Brevet FR2705782A1 — publié le 19941202

Cette invention concerne de manière générale des capteurs acoustiques à fibres optiques, et en particulier des capteurs acoustiques conçus pour être utilisés sous l'eau. Pour être encore plus précis, cette invention se rapporte à un appareil et à des procédés permettant de réaliser un hydrophone à configuration plane. Le procédé traditionnel adopté pour détecter les pressions acoustiques sous l'eau fait appel à des éléments piézoélectriques. Traditionnellement, on avait recours à des éléments en céramique et, plus récemment, à des pellicules en polymère électriquement actifs. Associée à ces transducteurs, l'électronique requise permet d'amplifier le signal avant de le transmettre par le biais d'un bus de données. Les capteurs acoustiques traditionnels sont électriquement actifs: il est donc nécessaire de les alimenter en électricité. Cette nécessité a tendance à accroître le poids, la masse, la complexité et le coût du système. En outre, si une rupture se produit dans le sous- système de l"'extrémité humide", l'hydrophone et l'électronique qui lui est associée seront exposés à l'environnement subaquatique. Ceci peut provoquer une défaillance du système et, au bout du compte, des pannes. Par ailleurs, les systèmes piézoélectriques ont une sensibilité acoustique limitée; ils sont souvent sensibles à l'accélération, et ils ont tendance à recueillir les signaux électromagnétiques parasites. En outre, le nombre accru de capteurs qui sont nécessaires pour la détection de signaux acoustiques plus faibles élargit la bande passante de la transmission, et le signal de synchronisation associé, ce qui impose des limites internes aux performances effectives du système. Cette invention concerne un capteur acoustique qui a des dimensions planes, plutôt que les unités cylindriques antérieures. Cette configuration permet une bonne réjection de l'accélération, et elle a une bonne résistance à l'environnement. L'hydrophone conforme à la présente invention convient pour des applications en réseau de grande surface montées sur la coque, et pour des applications en réseau fixe.5 Les avantages de cette configuration incluent, sans que la liste ne soit limitative: la détection passive du signal acoustique, le fait que le capteur peut se passer d'énergie électrique, la facilité du multiplexage pour constituer de vastes réseaux, la légèreté, la possibilité d'accorder l'échelle, et l'insensibilité aux interférences et aux perturbations électromagnétiques. Un capteur plan à fibres optiques conforme à la présente invention, sur lequel des signaux optiques sont fournis à une paire de fibres optiques accouplées ensemble15 pour constituer un interféromètre, comprend une multitude de mandrins allongés disposés selon un réseau plan, de telle sorte que leurs axes longitudinaux soient parallèles. Sur une certaine longueur, une première fibre optique d'une paire est enroulée autour d'une partie de chaque mandrin au sein d'un20 premier groupe de mandrins, pour être exposée au paramètre. La première fibre optique est disposée de telle façon que l'exposition au paramètre à capter provoque l'augmentation ou la diminution de la longueur et de l'indice de réfraction de la première fibre optique en proportion directe de l'augmentation ou de la diminution du paramètre. Sur une certaine longueur, la seconde fibre optique est enroulée autour d'un second groupe de mandrins pour être exposée au paramètre. La seconde fibre optique est disposée de telle façon que l'exposition au paramètre à capter provoque l'augmentation ou la diminution de la longueur et de l'indice de réfraction de la seconde fibre optique de manière inversement proportionnelle à l'augmentation ou à la diminution du paramètre. On pourra mieux apprécier les objectifs de la présente invention, et comprendre davantage sa structure et son mode de fonctionnement, en examinant la description ci- après de la réalisation préférée, et en se reportant aux dessins d'accompagnement. La figure 1 illustre