentra para aplicaciones específicas de topografía aérea. En francés, la expresión "radar láser" se utiliza incorrectamente por analogía, especialmente para los prismáticos de control de velocidad en la seguridad vial.

Si bien el término radar a menudo ya no se trata como un acrónimo (no está escrito en mayúsculas y cabe en plural), no hay consenso sobre el nombre de su equivalente óptico. De modo que se pueden encontrar en diferentes publicaciones de referencia, a veces incluso en un mismo documento, “LIDAR”, “lidar”, “Lidar” o “LiDaR”.

General

En general, el funcionamiento del lidar se asemeja al del radar (basado en la ecolocalización ), siendo la diferencia el rango espectral de las ondas electromagnéticas empleadas. Mientras que el radar funciona en el dominio de microondas ( frecuencias de 1 a 100  GHz , longitudes de onda milimétricas y centimétricas), el lidar se basa en láseres que irradian en el dominio infrarrojo , el dominio visible o el dominio ultravioleta cercano (frecuencias superiores a 10  THz , longitudes de onda de 250  nm a 10  µm ). En ambos casos, la onda electromagnética emitida es coherente y polarizada . Pero en el dominio espectral visible, es mucho más directivo y puede interactuar con objetos de tamaño microscópico.

Un lidar es un sistema optoelectrónico compuesto por un emisor láser, un receptor compuesto por un colector de luz ( telescopio u otra óptica) y un fotodetector que transforma la luz en una señal eléctrica , así como una cadena de procesamiento electrónico. La señal que extrae la información buscada.

Excepto a corto alcance (menos de un kilómetro), para recibir una señal suficientemente fuerte, es necesario utilizar:

• un láser de alta potencia media (normalmente superior a 100  mW ). Esto debe conciliarse con los requisitos de seguridad ocular en aplicaciones cercanas al suelo; seleccionar longitudes de onda fuera del rango de transparencia de la córnea del ojo (400 a 1400  nm ) o escanear el láser ayuda enormemente en esta dirección.
• en el lado receptor, un fotodetector de alta sensibilidad ( fotomultiplicador , fotodiodo de avalancha), excepto en detección coherente.

Por otro lado, el filtrado de la luz recibida es fundamental para vencer la luz del entorno, que constituye un fuerte parásito. Filtramos más a menudo al mismo tiempo:

• espacialmente, limitando el campo de visión de la óptica receptora firmemente alrededor del rayo láser, utilizando un diafragma de campo si es necesario,
• espectralmente, utilizando un filtro que permite que solo un rango estrecho pase alrededor de la longitud de onda del láser o un interferómetro .

A diferencia de esta detección denominada "directa", existen lidars con detección denominada "  coherente  " y / o "  heterodina  ", idéntica a la del radar . En este caso, en la recepción, se hace una mezcla entre la onda de luz recibida y una parte de la onda emitida, que ha sido desplazada por una frecuencia conocida, por ejemplo por un modulador acusto-óptico (la llamada onda "d ') . oscilador local ”). La interferencia de estas dos ondas genera un término que oscila alrededor de esta frecuencia en la señal de salida del fotodetector, además de los términos proporcionales a la potencia recibida y a la potencia del oscilador local. Al filtrar electrónicamente la señal en una banda estrecha alrededor de la frecuencia en cuestión, se obtiene una señal denominada "  heterodina  ".

Con P la potencia y φ la fase, R designa la onda recibida y OL designa el oscilador local, tenemos:

I(t)∝PAGOL+PAGR+2PAGRPAGOLporque⁡(ϕR(t)-ϕOL(t))⏟Señal heterodina: frecuencia ΔF0+2Vr/λ{\ Displaystyle I (t) \ propto P_ {OL} + P_ {R} + \ underbrace {2 {\ sqrt {P_ {R} P_ {OL}}} \ cos (\ phi _ {R} (t) - \ phi _ {OL} (t))} _ {{\ text {Señal heterodina: frecuencia}} \ Delta f_ {0} + 2V_ {r} / \ lambda}}

donde Δf 0 es el desplazamiento de frecuencia fijo introducido en el oscilador local, V r es la velocidad radial del objetivo y λ la longitud de onda del láser.

Este proceso tiene varias ventajas:

• La mezcla interferométrica multiplica la amplitud de la señal útil, eliminando la necesidad de un fotodetector ultrasensible.
• la información de fase de la onda recibida se conserva, mientras que se perdió en la detección directa.
• Se ha realizado así un filtrado espectral extremadamente fino (unas pocas decenas de MHz, o aproximadamente 10 -4 nm) de la luz recibida alrededor de la frecuencia central, mientras que la condición de coherencia espacial necesaria para la interferencia implica un filtrado espacial perfectamente ajustado alrededor el haz emitido. Esto es similar a la detección síncrona , un método probado para amplificar señales de banda estrecha de baja amplitud. Por tanto, el impacto de la luz parásita en un lidar coherente es insignificante.

El lidar coherente debe enfrentar algunas dificultades a cambio:

• requiere una emisión láser espectralmente fina que parece a priori incompatible con la alta potencia necesaria para lidar.
• La operación de pulsos de conmutación Q en la cavidad del láser, que crea pulsos potentes pero demasiado cortos sin relación de fase, también evita tener una frecuencia bien definida. Por lo tanto, la emisión debe ser continua o controlada por un oscilador maestro, o cortarse en pulsos "largos" (varios cientos de nanosegundos) a posteriori y luego volver a amplificarse.
• los ruidos adicionales relacionados con la turbulencia atmosférica y los movimientos del objetivo (variaciones en el “moteado” ) perturban la medición al destruir la coherencia entre las ondas mixtas.

Este sistema es directamente aplicable a la medición precisa de la velocidad del objetivo a través del efecto Doppler , exactamente en el mismo principio que en el radar Doppler . Este efecto provoca un cambio de frecuencia de la onda reflejada por un objeto en proporción a su velocidad en la dirección del observador, conocida como velocidad radial.

Es difícil clasificar a los lidares por principio o por aplicación; sin embargo, a continuación, proponemos abordarlos por el tipo de objetivo (duro o difuso) y el tipo de interacción luz / materia que observan.

