Introduction à la technologie LiDAR

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La détection et localisation par la lumière (LiDAR – Light detection and ranging) est une méthode bien établie de technologie de télédétection avec un potentiel prometteur pour la cartographie, la surveillance et l’évaluation des surfaces et des objets. La technologie LiDAR permet aux scientifiques et aux professionnels d’examiner les environnements naturels et artificiels avec exactitude, précision et flexibilité.

Au cours des dix dernières années, nous avons été témoins d’une croissance de la technologie LiDAR à plusieurs niveaux. Cette technologie a remplacé les techniques de réalisation d’analyses conventionnelles dans plusieurs domaines. La technologie LiDAR est couramment utilisée pour créer des cartes haute résolution. Ses applications sont la réalisation d’enquête, l’archéologie, la géographie, la sismologie, la sylviculture et la physique atmosphérique. Elle est également utilisée dans le contrôle et la navigation des voitures autonomes et des robots. Cet article explique les principes de base de la technologie LiDAR, ainsi que les principes de fonctionnement des capteurs LiDAR, et fournit quelques exemples d’utilisation du LiDAR.

Qu’est-ce que le LiDAR

LiDAR, ou encore LADAR ou altimétrie laser, est une technologie de détection optique qui émet des faisceaux d’énergie laser pulsée intenses et focalisés et mesure le temps nécessaire pour que les réflexions soient détectées par le capteur. Ces informations sont utilisées pour calculer les plages ou les distances par rapport aux objets. Ainsi, le LiDAR est analogue au RADAR (Radio Detecting and Ranging – détection et télémétrie par radioélectricité), sauf qu’il est basé sur des impulsions discrètes de lumière laser plutôt que sur des ondes radio. Un système LIDAR génère une carte précise de l’environnement et des objets en 2D ou en 3D en envoyant ces impulsions lumineuses. L’autre aspect du LiDAR est qu’il peut également déterminer les caractéristiques optiques d’un objet, comme la réflectivité et l’absorption. Il fournit finalement des données matérielles sur un objet et sa distance, ce qui rend la technologie parfaite pour la cartographie.

Figure 1 : Modèles 3D cartographiés au laser avec LiDAR : carte nationale des arbres du Royaume-Uni (données Bluesky)

Les systèmes LiDAR sont des systèmes actifs, car ils émettent des impulsions lumineuses et détectent la lumière réfléchie. De nombreux systèmes LiDAR fonctionnent dans une région proche de l’infrarouge (p. ex. 1 064 nm) du spectre électromagnétique, bien que certains capteurs fonctionnent également dans la couche verte pour pénétrer dans l’eau et détecter les caractéristiques du fond. Le LiDAR est une technologie de détection à portée relativement courte. La plupart des capteurs LiDAR commerciaux peuvent détecter des distances allant jusqu’à 100 mètres, les plus avancés pouvant atteindre 200 mètres.

La technologie LiDAR offre des résultats incroyablement précis et cohérents. La technologie a éliminé plusieurs autres technologies et capteurs qui ne sont pas assez précis dans la détection et l’encapsulation des données. Pour de nombreux défis, tels que la numérisation entre les objets, le LiDAR est une technologie viable. Il offre une méthode de cartographie rapide, précise et directe tout en produisant des données précises et faciles à analyser. Dans les applications de mobilité, où une précision et une fiabilité élevées sont nécessaires, la technologie LiDAR gagne rapidement en popularité. Les performances robustes du LiDAR, sa portée étendue et sa précision de calcul de la distance de quelques centimètres lui permettent de détecter rapidement les objets avec une résolution extrêmement élevée et de couvrir uniformément de grandes surfaces.

Comment le LiDAR fonctionne-t-il ?

Le système LIDAR comprend un dispositif laser, une unité de mesure inertielle (IMU) de navigation, un système de positionnement global aéroporté (GPS) de haute précision et une interface informatique. La technologie utilise la lumière ultra-violette, visible ou encore proche infrarouge pour représenter les objets. Le laser émet des impulsions lumineuses et détecte la lumière réfléchie par les objets. Le capteur mesure le temps entre l’émission et le retour de l’impulsion laser et calcule la distance parcourue. La distance parcourue est ensuite convertie en élévation. Ces mesures sont effectuées à l’aide des composants clés d’un système LiDAR, qui comprend notamment un GPS qui identifie l’emplacement X, Y, Z de l’énergie lumineuse et une unité de mesure inertielle qui fournit l’orientation. Ce processus est également appelé mesure du « temps de vol » (ToF – Time of Flight) [Figure 2]. Les systèmes LiDAR contemporains sont suffisamment puissants pour déclencher jusqu’à 900 000 impulsions par seconde.

Distance de l’objet = Vitesse de la lumière x Temps de vol/2

Figure 2a : Schéma fonctionnel de la technologie LiDAR

Un LiDAR reproduit ce processus un million de fois par seconde et résume les résultats dans un système à cartes 3D à haute définition. Ces cartes 3D contiennent des données faciles à analyser qui sont utilisées pour prendre des décisions. Un système LiDAR mesure le temps qu’il faut à la lumière émise pour atteindre le sol et revenir.

