Semaine_2_Chapitre 1: principe du lidar

Question 1

Partie 1: video

Answer 1

Partie 1: video

Question 2

LIDAR

Answer 2

Light detection and raging
ou light veut dire laser

LED = light emited dial

LEDAR

radar veut dire micro-onde (RAdio)

Question 3

3 composantes principales du laser:

contrairement au soleil on génère que certaines énergie a des longueurs d’ondes précises selon le matériel utilisé ce qui provoque une limitation quant aux longueur d’onde qu’on peut utiliser

Answer 3

1. Matériel à effet laser: va contenir les atomes qu’on va amener leur electrons de ses atomes à des niveaux supérieur, on va user de leur photons.
   le matériaux qu’on va utiliser peut varier, ex: gaz, crystaux, teinture…ces matérieux vont émettre des longueurs d’onde différentes.
2. Source de pompage laser: une source d’énergie qu’on va appliquer aux matériaux, souvent un courant électrique, provoque la collisions de photons avec les électrons
3. Une cavité optique, consistent de reflecteurs qui vont amplifier (les photons vont se promener d’un a l,autre).

Question 4

Grenat Laser: BARREAU MINERAL

alternative: verre, chauffe facilement

Neodymiun (Nd) genere longueur d’onde 1064

Answer 4

minéraux le plus utilisé en lidar pour les tubes
BARREAU MINÉRAL

Grenat alumineux enrichi en Yttrium (YAG)

on peut avoir un lidar avec du neodymium dans un contenant tube fabriqué en YAG**

Question 5

tube contient des miroir aux extrémités pk?
le but d’un laser est de provoquer des collisions entre photons ce qui est le phénomène dÉmission stimulé de photons identique

Answer 5

identiques : la même phase, direction et longueur d’onde et la polarisation identiques

plus ils sont nombreux plus il y a de collisions plus il y a des photons identiques à eux qui sont générés.

Question 6

schématiquement:

Answer 6

1. les électrons sont dans un état stable sur un orbite donné
2. passage du courant qui va mettre la majorité des électrons à un niveaux plus haut.
3. ÉMISSION SPONTANÉE DE PHOTON (lorsque l’électron relache son énergie et revient de son orbite supérieur à son orbite donné stable).
4. les photons vont voyager rapidement et vont entrer en collision avec d’autres électrons et générer ainsi de nouveaux photons identiques.

le temps que ça prend faire ce processus est le pompage du laser pour générer assez d’énergie.

Question 7

dans le cas d’un laser avec une longue impulsion il y a un Q-switch.

Answer 7

Le laser est un obturateur qui permet d’augmenter l’intensité à l’intérieur du tube avant de le relâcher

Question 8

LIDAR vs RADAR

Answer 8

• les deux techniques uses du temps de parcours de l’onde pour déterminer la distance et position des objets
• différence: tailles de DIVERGENCE du faisceau de ses impulsions/ondes:

DIVERGENCE du laser: longueur d’onde beaucoup plus petite que Radar. (résolution spatiale beaucoup plus grande)

DIVERGENCE du RADAR: Longueur d’onde plus grande

Question 9

Laser collimaté:

Answer 9

émise dans une seule direction donnée, mais pas parfaitement, il y a une divergence des photons.

l’empreinte du laser augmente avec la distance.

plus le laser voyage dans l’espace plus les photons se séparent les un des autres.

Question 10

laser pulsé (Nd: YAG impulsion de 4 à 15 ns)

ses caractéristiques

Answer 10

-Longueur d’onde:
infrarouge proche pour les applications terrestres (1064nm)

Laser vert pour les applications marines (532 nm pour Nd: YAG)
même laser mais la longueur d’onde coupé en deux.

• Divergence (diamètre du rayon laser à mi-intensité):

très faible, de l’ordre de 0.15 à 1 mrad.
Une divergence de 0.15 mrad crée à 1000m de porté une tache d’un diamètre de 15 cm sur la surface.

Question 11

absorption atmosphérique

Answer 11

dans 1064 il peut y avoir beaucoup d’absorption de la part de l’atmosphère surtout quand il y a du brouillard ou des nuages.

Question 12

Énergie de l’impulsion laser

Answer 12

Son empreinte ressemble à une vague quand elle se déplace.

quand elle vient vers nous elle ressemble à un cercle avec du bleu à l’extérieur, puis du vert, jaune et rouge au centre.

ce qui s’interprète comme suit:
la plus grande concentration de photon est au centre et moins aux extrémités

Question 13

Largeur d’une onde

Answer 13

peut etre prise à 1/e (FWHM, Full Width at Half Maximum)
et 1/e_2 = 0.135

si le fabriquant donne la largeur à:

largeur à 1/e_2: équivalent à 1.7* FWHM

largeur à 1/e: équivalent à 1.2* FWHM

Question 14

.