Lidars blancos duros

Telémetros láser de escaneo LIDAR

El tipo de lidar más simple y más extendido sigue siendo el telémetro láser que calcula directamente la distancia de un objeto que refleja los pulsos láser emitidos, a partir de la diferencia de tiempo entre la emisión de un pulso t 0 y la recepción. Del eco t eco más grande , max  :

z=vs2(tmivsho,metroaX-t0){\ Displaystyle z = {\ frac {c} {2}} (t_ {echo, max} -t_ {0})}

con c la velocidad de la luz (aproximadamente 299.800  km s −1 ). La precisión de esta medida es inversamente proporcional a la duración del pulso y aumenta con la energía que hemos logrado recuperar en el fotodetector lidar.

Llamamos "ecuación lidar" al balance de enlace del lidar entre su emisión y su recepción, es decir, la energía luminosa E (en J) del pulso retrodispersado por un objetivo (asumido lambertiano, es decir, que difunde la luz uniformemente) ubicado en una distancia z y capturado por el lidar:

mi(z)=mi0FR(z)Tatmetro2(z)TRARz2ρπAvsIBlmi(z)Aspagot(z){\ Displaystyle E (z) = E_ {0} F_ {R} (z) T_ {atm} ^ {2} (z) {\ frac {T_ {R} A_ {R}} {z ^ {2}} } {\ frac {\ rho} {\ pi}} {\ frac {A_ {target} (z)} {A_ {spot} (z)}}}

En esta ecuación:

• E 0 representa la energía inicial del pulso emitido (en J);
• F R (z) es la función de superposición entre el haz emitido y el cono de recepción del lidar (con un valor entre 0 y 1);
• T atm (z) es la transmisión (con un valor entre 0 y 1) de la atmósfera sobre el espesor z (cf. sección lidar atmosférica);
• T R es la transmisión (con un valor entre 0 y 1) y A R el área (en m²) del sistema óptico receptor;
• ρ es el albedo del objetivo (con un valor entre 0 y 1);
• Un objetivo es el área del objetivo iluminada por el láser (en m²); Un punto (z) es el área total (en m²) del punto láser a la distancia z. Por definición , por lo tanto, para un objetivo resuelto (objetivo más grande que el haz) y para un objetivo no resuelto (objetivo más pequeño que el haz).AvsIBlmi≤Aspagot{\ Displaystyle A_ {target} \ leq A_ {spot}}AvsIBlmi(z)Aspagot(z)=1{\ Displaystyle {\ frac {A_ {target} (z)} {A_ {spot} (z)}} = 1}AvsIBlmi(z)Aspagot(z)∝1z2 {\ Displaystyle {\ frac {A_ {target} (z)} {A_ {spot} (z)}} \ propto {\ frac {1} {z ^ {2}}} \}

Aplicación numérica: para F R (z) = 100%, T atm (z) = 90% (propagación sobre 1  km en puntería horizontal en visibilidad media), T R = 60% (óptica y filtros incluidos), A R = 20  cm 2 (óptica 5  cm de diámetro), ρ = 30%, objetivo resuelto a una distancia z = 1  km , tenemos:

mi(z)≈10-10mi0{\ Displaystyle E (z) \ aproximadamente 10 ^ {- 10} E_ {0}}

Solo una diez mil millonésima parte de la energía emitida se recupera en la recepción.

El láser emite decenas a cientos de miles de pulsos por segundo. Al asociar un sistema de escaneo angular ("escáner", que generalmente usa espejos que desvían el eje de emisión y recepción en un ángulo conocido), o al aprovechar el desplazamiento conocido del portador lidar (avión o satélite), podemos ubicar los muchos ecos recogidos en el espacio tridimensional. Esto permite el mapeo 3D de la superficie del objetivo LIDAR, con una precisión que puede alcanzar algunos centímetros, o un rango que puede alcanzar varios cientos de kilómetros para sistemas espaciales.

Entre las muchas aplicaciones de estos lidars, podemos mencionar:

• la reconstrucción en 3D de entornos para arquitectura , urbanismo o exploración espeleológica ,
• Telemetría en tiempo real para la guía automática de vehículos terrestres ( automóvil autónomo ) o espaciales (encuentro orbital, ejemplo: ATV -5 Georges Lemaître),
• Control de velocidad portátil para la seguridad vial (los llamados binoculares “radar láser”) por telemetría diferencial: la variación de la distancia desde el objetivo se mide en función del tiempo.
• desde un avión o desde la órbita, la topografía de alta precisión de la Tierra (GLAS lidar de los satélites ICESat ) o cuerpos rocosos del sistema solar (altímetro MOLA de la sonda marciana Mars Global Surveyor ) para obtener un modelo digital del terreno . En arqueología y geomorfología esta técnica ayuda a detectar sitios enterrados bajo vegetación o agua o alterados por la guerra. Enfebrero 2018, un equipo descubre una ciudad maya de más de 2.000  km 2 en Guatemala. En silvicultura se utiliza para medir la altura del dosel o copa de los árboles, lo que permite establecer balances de cobertura vegetal, biomasa o riesgo de incendio a muy grandes escalas. En este último caso, destacamos el uso de lidares de gran huella y "onda completa" que extraen las estructuras de la misma forma que los lidares atmosféricos que se detallan a continuación.

Lidars de detección coherentes para la medición de la velocidad

Debido a su capacidad para detectar un cambio de frecuencia, el LIDAR de detección coherente se puede aplicar directamente para medir la velocidad de un objetivo difícil.

