Les lidar « Light detection and ranging »

Les LiDAR, acronyme de « Light Detection And Ranging » sont des systèmes de mesure à distance utilisant généralement les propriétés laser. On les utilise pour la télémétrie (distance Terre-Lune par exemple), la topographie (réalisation de cartes), les mesures de concentrations de gaz ou encore pour déterminer la vitesse des vents. Un LiDAR topographique envoie des impulsions laser de courte durée et de longueur d’onde l = 1064 nm. Tout obstacle sur le trajet du faisceau va renvoyer une partie du rayonnement dans la direction du faisceau incident. La mesure de la durée de l’aller-retour de chaque impulsion permet alors de reconstituer numériquement l’espace environnant. Embarqué à bord d’un avion ou d’un satellite, le LiDAR topographique est un moyen de cartographier la Terre à distance avec une grande précision. Un des lasers utilisés est un laser dont le milieu amplificateur est un cristal solide néodyme-YAG décrit dans le document n°1 ci-dessous :schéma du laser néodyme-YAG et de son diagramme énergétique simplifié. Donner deux propriétés caractéristiques du rayonnement émis par un laser. A quoi servent les lampes flash lors du fonctionnement de ce laser ? Le niveau fondamental d’énergie E0 est pris comme origine des énergies.

L’énergie du niveau E3 est égale à 2,458 × 10–19 J. Quelle longueur d’onde doit être présente dans le spectre de la lumière émise par une lampe flash ? Sur la figure ci-dessous, l’avion embarquant le lidar topographique vole à une altitude H = 3,50 km à la vitesse de 450 km.h-1. Sa position est déterminée par un GPS. En faisant l’hypothèse que la distance parcourue par l’avion pendant la durée t est négligeable par rapport à H, montrer que la durée t du trajet aller-retour de l’impulsion laser en fonction de H, h et de la célérité de la lumière c est . Parmi les deux graphiques ci-dessous, indiquer celui qui correspond à la situation étudiée. Justifier brièvement la réponse. Lors du survol du Puy de Dôme (volcan du centre de la France), on mesure t = 13,6 µs. Estimer l’altitude du Puy de Dôme par rapport au niveau de la mer. Dans le cas de la mesure de l’altitude du Puy de Dôme, l’hypothèse faite à la question 1.4. est-elle vérifiée ?Les systèmes LiDAR bathymétriques aéroportés ressemblent au LiDAR topographique mais ils sont constitués de deux lasers différents : un laser infrarouge et un laser vert. Ils servent à déterminer la profondeur de l’eau. Pour cela, le LiDAR envoie deux impulsions simultanées (une impulsion verte et une impulsion infrarouge). Le rayonnement infrarouge sert à repérer la surface de l’eau.

Le rayonnement vert, quant à lui, pénètre dans l’eau et est réfléchi par le fond. En mesurant la différence entre les temps de parcours des deux impulsions laser (Document n°2), on peut déterminer la profondeur de l’eau. Les longueurs d’onde des deux lasers sont de 532 nm et de 1064 nm. Attribuer, en justifiant, la longueur d’onde à chacun des deux lasers du LiDAR bathymétrique. Expliquer pourquoi il est plus judicieux d’utiliser le laser vert, plutôt que le laser infrarouge, pour détecter le fond de l’eau. En vous appuyant sur un schéma expliquant le principe de cette mesure, estimer la valeur de la profondeur de l’eau à l’endroit où la mesure du document n°2 a été effectuée. Il permet de faire des mesures de la vitesse de vents ou de nuages grâce à l’effet Doppler. Pour présenter ce principe, un professeur propose le dispositif expérimental photographié ci-après dans lequel le LiDAR est remplacé par un ensemble « émetteur  récepteur » d’ultrasons et le nuage est modélisé par une plaque fixée sur un chariot mobile. On suppose que la température de la salle est de 25°C.À l’aide de ce dispositif, le professeur a proposé aux élèves de réaliser deux expériences pour mesurer la vitesse de déplacement d’un objet. Expérience n°1 Pour déterminer la valeur v de la vitesse de déplacement du chariot, Anna, à l’aide d’un chronomètre, mesure la durée mise par le chariot pour se déplacer d’une distance d = 30,0 ± 0,5 cm..