Figure 2b : Mesure de la distance dans le système LiDAR

Applications de la technologie LiDAR

Le LiDAR a toujours été utilisé à la fois sur terre et dans les airs. Ces utilisations se prêtent à trois types principaux de systèmes LiDAR : LiDAR aéroporté, terrestre et satellite. Le LiDAR aéroporté est utilisé par des hélicoptères ou des drones pour la collecte de données. Le LiDAR terrestre est installé sur des véhicules en mouvement ou sur des trépieds fixes. Ces types de systèmes LiDAR sont parfaits pour la modélisation et l’observation de la topographie statique. Les plateformes satellitaires ou spatiales LIDAR sont montées sur des satellites en orbite autour de la Terre et ont tendance à couvrir de vastes zones, mais avec moins de détails.

La technologie LiDAR, avec sa capacité unique à fournir une détection et une télémétrie fiables avec une résolution et une précision élevées, trouve une utilisation dans de multiples industries et applications. La technologie s’est étendue à des études de cas réussies dans les domaines de la réalisation d’enquête, de l’archéologie, de la foresterie, de la bathymétrie, de la biologie et de la conservation, de l’atmosphère, de l’exploitation minière, de la géologie et de l’optimisation des parcs éoliens. Les domaines d’application du LiDAR, avec l’avancement d’autres branches de la science et de la technologie, sont maintenant élargis et sont utilisés pour atteindre de nombreux objectifs de développement, notamment :

Le LiDAR pour la réalité augmentée :

Un scanner LiDAR fournit une cartographie 3D ultra-détaillée permettant aux systèmes de réalité augmentée de superposer les données sur une carte précise et fiable. Un scanner de nuages de points créé avec la technologie LiDAR améliore la précision des expériences de réalité augmentée.

Le LiDAR depuis l’espace :

Les systèmes LiDAR évoluent pour plusieurs applications spatiales où l’imagerie est nécessaire afin d’identifier les sites d’atterrissage sûrs pour les véhicules, l’amarrage et la conduite. Les satellites de technologie LiDAR sont également utilisés pour étudier, cartographier et générer des modèles de prévision climatique de la Terre et d’autres corps célestes.

Le LiDAR pour les voitures autonomes :

La technologie LiDAR est une solution pratique pour permettre la détection, l’évitement et la navigation en toute sécurité autour d’obstacles dans différents environnements avec divers véhicules. La technologie est répandue dans de nombreuses applications automobiles et de mobilité critiques, notamment les systèmes avancés d’assistance à la conduite (ADAS – Advanced Driver Assistance Systems) et la conduite autonome.

LiDAR et IoT :

Quelques facettes du LiDAR le rendent particulièrement utile dans des applications IoT (Internet des objets) spécifiques. Les solutions LiDAR jouent un rôle central dans la réalisation des prouesses promises par l’IoT : accroître la sécurité, la productivité et l’efficacité dans une grande variété d’applications pour les villes intelligentes, les infrastructures, l’agriculture, le médical, la vente au détail et bien plus encore

Le LiDAR pour l’impression 3D :

Il est déjà possible de créer des objets imprimés en 3D grâce à la modélisation photographique. Avec le LiDAR, des données de modélisation beaucoup plus détaillées peuvent être extraites pour des projets d’impression 3D encore plus intéressants.

ON Semiconductors a introduit une solution avec point unique de détection et de localisation par la lumière (LiDAR) de temps de vol direct (dToF), le kit de développement SECO-RANGEFINDER-GEVK, qui est alimentée par la technologie de photomultiplicateurs en silicium (SiPM). La technologie SiPM utilisée dans l’appareil permet de fournir un temps de réponse rapide et une efficacité de détection élevée. Cela permet de surmonter les défis des solutions traditionnelles basées sur les photodiodes.

Figure 3 : Kit de développement de détection et localisation par la lumière dTOF d’ON Semiconductor

L’appareil est conçu avec la diode laser NIR, un capteur SiPM, des lentilles et le traitement numérique nécessaire pour convertir les signaux détectés en temps écoulé, puis le temps écoulé en distance. Les histogrammes générés rendent l’appareil adapté à diverses applications telles que la télémétrie, la détection de collision et la cartographie 3D. La plateforme LiDAR SiPM dToF peut détecter des objets à des distances comprises entre 10 cm et 23 m et offre un fonctionnement prêt à l’emploi avec une interface graphique dédiée.

Compte tenu du grand nombre d’avantages que le LiDAR présente, les technologies et les marchés LiDAR continuent d’évoluer rapidement. Le LiDAR s’est avéré inestimable, et la croissance dans différents domaines améliorera la disponibilité de ces puissants capteurs au cours des années à venir. Ils offrent des avantages de performances remarquables par rapport aux autres technologies et ce n’est qu’une question de temps avec que le LiDAR devienne le capteur incontournable dans la plupart des industries.