La señal heterodina, parte variable de la corriente a la salida del fotodetector (en A), se escribe:

Ihmit(t)=I0porque⁡(2π(ΔF0+2Vrλ)t+ϕ){\ Displaystyle i_ {het} (t) = i_ {0} \ cos (2 \ pi (\ Delta f_ {0} +2 {\ frac {V_ {r}} {\ lambda}}) t + \ phi) }

con Δf 0 el desplazamiento fijo impuesto al oscilador local, V r la velocidad radial del objetivo (proyectada hacia el lidar), λ la longitud de onda emitida e i 0 dada por la ecuación lidar adaptada al caso de lidar coherente (asumiendo láser continuo emisión):

I02(z)=4ηhmit2S2PAG0PAGOLFR(z)Tatmetro(z)TRARz2ρπAvsIBlmi(z)Aspagot(z){\ Displaystyle i_ {0} ^ {2} (z) = 4 \ eta _ {het} ^ {2} S ^ {2} P_ {0} P_ {OL} F_ {R} (z) T_ {atm} (z) {\ frac {T_ {R} A_ {R}} {z ^ {2}}} {\ frac {\ rho} {\ pi}} {\ frac {A_ {objetivo} (z)} {A_ {spot} (z)}}}

En esta ecuación aparecen varios términos nuevos (los demás se explican en el apartado anterior):

• η het la eficiencia heterodina (con un valor entre 0 y 1), tanto mejor cuanto que los frentes de onda interferentes se parecen entre sí y son muy sensibles a la propagación del haz,
• S, la sensibilidad del fotodetector (en A / W),
• P 0 , la potencia emitida (en W),
• P OL , la potencia del oscilador local (en W).

El procesamiento de la señal se lleva a cabo estimando la frecuencia instantánea de la señal heterodina (una operación a veces llamada demodulación , como en la radio ), para volver a la velocidad del objetivo. Cabe señalar que, dado que el lidar tiene una longitud de onda 10.000 veces más corta que el radar, la sensibilidad de la velocidad se multiplica por diez en comparación con el radar Doppler  : 1  MHz de desplazamiento de frecuencia corresponde aproximadamente a una velocidad de 1  m / s . Durante largos períodos, con una emisión láser continua dirigida a un objetivo duro, podemos sondear velocidades de menos de un micrómetro por segundo.

Aplicaciones :

Hasta finales de la década de 1990, solo los grandes y costosos láseres de gas CO 2 (infrarrojo térmico, λ = 10,6 µm) tenían las características necesarias de finura espectral y potencia, reservando este lidar para aplicaciones militares relacionadas en radar. Se trata principalmente de imágenes / telemetría / velocimetría de muy largo alcance (hasta varios cientos de kilómetros). Es posible sondear la forma y los movimientos de los satélites y los desechos espaciales en órbita terrestre baja , inaccesibles al radar, cuyo haz es demasiado divergente.

Posteriormente, el desarrollo de láseres de fibra (infrarrojo cercano, λ = 1,55 µm), compactos, robustos y menos costosos, abrió otros campos de aplicación en objetivos duros, en particular la vibrometría láser de larga distancia:

• para monitorear la salud mecánica de grandes estructuras por sus modos naturales de vibración , ya sean estructuras , un acantilado al borde del colapso o grandes edificios en una ciudad después de un terremoto . El interés no es tener que acercarse a una estructura potencialmente colapsada, o poder barrer su superficie para estudiar la forma de los modos de vibración (ej: identificar discontinuidades causadas por grietas) sin tener que depositar decenas de sensores.
• para la detección de minas terrestres enterradas, revelada por un escaneo de las vibraciones del suelo sometido a una excitación sonora
• además, en defensa, los vibrómetros lidares son aplicables a la detección e identificación a gran distancia de vehículos terrestres o aéreos por sus vibraciones específicas, o incluso al espionaje . Sin embargo, estas aplicaciones son relativamente recientes y, por tanto, exploratorias.

Lidar de destino difuso - lidar atmosférico

Los lidares pueden tomar medidas a través de diferentes medios difusos (océano, bosque) además de la atmósfera , pero nos centraremos en este último caso, predominante y representativo. En la atmósfera, esto implica analizar los ecos de luz provenientes de moléculas o partículas de aire ( aerosoles , gotitas de agua o cristales de hielo) suspendidas en la columna por la que pasa el rayo láser. Intensidad retro que estudia la difusión o la atenuación de la luz por estos componentes. Como en un ultrasonido , la señal recibida representa una sección de la atmósfera.

La dificultad de procesar esta señal radica en separar los efectos de la atenuación de los de la retrodispersión, así como la contribución respectiva de las partículas en suspensión y de las diversas moléculas. Es un caso ejemplar de un problema inverso mal condicionado para el que se intenta, con pocos observables pero un buen modelo matemático del sistema físico observado, volver a los parámetros característicos del sistema. Si sabemos cómo resolver este problema, entonces podemos acceder a la densidad y concentración de los constituyentes de la atmósfera, sus propiedades ópticas que proporcionan información sobre su naturaleza, pero también parámetros físicos como la temperatura o la velocidad del viento, dependiendo de la altitud. Por tanto, hablamos de “invertir” la señal lidar para resolver la ecuación que la describe.

La extinción (atenuación) y la retrodispersión son de hecho la suma de términos asociados con las diferentes partículas y moléculas presentes en la atmósfera y, a veces, dependen en gran medida de la longitud de onda. Cada término es el producto de la concentración de la especie (en m -3 ) por la sección de interacción efectiva (en m 2 para la extinción o m 2 .sr -1 para la retrodispersión). Estas secciones transversales dan una idea del orden de magnitud de los fenómenos de interacción.

Importancia de las interacciones luz-atmósfera en términos de sección transversal de retrodispersión:

Interacción	Sección transversal de retrodispersión	Caracteristicas
Mie diffusion (partículas de aerosol)	10 -8 - 10 -10 cm 2 sr -1	Instantáneo, elástico (misma longitud de onda)
Fluorescencia resonante (p. Ej., Especies metálicas)	10 -13 cm 2 sr -1	Instantáneo, inelástico (cambio de longitud de onda)
Fluorescencia (por ejemplo: aerosoles biológicos)	10 -19 cm 2 sr -1	Retrasado, inelástico
Dispersión de Rayleigh (moléculas)	10 -27 cm 2 sr -1	Instantáneo, elástico
Dispersión Raman (moléculas)	10 -30 cm 2 sr -1	Instantáneo, inelástico

Las observaciones Lidar se representan principalmente de dos formas:

• El perfil lidar suele ser la representación de la evolución de la señal lidar E (z) (a veces corregida por la dependencia en 1 / z²) o de un parámetro derivado del procesamiento de esta señal, en la abscisa, en función de la altitud z, en el eje y.
• Una serie de tiempo lidar es una figura tridimensional que representa la evolución de la señal lidar (en color) en función del tiempo (en el eje x) y la altitud (en el eje y).

