En tant que concept, le lidar existe depuis des décennies. Cependant, l'intérêt pour cette technologie a fortement augmenté ces dernières années, à mesure que les capteurs deviennent plus petits, plus complexes et que la gamme de produits dotés de la technologie lidar s'étend de plus en plus.
Le mot lidar est une translittération de LIDAR (Light Detection and Ranging). Il s'agit d'une technologie d'obtention et de traitement d'informations sur des objets distants à l'aide de systèmes optiques actifs utilisant les phénomènes de réflexion et de diffusion de la lumière dans des milieux transparents et semi-transparents. Le lidar en tant que dispositif est similaire à un radar, son application est donc l'observation et la détection, mais au lieu d'ondes radio, comme dans un radar, il utilise la lumière générée dans l'écrasante majorité des cas par un laser. Le terme lidar est souvent utilisé de manière interchangeable avec Ladar, qui signifie détection et télémétrie laser, bien que Joe Buck, responsable de la recherche chez Coherent Technologies, qui fait partie de la division des systèmes spatiaux de Lockheed Martin, affirme que les deux concepts sont différents d'un point de vue technique. « Lorsque vous regardez quelque chose qui pourrait être considéré comme un objet mou, comme des particules ou un aérosol dans l'air, les experts ont tendance à utiliser le lidar lorsqu'ils parlent de détecter ces objets. Quand vous regardez des objets solides et solides comme une voiture ou un arbre, alors vous avez tendance à pencher vers le terme Ladar. » Pour un peu plus d'informations sur le lidar d'un point de vue scientifique, consultez la section "Lidar: comment ça marche".
"Le lidar fait l'objet de recherches depuis de nombreuses décennies depuis sa création au début des années 1960", a poursuivi Buck. Cependant, l'intérêt pour celui-ci s'est sensiblement accru depuis le début de ce siècle, grâce d'abord aux progrès technologiques. Il a utilisé le rendu d'ouverture synthétique comme exemple. Plus le télescope est grand, plus la résolution de l'objet peut être élevée. Si vous avez besoin d'une résolution extrêmement élevée, un système optique beaucoup plus grand peut être nécessaire, ce qui peut ne pas être très pratique d'un point de vue pratique. L'imagerie à ouverture synthétique résout ce problème en utilisant une plate-forme mobile et un traitement du signal pour obtenir une ouverture réelle qui peut être beaucoup plus grande que l'ouverture physique. Les radars à synthèse d'ouverture (SAR) sont utilisés depuis de nombreuses décennies. Cependant, ce n'est qu'au début des années 2000 que les démonstrations pratiques d'imagerie optique à ouverture synthétique ont commencé, malgré le fait que les lasers étaient déjà largement utilisés à l'époque. « En fait, il a fallu plus de temps pour développer des sources optiques qui auraient une stabilité suffisante sur une large plage de réglage… L'amélioration des matériaux, des sources lumineuses et des détecteurs (utilisés dans les lidars) se poursuit. Non seulement vous avez maintenant la possibilité de prendre ces mesures, mais vous pouvez les faire en petits blocs, ce qui rend les systèmes pratiques en termes de taille, de poids et de consommation d'énergie. »
Il devient également plus facile et plus pratique de collecter des données à partir du lidar (ou des informations collectées par le lidar). Traditionnellement, il a été assemblé à partir de capteurs d'avion, explique Nick Rosengarten, chef du groupe de produits d'exploitation géospatiale chez BAE Systems. Cependant, aujourd'hui, des capteurs peuvent être installés dans des véhicules terrestres ou même dans des sacs à dos, ce qui implique une collecte de données humaines. "Cela ouvre une multitude de possibilités, les données peuvent désormais être collectées à la fois à l'intérieur et à l'extérieur", a expliqué Rosengarten. Matt Morris, responsable des solutions géospatiales chez Textron Systems, déclare: « Le lidar est un ensemble de données vraiment étonnant car il fournit les détails les plus détaillés sur la surface de la Terre. Elle donne une image beaucoup plus détaillée et pour ainsi dire plus teintée que la technologie DTED (Digital Terrain Elevation Data) qui renseigne sur l'élévation de la surface terrestre en certains points. L'un des cas d'utilisation les plus puissants que j'ai entendu de nos clients militaires est peut-être le scénario de déploiement sur un terrain inconnu, car ils ont besoin de savoir où ils vont aller … pour escalader un toit ou escalader une clôture. Les données DTED ne vous permettent pas de voir cela. Vous ne verrez même pas les bâtiments."
