Le LiDAR : mesurer le monde avec des éclairs de lumière
Envoyer une impulsion laser, chronométrer son retour : ce principe simple cartographie les forêts, révèle des cités mayas sous la jungle, guide des voitures et mesure depuis l'espace la hauteur des glaces.
Une chauve-souris se repère en écoutant l'écho de ses cris ; un radar fait de même avec des ondes radio. Le LiDAR, contraction des mots anglais light (lumière) et radar, applique la même idée avec la lumière d'un laser. Le premier système de ce type a été présenté en 1961 par la firme américaine Hughes, un an après l'invention du laser, et le mot est apparu dans les publications en 1963. Plus de soixante ans plus tard, ces éclairs invisibles cartographient la planète au centimètre près.
Chronométrer la lumière
Le principe est celui du temps de vol. Le LiDAR envoie une impulsion laser très brève, qui se réfléchit sur un obstacle, puis il mesure le temps qu'elle met à revenir. La lumière parcourant environ 300 000 kilomètres par seconde, la distance est égale à la vitesse de la lumière multipliée par ce temps, le tout divisé par deux, puisque la lumière fait l'aller et le retour.
Les durées en jeu sont minuscules. En une nanoseconde, un milliardième de seconde, la lumière parcourt 30 centimètres : un écho qui revient une nanoseconde plus tard correspond donc à un obstacle situé 15 centimètres plus loin. Pour mesurer au centimètre, il faut une électronique capable de chronométrer quelques dizaines de picosecondes.
En balayant le paysage, impulsion après impulsion, le LiDAR accumule des millions de mesures. Chacune donne un point dans l'espace ; leur ensemble forme un nuage de points, une maquette en trois dimensions du terrain, des bâtiments ou des arbres.
Sous la forêt, des cités perdues
Le LiDAR aéroporté a une propriété précieuse : une partie des impulsions se faufile entre les feuilles jusqu'au sol. En ne gardant que les échos venus du sol, on peut « effacer » la végétation et voir le relief qu'elle cache.
Les archéologues s'en sont emparés. Au printemps 2009, Arlen et Diane Chase ont fait survoler le site maya de Caracol, au Belize : en peu de temps, 200 kilomètres carrés ont été cartographiés, révélant onze chaussées jusque-là inconnues, des milliers de groupes d'habitations et de terrasses agricoles. En 2018, un relevé LiDAR de la réserve de biosphère maya, au Guatemala, a mis au jour plus de 60 000 structures construites. Au Cambodge, des données LiDAR ont aussi révélé comment les habitants d'Angkor avaient transformé leur paysage.
Et sur Terre ? Des forêts aux routes
Les forestiers utilisent le LiDAR pour mesurer la hauteur des arbres, la densité du feuillage et la quantité de bois sur pied, donc le carbone stocké. Les géomètres en tirent des cartes du relief, les hydrologues des modèles d'inondation. Sur la route, certaines voitures autonomes s'appuient sur des LiDAR pour détecter et éviter les obstacles.
Pour Anthropolaris, ces capteurs sont une retombée directe de recherches menées pour les étoiles. Des tuiles photoniques sur silicium, capables d'émettre un faisceau orientable sans aucune pièce mobile, pourraient un jour devenir une brique d'émetteur pour une sonde interstellaire ; en attendant, elles rendraient les LiDAR plus compacts et moins chers (voir la marche B-LGT-12). De même, des lasers de forte puissance tenant sur une seule puce simplifieraient les LiDAR actuels (voir la marche B-LGT-06).
Depuis l'espace, jusqu'à la Lune
Le LiDAR a très tôt quitté le sol. En 1971, les astronautes d'Apollo 15 ont utilisé un altimètre laser pour cartographier le relief lunaire. De 2003 à 2010, le satellite ICESat de la NASA a mesuré l'altitude des calottes glaciaires avec des impulsions infrarouges et vertes. Son successeur, ICESat-2, lancé le 15 septembre 2018, tire 10 000 impulsions laser par seconde pour suivre l'altitude des calottes, des glaciers et de la banquise, et donc leur fonte. Lancé en décembre 2018, l'instrument GEDI de la NASA mesure quant à lui la structure des forêts, pour estimer ce que la déforestation coûte en carbone.
Le même principe fonctionne à bien plus grande échelle. Des observatoires visent les réflecteurs laissés sur la Lune par les missions Apollo et chronométrent le retour de la lumière, environ deux secondes et demie plus tard : on mesure ainsi la distance Terre–Lune à quelques millimètres près.
Les LiDAR de demain pourraient être plus petits, plus sobres et capables de compter les photons un à un, pour voir plus loin avec moins d'énergie. De la jungle du Guatemala aux glaces de l'Antarctique, ils promettent encore bien des découvertes ; et un jour, peut-être, une petite sonde arrivée près d'Alpha du Centaure mesurera de la même façon le relief d'un monde inconnu.