Qu'est-ce que le LiDAR ?

Définition du LiDAR

LiDAR est l'acronyme de « Light Detection and Ranging » (détection et télémétrie par la lumière). Ce système fonctionne en émettant un faisceau laser à partir d'un émetteur, qui se reflète ensuite sur les objets présents dans l'environnement. Le récepteur du système détecte la lumière réfléchie et, en mesurant le temps que met la lumière pour aller jusqu'à chaque objet et en revenir (ce que l'on appelle le temps de vol), le LiDAR crée une carte détaillée des distances de la scène.

Le LiDAR est une technologie optique souvent citée comme une méthode essentielle pour la mesure de distance dans le domaine des véhicules autonomes. De nombreux constructeurs s'efforcent de mettre au point des systèmes LiDAR compacts et d'un bon rapport qualité-prix. Pratiquement tous les constructeurs qui se lancent dans la conduite autonome considèrent le LiDAR comme une technologie clé, et certains systèmes LiDAR sont déjà disponibles pour les systèmes Advanced d'aide Advanced (ADAS).

Comment fonctionne le LiDAR et en quoi apporte-t-il des solutions ?

En substance, le LiDAR est un appareil de télémétrie qui mesure la distance qui le sépare d'une cible. Il mesure cette distance en émettant une brève impulsion laser et en enregistrant le temps écoulé entre l'émission de l'impulsion lumineuse et la détection de l'impulsion lumineuse réfléchie (rétrodiffusée).

Un système LiDAR peut utiliser un miroir de balayage, plusieurs faisceaux laser ou d'autres moyens pour « balayer » l'espace environnant. Grâce à sa capacité à fournir des mesures de distance précises, le LiDAR permet de résoudre de nombreux problèmes.

En télédétection, les systèmes LiDAR permettent de mesurer la diffusion, l'absorption ou la réémission par des particules ou des molécules présentes dans l'atmosphère. À ces fins, ces systèmes peuvent avoir des exigences spécifiques concernant la longueur d'onde des faisceaux laser. Par exemple, les systèmes LiDAR peuvent mesurer la concentration d'une espèce moléculaire spécifique dans l'atmosphère, comme le méthane ou la charge en aérosols. Le LiDAR permet également de détecter les gouttelettes de pluie dans l'atmosphère afin d'estimer la distance d'un orage et le taux de précipitations.

D'autres systèmes LiDAR fournissent des profils de surfaces tridimensionnelles dans l'espace des objets. Dans ces systèmes, les faisceaux laser de balayage ne sont pas liés à des caractéristiques spectrales spécifiques. Il est en revanche possible de choisir la longueur d'onde des faisceaux laser afin de garantir la sécurité oculaire ou d'éviter les interférences spectrales atmosphériques. Le faisceau de balayage rencontre une « cible dure », qui le renvoie vers le récepteur LiDAR.

Vous pouvez également utiliser le LiDAR pour déterminer la vitesse d'une cible, soit par la technique Doppler, soit en mesurant la distance qui vous sépare de la cible à un rythme rapide. Par exemple, les systèmes LiDAR peuvent mesurer la vitesse du vent dans l'atmosphère et la vitesse d'une voiture.

De plus, vous pouvez utiliser des systèmes LiDAR pour créer un modèle tridimensionnel d'une scène dynamique, comme celle qu'un véhicule autonome pourrait rencontrer. Il existe plusieurs façons de procéder, généralement à l'aide d'une technique de balayage.

Quels sont les défis liés au LiDAR ?

Les systèmes LiDAR opérationnels sont confrontés à plusieurs défis bien connus, qui peuvent varier en fonction du type de système. En voici quelques exemples courants :

Ces défis font l'objet de travaux de recherche et développement intensifs visant à améliorer la fiabilité, la sécurité et l'accessibilité financière de la technologie LiDAR.