un capteur interférométrique à fibres optiques qui peut être intégré dans un réseau plan d'hydrophones conforme à la présente invention. La figure 2 est une vue en perspective d'un réseau plan d'hydrophones conforme à la présente invention. La figure 3 est une vue en plan d'une structure plane d'hydrophones conforme à la présente invention. La figure 4 est une vue en coupe transversale qui montre une première bobine de fibres optiques créée sur une partie extérieure d'un mandrin capteur à assistance pneumatique et pouvant être intégré dans le réseau plan d'hydrophones de la figure 2. La Figure 5 est une vue en coupe transversale pratiquée selon la ligne 5-5 de la figure 4. La figure 6 est une vue en coupe transversale qui montre une seconde bobine de fibres optiques créée sur une partie intérieure d'un mandrin capteur à assistance20 pneumatique et pouvant être intégré dans le réseau plan d'hydrophones de la figure 2; et La figure 7 est une vue en coupe transversale qui illustre une variante de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre un interféromètre Mach- Zehnder 20 qui est disposé de manière à fournir un signal optique de sortie à un photodétecteur 22 conforme à la présente invention. L'interféromètre Mach-Zehnder 20 est l'illustration d'un capteur à fibres optiques qui peut être utilisé en guise d'application de la présente invention. D'autres dispositifs, tels qu'un interféromètre Michelson (non représenté) peuvent être adoptés pour l'application pratique de la présente invention. La description ci-après de la présente invention telle qu'elle est utilisée avec l'interféromètre Mach-Zehnder 20 devra être conçue comme étant une illustration de l'invention, plutôt que comme limitant en quelque manière que ce soit la portée de l'invention. L'interféromètre Mach Zehnder 20 comporte une paire de fibres optiques 24 et 26 connectées entre une paire de coupleurs à fibres optiques 28 et 30. Les coupleurs à fibres optiques 28 et 30 peuvent être constitués de fibres distinctes (non représentées), et être alors connectés aux10 fibres 24 et 26 grâce à des épissures (non représentées). Les fibres optiques 24 et 26 sont de préférence des fibres ordinaires, monomodes, qui ne maintiennent pas la polarisation. Les coupleurs à fibres optiques 28 et 30 sont de préférence des coupleurs à champ évanescent. Une source lumineuse 33 génère des signaux optiques qui sont fournis à la fibre optique 24, qui guide ces signaux optiques vers le coupleur à fibres optiques 28. Le coupleur à fibres optiques 28 couple une fraction de l'intensité des signaux optiques émis par la source lumineuse et passant de la fibre optique 24 à la fibre optique 26. Dans une application typique de l'interféromètre Mach-Zehnder 20, la moitié de l'intensité du signal optique qui est fourni au coupleur à fibres optiques 28 est couplée de manière à passer de la fibre optique 24 à la fibre optique 26. Les fibres optiques 24 et 26 guident alors l'une et l'autre des signaux optiques qui ont la même intensité depuis le coupleur à fibres optiques 28 jusqu'au coupleur à fibres optiques 30. Aussitôt après avoir quitté le coupleur à fibres optiques 28, les signaux guidés par les fibres optiques 24 et 26 sont en phase. Le coupleur à fibres optiques 30 couple une partie du signal guidé par la fibre optique 26, avant de le ramener vers la fibre optique 24, o les signaux sont combinés. Les deux signaux guidés par les fibres optiques 24 et 26 suivent des trajets optiques différents, de telle sorte qu'il y a généralement une différence de phase entre les signaux lorsqu'ils sont combinés dans le coupleur à fibres optiques 30. Les signaux combinés se propagent alors dans la fibre 24 placée à droite du coupleur 30, et gagnent le détecteur 22, comme l'indique la figure 1. Si l'on se réfère aux figures 2 et 3, un capteur à fibres optiques conforme à la présente invention comporte un interféromètre Mach-Zehnder semblable à celui qui est décrit ci-dessus en référence à la figure 1. Les parties des fibres 