Answer 14

.

Question 15

Partie 2 video

Answer 15

Partie 2 video

Question 16

Principe du lidar scanneur (p.26)

Answer 16

1. Un laser émet une IMPULSION
2. Un miroir de balayage défléchit l’impulsion.
   • L’impulsion est interceptée par une surface, ce qui
   provoque un RETOUR.
3. Une partie de l’énergie retournée est captée par un TÉLESCOPE. (détecter l’énergie reflechie), les photons sont attrapé par ce télescope.

• Un détecteur enregistre le moment où le retour est
reçu.
•4. On calcule ensuite le TEMPS DE PARCOURS entre
l’émission de l’impulsion et la réception du retour.
• Le temps de parcours multiplié par la vitesse de la lumière et divisé par 2 (aller-retour) donne la PORTÉE

Question 17

Avant la vitesse d’émission était de 150 KHz et maintenant elle est de 500 KHz

Answer 17

avantage, plus la fréquence d’impulsion est haute, plus le nuage de point est grand ce qui peut permettre à l’avion de monter son altitude, cela rend le lidar a 500 KHz plus commercial.

PARCONTRE lorsqu’on monte la fréquence d’émission la vitesse de la recharge du laser est plus grande.

• Compromis entre haute fréquence d’émission et haute énergie émise.
• si fréquence d’émission plus haute alors l’avion peut aller plus vite et plus haut.

Question 18

Divergence des impulsions et mesures du diamètre

Answer 18

• Une faible divergence combinée avec une densité élevée, augmente la capacité de pénétration à travers la végétation et réduite l’erreur sur les pentes

Question 19

diamètre de l’impulsion

Answer 19

divergence (mrad)* distance (m) + diamètre à la sortie en (mm)

Question 20

Méthodes d’émission laser et de
mesure d’énergie réfléchie en lidar:
time of flight, phase-shift et
triangulation

Answer 20

phase shift, méthode similaire au GPS, avec la mesure de phase

Question 21

Time of flight

Answer 21

p.36

Question 22

constant fraction discriminator

Answer 22

technique visant à trouver le maximum d’une impulsion en trouvant le point ou la pente est de zéro.
moment ou l’énergie arrete de croitre (ne veut pas dire au peak de la montagne), donc quand la dérivée seconde est de zéro.

Question 23

comparaison de phase (phase shift): principalement pour les levée terrestre, pas aéroporté

Answer 23

.

Question 24

.

Answer 24

.

Question 25

Partie 3 video

Answer 25

Partie 3 video

Question 26

Phase shift: portée maximale et précision

Answer 26

• la plus basse fréquence d’onde (grande longueur d’onde) détermine la portée maximale
• la plus haute fréquence (longueur d’onde la plus petite) détermine la portée
  ex: pour une résolution de 1 degré et longueur d’onde de 30 m, la précision sera de 8 cm (30/360)

et pour 1.2m = 3.3mm

précision du phase shift a une précision très grande mais portée limité (de l’ordre du mm)

Question 27

TLS: LIDAR TERRESTRE

Answer 27

TLS: LIDAR TERRESTRE

Question 28

mettre dans un référentiel commun

Answer 28

ALLIGNEMENT: probleme du lidar terrestre. probleme reglé avec GPS, pour se retrouver.

les station totale sont mis en place sur un point connu et vise un point pour l’azimut. donc quand il vise qquechose on sait se retrouver.

Question 29

Données de base

Answer 29

-Le LiDAR terrestre permet d’acquérir des nuages de
points laser.

-: les données brutes sont:
position en x,y,z
-: l’intensité du signal laser
-: l’intensité RGB enregsitré par la caméra (associer à chaque point une donnée RGB)

Question 30

le lidar terrestre peut etre utilisé pour génerer des réalité virtuelles

Answer 30

15:08

Question 31

géoréférencement

Answer 31

– On transforme les nuages de points assemblés du système local au LiDAR à un système global (systèmes
géographiques).

– Levés des coordonnées géographiques de points de
contrôle sur le terrain ou levés des positions de scan du LiDAR.

avec certains appareil, on le stationne sur un point connu et on vise un autre point connu.

ou un scan ou il y a des points qui apparaissent dans le scan qui sont connu (xyz)

Question 32

méthode indirecte

Answer 32

• placer des cibles, des boules blanches ou des collant avec une cible, cylindre avec ruban réfléchissant.