Morris a noté que même certaines données d'élévation de terrain traditionnelles à haute résolution ne vous permettront pas de voir ces caractéristiques. Mais le lidar vous permet de le faire en raison de son "espacement de position" - un terme décrivant la distance entre les positions qui peuvent être affichées avec précision dans le tableau de données. Dans le cas d'un lidar, le « pas » peut être réduit à quelques centimètres, « on peut ainsi connaître exactement la hauteur du toit d'un bâtiment ou la hauteur d'un mur ou la hauteur d'un arbre. Cela augmente vraiment le niveau de conscience de la situation en trois dimensions (3D). » De plus, le coût des capteurs lidar diminue tout comme leur taille, ce qui les rend plus abordables. « Il y a dix ans, les systèmes de capteurs lidar étaient très volumineux et très coûteux. Ils avaient vraiment une consommation d'énergie élevée. Mais au fur et à mesure de leur développement, les technologies se sont améliorées, les plates-formes sont devenues beaucoup plus petites, la consommation d'énergie a diminué et la qualité des données qu'elles ont générées a augmenté. »
Morris a déclaré que la principale utilisation du lidar dans le domaine militaire est la planification 3D et l'entraînement des missions de combat. Par exemple, le produit de simulation de vol Lidar Analyst de sa société permet aux utilisateurs de collecter de grandes quantités de données et de « générer rapidement ces modèles 3D, puis de planifier leurs missions de manière très précise ». Il en est de même pour les opérations au sol. Morris a expliqué: "Notre produit est utilisé pour planifier les itinéraires d'entrée et de sortie vers la zone cible, et puisque les données brutes sont à haute résolution, il est possible de mener une analyse très précise de la situation dans la ligne de mire."
En collaboration avec Lidar Analyst, Textron a développé RemoteView, un logiciel d'analyse d'images pour l'armée américaine et les agences de renseignement. Le logiciel RemoteView peut utiliser diverses sources de données, y compris les données lidar. BAE Systems fournit également des logiciels d'analyse géospatiale, son produit phare ici est SOCET GXP, qui offre de nombreuses fonctionnalités, notamment l'utilisation de données lidar. De plus, Rosengarten a expliqué que la société a développé la technologie GXP Xplorer, qui est une application de gestion de données. Ces technologies sont tout à fait adaptées aux applications militaires. Rosengarten, par exemple, a mentionné un outil de calcul de la zone d'atterrissage des hélicoptères qui fait partie du logiciel SOCET GXP. "Il peut prendre des données lidar et fournir aux utilisateurs des informations sur les zones au sol qui peuvent être suffisantes pour qu'un hélicoptère atterrisse." Par exemple, il peut leur dire s'il y a des obstacles verticaux sur le chemin, comme des arbres: « Les gens peuvent utiliser cet outil pour identifier les zones qui pourraient être les mieux adaptées comme point d'évacuation pendant les crises humanitaires. Rosengarten a également souligné le potentiel du carrelage, où plusieurs ensembles de données lidar sont collectés à partir d'une zone spécifique et assemblés. Ceci est rendu possible par « la fidélité accrue des métadonnées des capteurs lidar en combinaison avec un logiciel tel que l'application SOCET GXP de BAE Systems, qui peut transformer les métadonnées en zones précises au sol, calculées à l'aide de données géospatiales. Le processus est basé sur des données lidar et ne dépend pas de la manière dont les données sont collectées. »
Comment ça marche: lidar
Le lidar fonctionne en éclairant la cible avec de la lumière. Le lidar peut utiliser la lumière dans les gammes visible, ultraviolette ou proche infrarouge. Le principe de fonctionnement du lidar est simple. L'objet (surface) est éclairé par une courte impulsion lumineuse, le temps après lequel le signal revient à la source est mesuré. Le lidar lance de courtes impulsions rapides de rayonnement laser sur un objet (surface) avec une fréquence pouvant atteindre 150 000 impulsions par seconde. Un capteur sur l'appareil mesure le temps entre la transmission d'une impulsion lumineuse et sa réflexion, en supposant une vitesse de la lumière constante de 299792 km / s. En mesurant cet intervalle de temps, il est possible de calculer la distance entre le lidar et une partie distincte de l'objet et, par conséquent, de construire une image de l'objet en fonction de sa position par rapport au lidar.