24 et 26 qui se trouvent entre les coupleurs 28 et 30 sont enroulées autour d'une multitude de mandrins 35-41, comme cela est décrit par la suite en référence aux figures 2-4. Les coupleurs à fibres optiques 28 et 30 peuvent respectivement être placés à l'intérieur des mandrins 35 et 41. Si l'on se réfère aux figures 4 et 5, le mandrin 35 comporte de préférence un cylindre intérieur 44 et le cylindre extérieur 46. Les cylindres 44 et 46 sont disposés de préférence de manière à être concentriques. Une cavité 48 est entourée par l'intérieur du cylindre extérieur 46 et par l'extérieur du cylindre intérieur 44. La cavité 48 est avantageusement remplie d'air ou d'un autre gaz similaire. Cette cavité remplie d'air 48 fournit l'adéquation qui accroît la sensibilité du capteur à fibres optiques aux signaux acoustiques incidents. Le cylindre intérieur 44 entoure une zone 50 qui est remplie de préférence de polyuréthane 52 ou d'une autre substance similaire. Les extrémités des cylindres 44 et 46 sont scellées, si bien qu'aucune eau et aucune autre substance ne pénètre dans la zone 48 lorsque le capteur optique est en service. Une partie 82 de la fibre optique 24 est enroulée sous tension autour du cylindre extérieur 46. Le mandrin 35 peut comporter une paire de brides d'extrémité 62 et 64 qui contribuent à retenir la partie enroulée 60 de la fibre optique 24 sur le cylindre extérieur 46. Lorsque le capteur est entièrement immergé dans l'eau, la partie 60 de la fibre optique 24 est exposée à des ondes acoustiques qui sont surveillées. Des augmentations de la pression acoustique compriment la partie 60 de la fibre optique 24 et le cylindre extérieur 46, et elles réduisent la longueur du trajet optique des signaux optiques qui s'y propagent. Des diminutions de la pression acoustique exercée sur la partie 60 de la fibre optique 24 permettent au cylindre d'accroître son diamètre, ce qui étire la fibre optique 24 et allonge le trajet optique. Si l'on se réfère à la figure 6, le mandrin 36 est conçu de telle façon qu'il comporte des cylindres intérieur et extérieur 70 et 72, qui peuvent être essentiellement identiques aux cylindres 44 et 46 tels qu'ils sont respectivement décrits ci-dessus en référence aux figures 2 et 3. Les cylindres 70 et 72 comportent une cavité 78, qui est remplie d'air ou d'un autre gaz similaire. Une partie 84 de la fibre optique 26 est enroulée sous tension autour du cylindre intérieur 70, et elle est isolée contre les contacts directs avec l'eau, lorsque le système est en service afin de surveiller la pression acoustique subaquatique. Au lieu d'être rempli de polyuréthane, l'intérieur du cylindre 70 est exposé à l'eau. C'est pourquoi des accroissements de la pression acoustique dilatent le cylindre 70, en étirant la fibre optique 26 et en allongeant le trajet optique des signaux optiques qui s'y propagent. Des réductions de la pression acoustique provoquent un raccourcissement du trajet optique du signal optique qui se propage dans la fibre optique 26. Si l'on se réfère aux figures 2 et 3, les mandrins 37, 39 et 41 sont essentiellement identiques au mandrin 35. Par conséquent, les mandrins 37, 39 et 41 ont des bobines de fibre placées sur leur cylindre extérieur. Les mandrins 35, 37, 39 et 41 sont parfois désignés par le terme de mandrins capteurs. Les mandrins 38 et 40 sont foncièrement identiques au mandrin 36, et ils comportent des bobines de fibres placées sur leurs cylindres intérieurs. Le groupe des mandrins 36, 38 et 40 dispose de couvercles posés sur la fibre 26, de manière à inverser la polarité de la réponse de la fibre 26 à la pression acoustique. Les mandrins 36, 38 et sont parfois désignés par le terme de mandrins de référence. Les mandrins 35 à 41 sont montés de préférence entre une paire d'éléments de cadre 90 et 92. L'élément de cadre 90 est une structure allongée qui dispose d'une ouverture allongée 94. L'élément de cadre 92 peut être à peu près identique à l'élément de cadre 60. Les extrémités des mandrins 35 à 41 sont