Les domaines d'application du LiDAR sont vastes et variés. Les scientifiques spécialistes de l'atmosphère utilisent le LiDAR pour détecter de nombreux types de composants atmosphériques. Ils s'en servent pour caractériser les aérosols présents dans l'atmosphère, étudier les vents dans la haute atmosphère, établir le profil des nuages, faciliter la collecte de données météorologiques, ainsi que pour de nombreuses autres applications.

Les astronomes utilisent le LiDAR pour mesurer des distances, tant pour des objets lointains comme la Lune que pour des objets très proches. En effet, le LiDAR est un outil essentiel pour améliorer la mesure de la distance à la Lune avec une précision de l'ordre du millimètre. Ils utilisent également le LiDAR pour créer des étoiles guides destinées à des applications astronomiques.

Les scientifiques de la NOAA utilisent les produits générés par le LiDAR pour étudier les environnements naturels et artificiels. Les données LiDAR servent à des activités telles que la modélisation des inondations et des ondes de tempête, la modélisation hydrodynamique, la cartographie du littoral, les interventions d'urgence, les levés hydrographiques et l'analyse de la vulnérabilité des côtes.

De plus, le LiDAR topographique utilise un laser à infrarouge proche pour cartographier le terrain et les bâtiments, tandis que le LiDAR bathymétrique utilise une lumière verte capable de traverser l'eau pour cartographier les fonds marins et les lits des cours d'eau. Le secteur agricole utilise le LiDAR pour cartographier la topographie et la croissance des cultures, ce qui permet d'obtenir des informations sur les besoins en engrais et en irrigation. Les archéologues utilisent le LiDAR pour cartographier d'anciens réseaux de transport sous l'épaisse canopée forestière.

Aujourd'hui, les scientifiques ont souvent recours au LiDAR pour créer des modèles tridimensionnels de l'environnement entourant le capteur LiDAR. La navigation autonome est l'une des applications qui utilise le nuage de points généré par un système LiDAR. On trouve même des systèmes LiDAR miniatures dans des appareils aussi petits que des téléphones portables.

Comment le LiDAR se comporte-t-il dans la pratique ?

L'une des applications fascinantes du LiDAR réside dans la perception de l'environnement, notamment pour la navigation autonome. Le système de perception de l'environnement d'un véhicule en mouvement doit être capable de détecter à la fois les objets immobiles et ceux en mouvement qui l'entourent. Par exemple, le radar est utilisé depuis longtemps pour détecter les avions. Les constructeurs de véhicules terrestres trouvent également le LiDAR très utile, car il permet de déterminer la distance par rapport aux objets et offre une grande précision en termes de directionnalité. Ils peuvent diriger les faisceaux de détection selon des angles précis et effectuer un balayage rapide afin de créer un nuage de points pour un modèle tridimensionnel. La capacité à effectuer un balayage rapide est essentielle pour cette application, car l'environnement du véhicule est très dynamique.

Figure 5. Les capteurs des voitures autonomes utilisent les données des caméras, des radars et du LiDAR pour détecter les objets qui les entourent.

Figure 6. La voiture autonome utilise des capteurs LiDAR pour détecter les bâtiments et les voitures environnants.

Les logiciels jouent un rôle essentiel dans tous les aspects de la conception et du fonctionnement des systèmes LiDAR. Cela signifie que la conception de ces systèmes nécessite plusieurs types de logiciels.

L'ingénieur système a besoin d'un modèle radiométrique pour prédire le rapport signal/bruit du faisceau de retour. L'ingénieur optique a besoin d'un logiciel pour réaliser la conception optique. L'ingénieur en électronique a besoin d'un modèle électronique pour réaliser la conception électrique. L'ingénieur en mécanique a besoin d'un logiciel de CAO pour réaliser la disposition du système. Les ingénieurs peuvent également avoir besoin de logiciels de modélisation structurelle et thermique.

Le fonctionnement des systèmes LiDAR nécessite des logiciels de commande et de reconstruction qui transforment le nuage de points en un modèle tridimensionnel. Keysight propose plusieurs outils optiques et photoniques destinés à faciliter la conception des systèmes et composants LiDAR :