Cisaillement du vent
Pendant ce temps, Buck a souligné les applications militaires possibles de la technologie WindTracer de Lockheed Martin. La technologie commerciale WindTracer utilise le lidar pour mesurer le cisaillement du vent dans les aéroports. Le même procédé peut être utilisé dans le domaine militaire, par exemple, pour des parachutages de précision. « Vous devez larguer des fournitures à une altitude suffisamment élevée, pour cela, vous les mettez sur des palettes et les larguez d'un parachute. Voyons maintenant où ils atterrissent ? Vous pouvez essayer de prédire où ils iront, mais le problème est qu'au fur et à mesure que vous descendez, le cisaillement du vent change de direction à différentes altitudes », a-t-il expliqué. - Et puis comment prédire où la palette va atterrir ? Si vous pouvez mesurer le vent et optimiser la trajectoire, alors vous pouvez livrer des fournitures avec une très grande précision. »
Le lidar est également utilisé dans les véhicules terrestres sans pilote. Par exemple, le fabricant de véhicules terrestres automatiques (AHA), Roboteam, a créé un outil appelé Top Layer. Il s'agit d'une technologie de cartographie 3D et de navigation autonome qui utilise le lidar. Top Layer utilise le lidar de deux manières, explique Shahar Abukhazira, directeur de Roboteam. Le premier permet une cartographie en temps réel des espaces clos. "Parfois, la vidéo est insuffisante dans des conditions souterraines, par exemple, elle peut être trop sombre ou la visibilité s'est détériorée en raison de la poussière ou de la fumée", a ajouté Abukhazira. - Les capacités du Lidar permettent de sortir d'une situation sans orientation et compréhension de l'environnement… maintenant il cartographie la pièce, il cartographie le tunnel. Tout de suite, vous pouvez comprendre la situation, même si vous ne voyez rien et même si vous ne savez pas où vous êtes."
La deuxième utilisation du lidar est son autonomie, aidant l'opérateur à contrôler plus d'un système à un moment donné. "Un opérateur peut contrôler un AHA, mais il y a deux autres AHA qui suivent et suivent simplement un véhicule contrôlé par l'homme", a-t-il expliqué. De même, un militaire peut entrer dans les locaux et l'ANA le suit simplement, c'est-à-dire qu'il n'est pas nécessaire de ranger les armes pour faire fonctionner l'appareil. "Cela rend le travail simple et intuitif." Le plus grand AHA Probot de Roboteam dispose également d'un lidar à bord pour l'aider à parcourir de longues distances. « Vous ne pouvez pas obliger un opérateur à appuyer sur un bouton pendant trois jours consécutifs … vous utilisez un capteur lidar pour simplement suivre les soldats, ou suivre la voiture, ou même vous déplacer automatiquement d'un point à un autre, le lidar vous aidera à ces situations. éviter les obstacles. Abukhazira s'attend à des avancées majeures dans ce domaine à l'avenir. Par exemple, les utilisateurs voulaient avoir une situation dans laquelle un humain et un ANA interagissent comme deux soldats. « Vous ne vous contrôlez pas les uns les autres. Vous vous regardez, vous vous appelez et vous agissez exactement comme il se doit. Je crois que, dans un sens, nous obtiendrons ce niveau de communication entre les personnes et les systèmes. Ce sera plus efficace. Je crois que les lidars nous mènent dans cette direction. »
Allons sous terre
Abukhazira espère également que les capteurs lidar amélioreront les opérations dans les environnements souterrains dangereux. Les capteurs lidar fournissent des informations supplémentaires lors de la cartographie des tunnels. De plus, il a remarqué que parfois dans un petit tunnel sombre, l'opérateur peut même ne pas se rendre compte que l'AHA mène dans la mauvaise direction. « Les capteurs lidar fonctionnent comme le GPS en temps réel et donnent l'impression que le processus ressemble à un jeu vidéo. Vous pouvez voir votre système dans le tunnel, vous savez où vous allez en temps réel."
Il convient de noter que les capteurs lidar sont une autre source de données et ne doivent pas être considérés comme un remplacement direct du radar. Buck a remarqué qu'il existe une grande différence de longueur d'onde entre les deux technologies, qui ont leurs propres avantages et inconvénients. Souvent, la meilleure solution consiste à utiliser les deux technologies, par exemple, la mesure des paramètres du vent avec un nuage d'aérosol. Les longueurs d'onde plus courtes des capteurs optiques offrent une meilleure détection directionnelle par rapport aux longueurs d'onde plus longues d'un capteur RF (radar). Cependant, les propriétés de transmission de l'atmosphère sont très différentes pour les deux types de capteurs. « Le radar est capable de traverser certains types de nuages qui seraient difficiles à gérer pour un lidar. Mais dans le brouillard, par exemple, le lidar peut fonctionner légèrement mieux que le radar. »
Rosengarten a déclaré que la combinaison du lidar avec d'autres sources lumineuses telles que les données panchromatiques (lors de l'imagerie utilisant une large gamme de longueurs d'onde lumineuses) donnerait une image complète de la zone d'intérêt. Un bon exemple ici est la définition d'un site d'atterrissage d'hélicoptère. Lidar peut scanner une zone et dire qu'elle a une pente nulle, indépendamment du fait qu'il regarde réellement le lac. Ce type d'information peut être obtenu grâce à l'utilisation d'autres sources lumineuses. Rosengarten pense que l'industrie fusionnera finalement les technologies, réunissant différentes sources de données visuelles et autres données lumineuses. "Il trouvera des moyens de rassembler toutes les données sous un même toit… Obtenir des informations précises et complètes ne se limite pas à l'utilisation de données lidar, mais une tâche complexe impliquant toutes les technologies disponibles."