logées entre les éléments de cadre, de telle sorte que tous les mandrins 35 à 41 sont parallèles. Les éléments de cadre 90 et 92 peuvent être fixés aux mandrins 35-41 à l'aide d'une résine époxy ou d'un autre agent adhésif adéquat. On peut faire varier le nombre et la composition des mandrins 35-41 en fonction de l'application. La capteur illustré sur les figures 2 et 3 a été construit avec sept mandrins. Quatre d'entre eux sont des mandrins capteurs qui comportent des fibres optiques enroulées autour de l'extérieur d'un cylindre à assistance pneumatique. Les trois autres mandrins sont des mandrins de référence o la fibre optique est enroulée autour des cylindres intérieurs d'un mandrin à assistance pneumatique. Une longueur continue de fibres optiques est enroulée de préférence autour de chaque mandrin, de sorte qu'il n'y ait pas d'épissures entre les fibres. Le nombre de fibres qui sont posées sur les mandrins capteurs et les mandrins de référence est choisi de manière à ce que la longueur totale des fibres optiques soit la même pour chaque type de mandrin. Les éléments de cadre 90 et 92 sont maintenus en place par un support (non représenté) jusqu'à ce que l'interféromètre soit construit. La partie 100 de la fibre qui passe d'un mandrin à l'autre est collée de préférence à l'élément de cadre adjacent, chaque fois que c'est possible, afin de protéger la fibre contre tous dégâts. Les coupleurs optiques 86 et 88 sont ensuite épissés par fusion à chaque extrémité des fibres 82 et 84, pour parachever la configuration de l'interféromètre Mach- Zehnder. Toutefois, un coupleur peut être remplacé par une paire de miroirs, afin de créer une configuration Michelson (non représentée). L'interféromètre travaille en "push-pull". Lorsque les mandrins de captage 35, 39, 39 et 41 rencontrent une onde de pression acoustique, la fibre optique 80 qui est enroulée autour de l'extérieur des mandrins de captage rétrécit en longueur à mesure que la pression augmente, puis elle s'allonge à mesure que la pression décroît. La fibre optique 82 qui est enroulée autour des mandrins de référence 36, 38 et 40 avec les couvercles fonctionne de manière inverse. Cette réaction contraire à l'onde de pression a pour effet d'accroître la sensibilité générale du capteur selon un facteur de deux par rapport aux capteurs interférométriques dont un pied est exposé à l'onde acoustique, et l'autre pied est isolé par rapport à celle-ci. En outre, étant donné que les deux bras de l'interféromètre entourent des mandrins qui ont la même masse, ils réagissent de la même façon lorsqu'ils sont soumis à l'accélération. Ceci a pour effet d'annuler les valeurs d'accélération fournies. Une application plus simple des principes de base de l'invention consiste à n'avoir aucun couvercle sur les mandrins de référence 36, 38 et 40, de telle sorte que les parties de fibre enroulées autour de ces mandrins sont exposées à l'eau. L'exposition de la fibre 82 à l'eau a pour effet de réduire la sensibilité du capteur d'un facteur de deux. Dans ce mode de configuration, les intérieurs 50 et 74 sont remplis de composés de mise en pot similaires. Pour protéger les coupleurs optiques, les épissures et les miroirs (s'ils sont intégrés dans le capteur à fibres optiques), ils sont mis en pot au centre des mandrins à assistance pneumatique. Le matériau servant à la mise en pot peut être n'importe quel composé de mise en pot qui présente un faible rétrécissement, une faible dilatation thermique, qui est incompressible et suffisamment résistant pour résister à une pression hydrostatique de l'ordre de 1000-2000 psig. L'extérieur du capteur à fibres optiques peut ensuite être mis en pot avec un matériau à base de polyuréthane, afin d'être protégé contre les effets exercés par l'eau de mer sur5 les mandrins 35-41, et en vue de la manipulation des fibres optiques 70 et 72. La figure 7 illustre une variante de réalisation de la configuration du capteur selon la présente invention. Si l'on se réfère à la figure 7, la fibre optique 