Podemos clasificar los lidares atmosféricos según el fenómeno de interacción observado.

Lidares de retrodispersión (Rayleigh, Mie o Raman)

Estos lidares se basan en su mayor parte en potentes láseres (energía de más de 10  m J por pulso) que emiten entre el infrarrojo cercano y el ultravioleta cercano . La longitud de onda se elegirá corta si se desea maximizar la interacción con moléculas y partículas pequeñas (caso Rayleigh / Raman), o larga en el caso contrario (caso Mie). Hoy en día, los láseres de neodimio (Nd), que emiten a 1064  nm (infrarrojo cercano), 532  nm (verde) y / o 355  nm (casi ultravioleta) por duplicación / triplicación de frecuencia, se utilizan con frecuencia.

En el caso de lidars “Rayleigh” y / o “Mie”

Estudiamos la retrodispersión directa de los componentes de la atmósfera a la misma longitud de onda que la emitida. Se dice que la dispersión es "  elástica  ": ocurre sin intercambio de energía entre los fotones incidentes y el dispersor encontrado. Distinguimos la dispersión "Rayleigh" de moléculas (el tamaño del difusor es mucho menor que la longitud de onda utilizada) de la dispersión "Mie" de partículas de aerosol (el tamaño del difusor es del mismo orden de magnitud que la longitud d. onda utilizada).

La "ecuación lidar" es en este caso la expresión de la distribución vertical de la energía luminosa retrodispersada por una porción de atmósfera de espesor Δ z y capturada por el lidar, en función de la altitud z , que la mayoría de las veces intentamos resolver para encuentre el perfil de extinción α ( z ) o la retrodispersión β ( z ):

mi(z)=mi0FR(z)TRARz2β(λ,z)ΔzExp⁡[-2∫0zα(λ,z′)Dz′]⏟Tatmetro2(λ,z){\ Displaystyle E (z) = E_ {0} F_ {R} (z) {\ frac {T_ {R} A_ {R}} {z ^ {2}}} \ beta (\ lambda, z) \ Delta z \ underbrace {\ exp \ left [-2 \ int _ {0} ^ {z} \ alpha (\ lambda, z ') dz' \ right]} _ {T_ {atm} ^ {2} (\ lambda, z)}}

En esta ecuación:

• E 0 representa la energía inicial de los pulsos emitidos (en J);
• F R (z) es la función de superposición entre el rayo láser emitido y el cono de recepción del lidar a la distancia z (con un valor entre 0 y 1);
• Δ z = c / 2 Δ t es el tamaño del cuadro de resolución de distancia o distancia (en m), fijado por Δ t que es el máximo entre la duración del pulso y el tiempo de respuesta de la detección;
• T R es la transmisión (con un valor entre 0 y 1) y A R el área (en m 2 ) del sistema óptico receptor;
• α (λ, z ) representa el coeficiente de extinción (o atenuación , en m -1 ) en la altitud z y en la longitud de onda λ, condiciona la transmisión de la atmósfera T atm (λ);
• β (λ, z ) representa el coeficiente de retrodispersión (en m -1 .sr -1 ) en la altitud z en la longitud de onda λ.

Cabe señalar que los coeficientes de extinción y retrodispersión son la suma de las contribuciones de partículas (p) y moleculares (m) que evolucionan de manera diferente con la longitud de onda y la altitud:

{α(z)=αpag(z)+αmetro(z),β(z)=βpag(z)+βmetro(z){\ Displaystyle {\ begin {cases} \ alpha (z) = \ alpha _ {p} (z) + \ alpha _ {m} (z), \\\ beta (z) = \ beta _ {p} ( z) + \ beta _ {m} (z) \ end {cases}}}

Sabiendo que la energía exacta transmitida E 0 T R rara vez se conoce con suficiente precisión, la ecuación lidar se convierte en una ecuación con 5 incógnitas en total. Es necesario utilizar supuestos simplificadores para resolverlo.

• En la atmósfera superior (> 10  km ), generalmente no hay partículas, y un lidar de Rayleigh que estudia solo la difusión de moléculas puede subir, sabiendo que α m = 8π / 3 β m , al coeficiente de extinción. Siendo esto proporcional al número de moléculas, obtenemos así perfiles de densidad de la estratosfera y la mesosfera . Por otro lado, utilizando un interferómetro específico colocado en la recepción (detección de la llamada “alta resolución espectral”), es posible medir el desplazamiento espectral por efecto Doppler del espectro de retrodispersión de las moléculas, dando acceso a la velocidad del viento.
• En la troposfera (<10  km ), se deben utilizar supuestos simplificadores (perfil de densidad molecular, albedo de partículas) para reducir el número de incógnitas. Volvemos así al perfil de extinción de las partículas ( aerosoles , gotitas o cristales en las nubes ) en función de la altitud, que aporta información sobre su concentración . Diferentes conceptos de instrumentos recientes (con una medida de la despolarización de la luz recibida, o el uso de varias longitudes de onda en la emisión) pueden ayudar a determinar la naturaleza de las partículas ("especiación": contaminación , polvo, cenizas, gotitas, cristales ); por ejemplo, la fase de nube (agua líquida: sin despolarización, cristales de hielo: fuerte despolarización).

Aplicaciones: En general, los sistemas Rayleigh / Mie son muy diversos y están diseñados específicamente para una aplicación en particular (tierra o aire, partículas / moléculas, baja o gran altitud). Muchos utilizan múltiples canales (Rayleigh, Mie, Raman, despolarización ...) simultáneamente para maximizar el número de observaciones.

