Analyse de la technologie LiDAR des UAV : Principes, Classification et Applications

Le LiDAR (Light Detection and Ranging) des véhicules aériens sans pilote (UAV) est une technologie de mesure haute précision basée sur la télédétection laser. Cet article commence par les concepts fondamentaux des lasers, du radar et du LiDAR, analysant systématiquement leurs liens et leurs différences, et s’attarde sur les principes de fonctionnement, les classifications techniques et les applications pratiques du LiDAR des UAV.

1. Laser

Laser est l’acronyme de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » (Amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement). Son principe de base implique que les électrons dans les atomes absorbent de l’énergie et passent à un niveau d’énergie plus élevé, puis libèrent des photons lors de leur retour à un niveau d’énergie plus bas. Ces photons présentent des propriétés très cohérentes, formant ainsi la lumière laser.

Comparé à des sources lumineuses ordinaires, le laser présente les avantages significatifs suivants :

  • Haute monocromaticité
  • Forte directivité
  • Haute luminosité

En fonction du milieu de travail, les lasers sont principalement classés en quatre types :

  • Lasers à gaz
  • Lasers à état solide
  • Lasers à semi-conducteur
  • Lasers à colorant

2. Radar

Radar est l’acronyme de « Radio Detection and Ranging » (Détection et télémétrie par radio). Il détecte et mesure la distance, la vitesse, l’azimut et l’altitude des objets cibles en émettant et en recevant des ondes électromagnétiques, ce qui en fait un système de positionnement radio.

Le radar est essentiellement un dispositif électronique dont la fonction de cœur est de détecter et de mesurer les paramètres des objets cibles à l’aide d’ondes électromagnétiques.

3. LiDAR

Le LiDAR, ou « Light Detection and Ranging » (Détection et télémétrie par lumière), est une technologie de détection et de télémétrie basée sur le laser. Bien que son nom soit similaire à celui du radar, les deux diffèrent considérablement en termes de principes techniques et de méthodes d’application.

Principales différences entre le LiDAR et le radar :

  1. Différences de longueur d’onde :
    • Le radar utilise des ondes radio, dont la longueur d’onde est typiquement dans la plage du centimètre au décimètre.
    • Le LiDAR utilise de la lumière laser, dont la longueur d’onde est typiquement dans la plage du nanomètre au micromètre.
  2. Equipements et mécanismes de fonctionnement :
    • La génération, la transmission et la réception des ondes électromagnétiques impliquent des dispositifs totalement différents.
  3. Raison du nom :
    • Le terme « radar » est largement utilisé pour désigner les systèmes de détection et de télémétrie, tandis que « LiDAR » ajoute le préfixe « laser » pour mettre en évidence ses caractéristiques techniques.

4. Classification et principes de mesure du LiDAR des UAV

Les systèmes LiDAR montés sur UAV sont principalement divisés en deux catégories :

  1. LiDAR à base de phase :
    Obtient une télémétrie haute précision en mesurant la différence de phase entre la lumière laser émise et retournée, similaire au principe d’une station totale.

  2. LiDAR à base d’impulsion :
    Mesure la distance en calculant la différence de temps entre l’émission et le retour des impulsions laser. Le LiDAR à base d’impulsion est actuellement le type dominant utilisé dans les UAV.

5. LiDAR multilinéaire et acquisition de données 3D

Le LiDAR des UAV utilise typiquement un LiDAR multilinéaire (par exemple, Hesai Pandar40), équipé de multiples émetteurs laser (par exemple, 40 lignes) distribués verticalement à différents angles. Par balayage rotatif, il capture directement les coordonnées tridimensionnelles des objets détectés.

Avantages techniques :

  • Acquisition à haute vitesse et haute précision de données de nuage de points 3D à grande échelle
  • L’efficacité de l’acquisition de données dépasse largement celle des stations totales traditionnelles, ce qui le rend particulièrement adapté à la cartographie géographique à grande échelle

6. Intégration du système de coordonnées avec GPS et mesure d’attitude

Dans les mesures dynamiques, les UAV s’appuient sur le Système de Positionnement Global (GPS) pour la calibration des coordonnées, fonctionnant de manière similaire au positionnement inverse dans une station totale.

Se fier uniquement au GPS est insuffisant pour des mesures haute précision. Des paramètres supplémentaires sont nécessaires :

  • Angle de cap (angle par rapport au vrai nord)
  • Angles d’attitude (angle horizontal et angle zénithal)

Ces paramètres forment ensemble le système de positionnement et d’orientation, remplaçant le processus traditionnel de « nivellement » des stations totales. Bien que les UAV ne puissent pas réaliser de nivellement physique lors du mouvement, des Unités de Mesure Inertielle (IMU) haute précision peuvent surveiller les changements d’angle en temps réel, garantissant la précision et la fiabilité des données.

Résumé

La technologie LiDAR des UAV intègre la télémétrie laser, le balayage multilinéaire, le positionnement GPS et la mesure d’attitude IMU pour réaliser une perception environnementale 3D efficiente et précise, ainsi que l’acquisition d’informations géographiques. Ses applications ont largement couvert des domaines tels que l’arpentage et l’exploration, le génie civil, l’agriculture intelligente et la surveillance des catastrophes, en faisant un composant central de la technologie de l’information spatiale moderne.

Lecture Complémentaire

Ci-dessous, des lectures recommandées sur la technologie LiDAR des UAV, couvrant des analyses techniques autoritaires, des cas d’application et des tendances de l’industrie :