Question 33

.

Answer 33

.

Question 34

Partie 4

Answer 34

Partie 4

Question 35

Méthode indirecte

Answer 35

nuage de points à nuage de points

Question 36

positionnement du scan et des cibles

Answer 36

Elles doivent être choisies afin de garantir une couverture maximale de la zone de levé et une précision maximale tout en minimisant le nombre de scans.

– L’angle d’incidence et la distance à l’objet à scanné sont d’une grande importance lors de ce processus de
sélection.

points fantômes: ex avec coin de table et plancher, pas capable de les distinguer donc prend la moyenne des deux.

les cibles ne doivent pas etre sur la meme elevation. ca peut diminuer un peu la précision

Question 37

MINI DEVOIR

Answer 37

MINI DEVOIR

Question 38

• Comment opère un laser et les propriétés

physiques de la lumière laser

Answer 38

Comment opère le laser:
1-Composantes principales du laser: – Matériel à effet laser (Lasing material) qui contient des
atomes dont les électrons peuvent être amenés à un
niveau énergétique métastable par une source d’énergie (Crystal, gaz, semi-conducteur, teinture, etc…). Neodymium (Nd) est plus utilisé en lidar

2- Source de pompage laser (ajoute de l’énergie au matériel à effet laser, p.ex. Un courant électrique
(semiconducteur) ou une diode laser (solid state), qui
provoque la collision de photons avec les électrons )

3 – Une cavité optique consistant en deux réflecteurs qui servent de mécanisme d’amplification

Propriété physique de la lumière laser:

1- Collimaté : émise dans une seule direction donnée, mais pas parfaitement, il y a une divergence des photons.
l’empreinte du laser augmente avec la distance.
plus le laser voyage dans l’espace plus les photons se séparent les un des autres.

2- émise dans une seule direction

3- longueur d’onde constante

4- amplitude constante

5- toutes les longueur d’onde en phase (synchronisé?)

Question 39

La distribution de l’énergie d’une impulsion laser

Answer 39

Son empreinte ressemble à une vague quand elle se déplace.

quand elle vient vers nous elle ressemble à un cercle avec du bleu à l’extérieur, puis du vert, jaune et rouge au centre.

ce qui s’interprète comme suit:
la plus grande concentration de photon est au centre et moins aux extrémités

Question 40

Les méthodes d’émission d’énergie et de mesure

de l’énergie réfléchie en lidar

Answer 40

1-constant fraction discriminator:
technique visant à trouver le maximum d’une impulsion en trouvant le point ou la pente est de zéro.
moment ou l’énergie arrete de croitre (ne veut pas dire au peak de la montagne), donc quand la dérivée seconde est de zéro.

2-phase-shift:
méthode similaire au GPS, avec la mesure de phase

3- Time of flight:
la vitesse de la lumière est connue avec précision, donc la précision sur la distance dépend de la
précision sur la mesure de temps de parcours.

Question 41

Qu’est-ce que la divergence d’un laser

Answer 41

Divergence: évasement progressif du faisceau laser le long de la trajectoire de tir.
il est déterminé par l’altitude/ distance de celui-ci et la tache au sol (empreinte) de celui-ci.

Question 42

Comment s’effectue l’alignement des données

TLS (Système lidar terrestre)

Answer 42

Positionnement du scan et des
cibles:

1-• Sélection des positions optimales pour les cibles: – Les cibles servent principalement à aligner les scans
enregistrés depuis différentes positions.

2- – Les cibles doivent être bien réparties sur la zone à scanner, non seulement dans le plan XY mais aussi en élévation (i.e. axe des Z). Cette direction est souvent oubliée, les cibles ayant tendance à être positionnées sur le sol.

Question 43

Comprendre et apprécier les caractéristiques

d’un TLS

Answer 43

1-résolution:
la distance entre chaque points le long du cercle vertical. en changeant la résolution on va changer le degré auquel le miroir tourne (si le degré est plus élevé, alors la distance entre chaque point est moins grande, on descend donc la résolution du nuage de points qui retourne).

2- qualité:
précision de chacun des points lasers, plusieurs pulses pour moyenner 1 seul point (une seule coordonnées), si on descend la qualité, on réduit le nombre de pulse nécessaire pour calculer un seul point et donc au augmente la vitesse du scan.

Question 44

faire attention: pourquoi la résolution s’exprime en degré?

Answer 44

Dans le premier cas il s’agit du système a déphasage, la résolution dans ce cas est une fréquence d’échantillonnage en degrés le long de l’onde modulée.

le degré représente le décalage entre les ondes