Cabe señalar que varios modelos lidar de Rayleigh-Mie se han comercializado desde mediados de la década de 2000 y están comenzando a equipar redes de monitoreo de la atmósfera inferior a nivel nacional e internacional. La NASA desarrolló notablemente una red global de lidar de micropulsos (que emite miles de pulsos de microjulios por segundo, en lugar de las pocas decenas de pulsos de milijulios por segundo de los lidars), MPLNET:

• estudio de densidad, contenido de agua / hielo, tamaño de grano y formación de nubes y neblinas;
• "Ceilometría", medida de la altura del cielo nublado o "superceilometría" de la capa límite atmosférica , para aviación civil o meteorología;
• medición de la densidad y temperatura de la atmósfera media terrestre (de 10 a 100  km ) desde el suelo mediante lidar de Rayleigh (detección de ondas de gravedad de 1967);
• estudio de la contaminación del aire por partículas (para comprender sus fuentes, su impacto en el calentamiento global , pronosticar la calidad del aire ) y el transporte de partículas de aerosoles ( polen , polvo del desierto , cenizas volcánicas, etc.) desde el suelo o por satélite (CALIOP lidar en el Satélite CALIPSO , asociación CNES / NASA );
• observación de nubes de hielo y polvo en la atmósfera de Marte por el lidar de la sonda Phoenix (NASA), incluida en la estación meteorológica canadiense MET;
• medición de la velocidad del viento por satélite para mejorar los modelos de predicción meteorológica (LIDAR ALADIN en el futuro satélite ADM-Aeolus ) y, potencialmente, por avión para la medición de la velocidad del aire sin sonda Pitot y detección de turbulencias delante del dispositivo.

Caso especial de "viento lidar": Mie lidar con detección coherente

El sistema comúnmente llamado "viento lidar" es un lidar de dispersión Mie con detección heterodina coherente, monoestático (una única óptica de emisión y recepción), para la medición del campo de viento en la capa límite atmosférica  : da la velocidad y la dirección del viento en función de altitud, potencialmente hasta 1 o 2  km , en la capa cercana al suelo donde las partículas (aerosoles) reflejan su emisión. Por tanto, es una versión en el espectro visible del perfilador de viento .

La amplitud de la señal se puede utilizar para calcular la concentración de aerosoles, pero estamos interesados ​​principalmente en la fase de la señal, cuya derivada es proporcional a la velocidad radial (proyectada en el eje del haz) del viento V r por el efecto Doppler .

Si solo tiene acceso a la componente radial de la velocidad del viento, como se muestra al lado, una medición a lo largo de 3 o más ejes (con una precisión de ~ cm / s) es suficiente en teoría para reconstituir, cambiando la base , el vector de viento en 3 dimensiones (con mejor precisión que el m / s). En la práctica, la viga inclinada a menudo se barre a lo largo de un cono alrededor de la vertical para medir la velocidad a lo largo de múltiples ejes.

Aplicaciones  : Desarrollado en la década de 1980 para la dinámica atmosférica por NOAA utilizando un láser de CO 2 continuo (longitud de onda de 10,6 µm) y luego láseres sólidos de Tm / Ho: YAG (2 µm), se extendió más ampliamente en la década de 2000 gracias a la tecnología de fibra de 1,55 µm láseres, cuyos componentes de la industria de la fibra óptica de telecomunicaciones se producen en serie. Cabe señalar que la resolución de la distancia a veces se obtiene desenfocando en sistemas de fibra de emisión continua, siendo la eficiencia heterodina mucho mayor en el punto focal de un haz convergente.

• Prospección del perfil eólico vertical aguas arriba de la instalación de un parque eólico para prever su producción energética .
• Vigilancia del vórtice de la estela , al final o a lo largo de toda la longitud de las pistas de despegue del aeropuerto , para ajustar los intervalos de salida en centros internacionales de alto tráfico como CDG .
• Mapeo de campos de viento alrededor de los aeropuertos para detectar cizalladuras de viento peligrosas al aterrizar
• Medición de la velocidad del aire en un helicóptero , las sondas de velocidad convencionales son frecuentemente perturbadas por el flujo de aire del rotor .

En el caso de lidars "Raman"

Estudiamos la retrodispersión “Raman” de luz sobre un constituyente de la atmósfera a una longitud de onda λ diferente a la de la emisión λ 0 , elegida a priori, y característica de un compuesto químico. Sin embargo, este tipo de dispersión generalmente tiene menos de una probabilidad entre mil de ocurrir por cada fotón dispersado, lo que hace que la señal sea delgada y difícil de aislar.

La dispersión Raman se denomina "inelástica" , es decir, hay intercambio de energía entre el fotón y la molécula que emite; el fotón puede hacer vibrar o rotar la molécula en reposo, o absorber la energía vibratoria o rotacional de una molécula excitada. Mediante la mecánica cuántica , los niveles de energía vibro-rotacional accesibles a las moléculas se cuantifican y son específicos de ellas. Por tanto, el espectro de dispersión Raman consta de una serie de líneas en longitudes de onda particulares. Es una "huella digital" de la molécula. Además, la intensidad de las líneas es directamente proporcional a la concentración de moléculas en la atmósfera, y su importancia relativa depende de las estadísticas de excitación de las moléculas y puede proporcionar información sobre la temperatura .

Para utilizarlo, es necesario utilizar en recepción un monocromador o varios filtros de interferencia estrechos para seleccionar estas líneas. Un láser de alta potencia es esencial para compensar la debilidad de la dispersión Raman en comparación con la dispersión elástica clásica. La medición diurna en presencia de luz solar sigue siendo difícil.

Por otro lado, la ecuación lidar Raman es fácil de resolver porque la retrodispersión es el resultado de una sola especie química. Está escrito en este caso:

mi(λ,z)=mi0FR(z)TRARz2Exp⁡[-∫0zα(λ0,z′)Dz′]⏟Tatmetro(λ0,z′)β(λ0,λ,z)ΔzExp⁡[-∫0zα(λ,z′)Dz′]⏟Tatmetro(λ,z′){\ Displaystyle 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 ')}}

En esta ecuación:

• la longitud de onda de observación λ se puede distinguir de la longitud de onda emitida λ 0 ;
• β (λ 0 , λ, z) representa el coeficiente de retrodispersión Raman de la especie de interés (en m -1 .sr -1 ) a una altitud z entre la longitud de onda de emisión λ 0 y la longitud de onda de observación λ. Se debe únicamente a las moléculas objetivo y es de primer orden directamente proporcional a su concentración.