24 de10 l'interféromètre 20 est enroulée autour de l'extérieur du mandrin 46. La seconde fibre optique 26 de l'interféromètre est enroulée autour du mandrin 44. Les deux mandrins 44 et 46 sont ensuite rendus coaxiaux, afin de constituer par compliance la cavité 48. L'alésage central 50 du mandrin 44 est rempli d'un matériau en résine époxy 53. La cavité 48 et le matériau de mise en pot 53 servent à isoler la fibre optique 26 du milieu environnant, et ils la rendent acoustiquement insensible en comparaison avec la fibre optique 24. Une multitude de paires de mandrins 44 et 46 sont disposées d'une manière plane et similaire à celle qui est représentée sur les figures 2, afin de créer le capteur acoustique. La fabrication et le principe de fonctionnement de ce dispositif, qui apparaît à la figure 7, est le même pour les dispositifs décrits pour les autres réalisations. Dans ce cas-ci, un seul bras de l'interféromètre est sensible à l'environnement, et l'autre bras est le bras de référence. Les structures et méthodes divulguées ici illustrent les principes de la présente invention. L'invention peut être réalisée sous d'autres formes spécifiques sans en trahir l'esprit ou les caractéristiques essentielles. Les réalisations décrites doivent être considérées à tous points de vue comme des exemples et des illustrations, plutôt que comme constituant des restrictions. REVENDICATIONS 1. Capteur à fibres optiques dans lequel des signaux optiques sont fournis à une paire de fibres optiques (24, 26) couplées ensemble de manière à constituer un interféromètre (20), et caractérisé en ce que: une multitude de mandrins allongés (35-41) sont disposés en un réseau plan, de telle sorte que leurs axes longitudinaux soient parallèles; une certaine longueur (82) d'une première paire (24) de fibres optiques (24, 26) est enroulée autour d'une partie de chaque mandrin (35, 37, 39, 41) appartenant à un premier groupe de mandrins (35-41), afin d'être exposée au paramètre, la première fibre optique (24) étant disposée de telle sorte que son exposition au paramètre qui doit être capté provoque l'augmentation ou la diminution de la longueur (82) de la première fibre optique (24) d'une manière directement proportionnelle à l'augmentation ou à la diminution du paramètre; et une longueur de la seconde fibre optique (26) est enroulée autour d'un second groupe (36, 38, 40) de mandrins (35-41), afin qu'elle soit exposée au paramètre. 2. Capteur à fibres optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde fibre optique (26) est disposée de telle façon que son exposition au paramètre qui doit être capté provoque une augmentation ou une diminution de la longueur de la seconde fibre optique (26) d'une manière inversement proportionnelle à l'augmentation ou à la diminution du paramètre. 3. Capteur à fibres optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est donné à chaque mandrin (35-41) la forme d'une paire de cylindres concentriques creux (44,46) qui sont scellés à leurs extrémités pour constituer une cavité (48) remplie de gaz entre les cylindres. 4. Capteur à fibres optiques selon la revendication 3 caractérisé en ce que la première fibre optique (24) est enroulée autour de la périphérie extérieure du cylindre extérieur (46), et la seconde fibre optique (26) est enroulée autour du cylindre intérieur (44) et retenue dans la cavité remplie de gaz (48) entre le cylindre intérieur et le cylindre extérieur (44, 46). 5. Capteur à fibres optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mandrins (35-41) sont disposés en paires concentriques, tandis que la fibre de captage (24) est enroulée autour du mandrin extérieur (46), et la fibre de référence (26) est enroulée autour du mandrin intérieur (44), les extrémités des mandrins intérieur et extérieur (44, 46) étant scellées pour fermer une cavité remplie de gaz caractérisé par son adéquation, et le mandrin intérieur (44) étant rempli d'un matériau de mise en pot (52) qui isole la fibre de référence (26) de l'environnement.