Por lo tanto, esta ecuación se resuelve fácilmente si tenemos un canal de recepción "elástico" en paralelo, o si hacemos la relación de la dispersión Raman de dos especies en longitudes de onda similares.

Aplicaciones: A gran distancia en la atmósfera, esta técnica relativamente nueva (década de 1990) requiere láseres potentes que suelen ser propiedad exclusiva de los laboratorios de investigación, pero recientemente se han introducido en el mercado unos pocos lidares Raman atmosféricos comerciales. A largo plazo, podemos imaginar un verdadero lidar meteorológico que proporcionaría temperatura y humedad atmosféricas en lugar de las radiosondas que se utilizan actualmente en la meteorología operativa.

• Uso de la retrodispersión de dinitrógeno atmosférico como referencia para resolver completamente el problema inverso del lidar de Rayleigh-Mie (sección anterior); A continuación , se determina con precisión la reflectividad ( albedo ) de las partículas de aerosol y potencialmente su concentración de masa en la columna de aire,
• Medición de la concentración de gases traza específicos como el vapor de agua y otros gases de efecto invernadero .
• Midiendo la temperatura de la troposfera a la mesosfera

A menor alcance, el lidar Raman sería aplicable al control remoto del nivel de alcohol de los automovilistas mediante el análisis del nivel de alcohol en el compartimiento de pasajeros del automóvil (aunque desde entonces se ha cuestionado la realidad de este dispositivo). Más probablemente, se utilizó para la detección de sustancias y la ubicación de fugas de gas, tóxicas o peligrosas, a una distancia segura o en instalaciones inaccesibles.

Lidares de fluorescencia

La fluorescencia es un fenómeno por el cual como resultado de la excitación de una molécula o un átomo por absorción de un fotón , otro fotón es inmediatamente retransmitido (ejemplo fotoluminiscencia ).

Esta reemisión puede ocurrir con la misma energía y longitud de onda (fluorescencia resonante) o con una energía más baja (y longitud de onda más larga) cuando ha habido una ligera relajación no radiativa en el ínterin ( 10-10 s). En todos los casos, la excitación tiene una vida útil que puede llegar hasta los 10 -7 sy la reemisión se produce estadísticamente con un ligero retraso, tras una disminución exponencial . Cabe señalar que, a diferencia de la difusión, la reemisión fluorescente es prácticamente isótropa , es decir, se produce de forma indiferente en todas las direcciones.

Obviamente, la fluorescencia se puede inducir mediante iluminación láser ("FIL" o "LIF" en inglés, fluorescencia inducida por láser) a distancia:

• Por ejemplo, un compuesto orgánico excitado por radiación ultravioleta puede reemitir luz visible por fluorescencia en un amplio espectro . La espectroscopia de fluorescencia es una técnica común de visión y análisis en química orgánica , bioquímica y biología , porque muchas moléculas orgánicas y áreas vivas son fluorescentes. La dispersión simple a la longitud de onda de excitación en los otros constituyentes del medio se supera así fácilmente, pero la energía reemitida se dispersa en un rango espectral más grande, esto complica su recuperación.
• También es posible aprovechar la fluorescencia resonante que existe en las líneas de emisión / absorción cercanas a las especies metálicas en la atmósfera. Tiene la ventaja de no extenderse espectralmente.

Lidares de fluorescencia molecular (no resonantes)

El lidar de fluorescencia con emisión en el rango ultravioleta y recepción filtrada en el rango visible es, por tanto, capaz de detectar la presencia y concentración de moléculas orgánicas fluorocromáticas a distancia. Esto hace posible una detección remota específica de los seres vivos en la atmósfera o en el océano .

Además, al apuntar a objetivos duros aprovechando la resolución temporal del lidar, podemos detallar la disminución de la fluorescencia a lo largo del tiempo (la reemisión puede durar varias decenas de nanosegundos), lo que a veces permite reconocer el material. De la objetivo ("espectrofluorometría de resolución temporal").

Una primera dificultad con el lidar de fluorescencia molecular radica en la dilución temporal (varias decenas de nanosegundos) y espectral (varias decenas o incluso cientos de nm) de la energía reemitida. Esto complica enormemente el aislamiento de la recepción LIDAR de las fuentes de luz parásitas y limita el alcance de estos sistemas. En muchos casos dirigidos a una especie en particular, otra dificultad sigue siendo el ajuste preciso de la longitud de onda de emisión del láser en la línea de absorción de la especie estudiada.

Por otro lado, si la detección de fluoróforos (partículas fluorescentes) es fácil, la determinación precisa de su concentración puede resultar bastante compleja:

• en primer lugar, la fuerte absorción de las especies objetivo extingue rápidamente la energía del láser.
• Además, debido al retraso de la fluorescencia, que evoluciona en exp (-t / τ), con τ su tiempo característico que puede llegar hasta algunas decenas de nanosegundos, la excitación y la reemisión suelen durar más que el láser. pulso y la resolución temporal de detección, que codifica espacialmente la capa fluorofórica observada con su entorno.

Normalmente, en la atmósfera, para una capa de concentración N F (z) (en m -3 ) cuyo piso está a una altitud z F , la ecuación lidar se convierte en el caso de una fluorescencia larga en comparación con el pulso de duración y la resolución temporal. :

mi(λ,λ0,z)=mi0FR(z)TRARz2Tatmetro(λ,z)Tatmetro(λ0,zF)σFltuo(λ0,λ)4πΔz[NOF(z)Exp⁡(-∫zFzα(λ0,z′)Dz′)⏟Extinción rápida]⋆HF(z)⏟Interferencia{\ Displaystyle 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 {Rápida extinción}} \ right] \ star \ underbrace {H_ {F} (z)} _ {\ text {Scrambling}}}

con :

• λ 0 la longitud de onda de excitación y λ la longitud de onda de observación,
• σ fluo la sección de fluorescencia efectiva a la longitud de onda de observación (en m²), dada por la sección de absorción σ abs , la vida útil radiativa del nivel excitado τ rad , la distribución espectral de la fluorescencia y el ancho del filtro en la recepción δλ:L(λ){\ Displaystyle {\ mathcal {L}} (\ lambda)}

σFltuo(λ0,λ)=σaBs(λ0)λ0λττraDL(λ)δλ{\ Displaystyle \ sigma _ {fluo} (\ lambda _ {0}, \ lambda) = \ sigma _ {abs} (\ lambda _ {0}) {\ frac {\ lambda _ {0}} {\ lambda} } {\ frac {\ tau} {\ tau _ {rad}}} {\ mathcal {L}} (\ lambda) \ delta \ lambda}

• ⋆{\ Displaystyle \ star}el producto de convolución y H F un término de interferencia dado por:

HF(z=vst)=H(t)Exp⁡(-t/τ){\ Displaystyle H_ {F} (z = ct) = H (t) \ exp (-t / \ tau)}

donde H (t) es la función de Heaviside .

Es posible una corrección relacionada con una deconvolución para volver a la concentración de las partículas fluorofóricas. Entonces es necesario conocer su coeficiente de extinción masiva y el tiempo de fluorescencia característico, lo que implica conocer su naturaleza exacta y haber caracterizado estas propiedades en el laboratorio. Si la duración del pulso no es despreciable, también es necesario conocer la forma de este último.

Aplicaciones  :

• En la atmósfera, detección remota de ataques biológicos por dispersión de aerosoles.
• En el océano, detección de desgasificación , fugas de petróleo y plancton , mapeo de la biodiversidad y la salud de los arrecifes de coral mediante un lidar a bordo de un barco.
• En un objetivo difícil, en arqueología , el reconocimiento de materiales de construcción por espectroscopia resuelta en el tiempo, o la demostración del deterioro biológico de un sitio histórico.

Lidares de fluorescencia resonante

Varias especies no orgánicas de la atmósfera superior también pueden caracterizarse por su espectroscopia de fluorescencia resonante, si se excitan en la longitud de onda de una línea espectral de absorción / emisión. Estamos estudiando los bordes de la mesosfera donde especies metálicas como el sodio y el hierro son depositadas constantemente por meteoros , o nitrógeno ionizado de la ionosfera , a pesar de la distancia (~ 100  km ).

Especies	N / A	Fe	K	Eso	N 2 +
Longitud de onda	589,1  nanómetro	372,1  nanómetro	766,6 / 770,1  nm	422,8  nm	393,8  nanómetro

El principio físico es el mismo para las diferentes especies mencionadas:

• un láser continuo esclavizado a la longitud de onda deseada por absorción saturada en una celda del gas objetivo desempeña el papel de oscilador maestro;
• su emisión es desplazada por un modulador acústico-óptico en unos pocos cientos de MHz (Δƒ) alternativamente a cada lado de la línea para sondear los átomos de diferentes clases de velocidad;
• un láser pulsado inyectado por este flujo produce una emisión pulsátil más potente;
• tres muestreos a –Δƒ, 0 y + Δƒ son suficientes para reconstituir la frecuencia central (ligada a la velocidad radial del viento por el efecto Doppler ) y el ensanchamiento (ligado a la temperatura ) de la línea de absorción de los átomos sondeados.

Debido a que los pulsos de láser se emiten en resonancia con la línea de la especie estudiada, la potencia reemitida se magnifica en un factor de 10 14 en comparación con la dispersión de Rayleigh simple .

Utilizando un láser modesto (pulsos de unos 10 mJ) y un telescopio de tamaño métrico, un lidar de fluorescencia resonante puede sondear la temperatura y el viento más allá de la mesopausia (80  km ) en cuestión de minutos. Estas dos medidas son directas (sin asumir la densidad del aire ni el equilibrio hidrostático) y simultáneas.

Aplicaciones  :

• Medición de la densidad, temperatura y flujos de la atmósfera superior mediante espectroscopia de fluorescencia de especies metálicas atmosféricas (de 80 a 100  km aproximadamente).
• Estudio de la ionosfera (capa exterior de la atmósfera donde aparecen las auroras boreales) a través de la fluorescencia del nitrógeno ionizado.

Lidares de absorción diferencial: "DIAL"

Un fuerte competidor de Raman dispersa lidar (muy fino y difícil de observar en la luz del día o a gran distancia) para medir la concentración de gases traza en la atmósfera es lidar de absorción diferencial (en Inglés: Di fferential A bsorption L idar , DIAL).

Su principio es el siguiente:

• transmitiendo pulsos en dos longitudes de onda, una (llamada "ON") correspondiente a una línea espectral de absorción de una especie molecular de la atmósfera, la otra (llamada "OFF") pero muy cerca fuera de esta línea de absorción,
• la luz en estas dos longitudes de onda se absorbe de manera muy diferente durante su propagación, pero a priori se refleja igualmente por los constituyentes de la atmósfera,
• en la recepción se calcula la diferencia de atenuación de las señales ON y OFF, a priori proporcional a la concentración de la especie buscada.

De hecho, de acuerdo con la ecuación lidar, tenemos para cada una de las dos longitudes de onda ON y OFF:

{mi(λONO,z)=miONOFR(z)TRARz2β(λONO,z)ΔzExp⁡[-2∫0zα(λONO,z′)Dz′],mi(λOFF,z)=miOFFFR(z)TRARz2β(λOFF,z)ΔzExp⁡[-2∫0zα(λOFF,z′)Dz′]{\ Displaystyle {\ 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}}}

de ahí la relación energética:

mi(λONO,z)mi(λOFF,z)=β(λONO,z)β(λOFF,z)Exp⁡[-2∫0zα(λONO,z′)-α(λOFF,z′)Dz′]{\ displaystyle {\ 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]}

Ahora, si N (z) es el perfil de concentración de la especie buscada (en m -3 ), σ abs su sección de absorción efectiva (en m 2 ) y λ ON cerca de λ OFF  :

{α(λ,z)≃NO(z)σaBs(λ)β(λONO)≃β(λOFF){\ Displaystyle {\ begin {cases} \ alpha (\ lambda, z) \ simeq N (z) \ sigma _ {abs} (\ lambda) \\\ beta (\ lambda _ {ON}) \ simeq \ beta ( \ lambda _ {OFF}) \ end {cases}}}

Entonces, con Δσ abs la diferencia en la sección transversal de absorción entre las dos longitudes de onda λ ON y λ OFF  :

mi(λONO,z)mi(λOFF,z)≃Exp⁡[-2∫0zNO(z′)ΔσaBsDz′]{\ displaystyle {\ frac {E (\ lambda _ {ON}, z)} {E (\ lambda _ {OFF}, z)}} \ simeq \ exp \ left [-2 \ int _ {0} ^ { z} N (z ') \ Delta \ sigma _ {abs} dz' \ right]}

y podemos determinar:

NO(z)≃-12ΔσaBs∂∂z[en⁡mi(λONO,z)mi(λOFF,z)]{\ Displaystyle N (z) \ simeq - {\ frac {1} {2 \ Delta \ sigma _ {abs}}} {\ frac {\ parcial} {\ parcial z}} \ izquierda [\ ln {\ frac { E (\ lambda _ {ON}, z)} {E (\ lambda _ {OFF}, z)}} \ right]}

La figura anterior enumera algunas especies gaseosas que pueden medirse con esta técnica, colocando sus líneas de absorción en el espectro UV-Visible-IR, y los tipos de láser utilizados para hacer esto. Cabe señalar que ciertas especies presentes en forma de aerosol también se pueden probar de esta manera.

Algunos lidar DIAL utilizan la técnica de detección heterodina para superar por completo el parásito de la luz ambiental y realizar mediciones de día y de noche.

Quedan varias dificultades:

• Es necesario tener un láser de doble frecuencia sintonizable en longitud de onda para apuntar a la parte superior de la línea de absorción de la especie a medir (λ ON ), así como su pie (λ OFF ).
• La precisión de esta medición depende en gran medida de la absorción acumulativa de las especies medidas en la atmósfera (espesor óptico). Hay un espesor óptico óptimo a alcanzar, lo que limita la elección de la línea de absorción, el láser y por lo tanto el diseño del sistema de emisión en su conjunto, dependiendo de la configuración de observación (desde el suelo, desde un plano, bajo o alto concentración, rango de altitudes de interés ...).
• Más importante aún, el fenómeno de compensación por presión ( cambio de presión ) de líneas de absorción espectral estrechas sesga las mediciones de LIDAR en grandes rangos de altitud, ya que, a medida que la presión disminuye en cantidad en la atmósfera, la línea se desvía de λ ON y la absorción disminuye. Por lo tanto, es necesario colocar λ ON en el lado de la línea a presión estándar, para que se acerque al máximo con la altitud, y calibrar rigurosamente este sesgo para restarlo de las mediciones.

Aplicaciones  :

• Seguimiento de la capa de ozono estratosférico (entre 15 y 30  km sobre el nivel del mar), cuya desaparición parcial es uno de los mayores problemas ambientales de finales del siglo XX. El ozono fue el primer gas traza en la atmósfera medido por DIAL en la década de 1980 gracias a sus amplias y marcadas líneas de absorción en el ultravioleta.
• Medición de la proporción de mezcla en atmósfera de vapor de agua (y opcionalmente temperatura), incluso desde el espacio.
• Medición de concentraciones de gases de efecto invernadero como dióxido de carbono o metano . El satélite franco-alemán MERLIN, en desarrollo, debería medir el metano atmosférico a partir de 2018 mediante el método DIAL integrado (la medición no se resuelve en altitud, para tener una señal suficiente).
• Medición de diversos contaminantes gaseosos en el troposfera (atmósfera inferior) de ozono , dióxido de azufre , dióxido de nitrógeno , tolueno , opcionalmente simultáneamente por un lidar DIAL 5 longitudes de onda, el sistema comercializado por la empresa alemana Elight a principios de los 2000 de.

Lidars del "supercontinuo"

Utilizando láseres con pulsos de femtosegundos , o maximizando efectos no lineales en fibras ópticas o cristales específicos , es posible generar pulsos de luz de espectro muy amplio, cubriendo bandas espectrales de varios micrómetros (luz blanca). Tal espectáculo se llama "  supercontinuo  ".

Esto llevó a la consideración de un lidar supercontinuo, para la resolución de la ecuación del lidar en todas las longitudes de onda con el fin de acceder simultáneamente a la concentración de especies gaseosas contaminantes, las distribuciones de tamaño de aerosoles y moléculas orgánicas fluorescentes. El sistema franco-alemán Téramobile es una encarnación reconocida de esto.

Sin embargo, debido a la dispersión espectral de su potencia y los efectos disipativos de la propagación en la atmósfera de los haces en un régimen de alta potencia de pico, un problema de balance de enlace limita el alcance y consecuentemente las aplicaciones de estos sistemas. El último trabajo de largo alcance que se puede encontrar se remonta a finales de la década de 2000, mientras que el trabajo reciente se centra en la discriminación de gas de corto alcance, sin resolución de distancia.

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Ver también

Bibliografía

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Libros de referencia

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Artículos relacionados

• Radar , Sonar , Sodar
• Láser , Lista de diferentes tipos de láser , Supercontinuo
• Lasergrametría
• efecto Doppler
• Sensores remotos
• Telémetro láser , vibrómetro láser , escáner tridimensional , equivalente a lidar de corto alcance.
• Técnicas láser de corto alcance que no deben confundirse con lidar: LIBS (espectroscopia de plasma inducida por láser), CARS (espectroscopia coherente anti-Stockes Raman), velocimetría láser .
• El principio de lidar aplicado al control de fibras ópticas: técnica OTDR .
• CALIOP , lidar franco-estadounidense en el satélite CALIPSO, en órbita desdeAbril de 2006y ALADIN , un lidar francés en preparación en el satélite ADM-AEOLUS.

enlaces externos

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• P. Flamant, “  Lidar fundamentals  ” [PDF] , sobre École polytechnique ,2010(consultado el 17 de noviembre de 2014 ) .
• J. Pelon, "  Lidar Space Missions  " [PDF] , sobre el Centro Nacional de Investigación Meteorológica ,2010(consultado el 17 de noviembre de 2014 ) .
• Popularización: [video] LIDAR: del APOLLO 15 al auto autónomo - Spatialist # 22 en YouTube