Brevet FR2742227A1 — publié le 19970613

Procédé de traitement d'un signal interférométrique pour la mesure d'une force L'invention porte sur un procédé de traitement d'un signal interférométrique pour la mesure d'une force à l'aide de la biréfringence induite par contrainte dans un guide de lumière. L'invention s'applique de façon générale à la surveillance du trafic routier et en particulier au pesage de véhicules en marche. Le principe de la mesure d'une force à l'aide de la biréfringence induite par contrainte dans un guide de lumière ou fibre optique monomode est bien connu. La figure i montre de façon très schématique les différents éléments15 d'un capteur piézo-optique servant à mesurer une force suivant ce principe. Un faisceau lumineux à polarisation rectiligne Ei, généré par une diode laser 1, est injecté dans la fibre optique 2 par l'intermédiaire d'un séparateur de polarisation 3 qui décompose ce faisceau lumineux en deux20 ondes ayant des polarisations croisées, l'une Ev dans le sens (vertical) de la contrainte appliquée sur la fibre optique par la force à mesurer, l'autre Eh dans un sens orthogonal. Comme la propagation monomode préserve la polarisation, chaque onde se propage indépendamment en25 fonction de l'indice optique correspondant à la direction de la polarisation. La différence des trajets optiques des deux ondes dépend donc de la différence des contraintes directionnelles le long du parcours. Une variation de la biréfringence de la fibre optique, due à une charge30 dynamique comme le pneu 4 d'un véhicule roulant sur la fibre optique, entraîne donc un déphasage relatif entre les deux ondes (ce déphasage progressant à mesure que la charge augmente, puis s'établissant à un certain niveau quand la charge est maximum selon la direction verticale, et enfin35 régressant à mesure que la charge diminue, c'est-à-dire quand le pneu quitte la fibre optique). Dans le montage de la figure 1, le faisceau lumineux incident est réfléchi par un miroir 5 disposé à l'extrémité de la fibre optique pour être récupéré, via le séparateur de polarisation 3, par une photodiode de détection 6. Le signal électrique interférométrique S résultant de la recombinaison additive des deux ondes au niveau de la photodiode de détection 6 a un niveau d'amplitude instantané qui varie en fonction du déphasage relatif instantané entre les deux ondes Ev et Eh. La figure 2 montre la forme générale d'un signal interférométrique S. Ce signal a un niveau d'amplitude qui présente, sur une période interférentielle T correspondant à l'influence de la charge, une succession de maxima et de minima définissant des franges polarimétriques. On voit sur cette figure, en partant de l'origine du temps t, une15 première succession de franges polarimétriques qui correspond à la progression angulaire du déphasage, puis une frange polarimétrique centrale qui correspond à un niveau angulaire maximum du déphasage, puis une seconde succession de franges polarimétriques qui correspond à la régression20 angulaire du déphasage. Dans le document EP-0153997, il a déjà été proposé de compter le nombre de franges polarimétriques présentes dans un signal interférométrique pour mesurer une force suivant le principe indiqué ci-dessus. Toutefois, une telle méthode25 a un niveau de précision qui ne convient pas pour les applications de pesage de véhicules en marche. En effet, un simple comptage du nombre de franges polarimétriques a par nature une précision limitée à +/- 0,5 frange, l'incertitude de la précision pouvant représenter quelques pour-cent de la30 force à mesurer. Le but de l'invention est de proposer un autre procédé de traitement du signal interférométrique pour mesurer une force de façon plus précise, notamment une charge dynamique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de traitement d'un signal interférométrique pour la mesure d'une force à l'aide de la biréfringence induite par contrainte dans un guide de lumière, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: numériser le signal interférométrique pour extraire une succession chronologique d'extremums d'amplitude sous forme numérique, - traiter cette succession d'extremums pour obtenir une succession chronologique correspondante de premières données représentatives d'un profil temporel d'une rotation de phase,10 - traiter, à partir d'un modèle physique mettant en relation la rotation de phase avec la force, cette succession de premières données pour obtenir une succession chronologique correspondante de secondes données représentatives d'un profil temporel de la force. 15 L'invention exploite le fait que l'expression du déphasage D entre les ondes Ev et Eh, résultant de l'application d'une contrainte de pression directionnelle P sur une longueur L de fibre optique d'un capteur piézo- optique, est de la forme:20 (1) D = KPaL o K et a sont des constantes dépendantes des caractéristiques du capteur piézo-optique (géométrie de la fibre optique, élasticité de la silice, longueur d'onde de la source laser, etc.) qui peuvent être obtenues par une calibration du capteur piézo-optique faite25 avec des poids connus. Par ailleurs, le niveau d'amplitude instantané I(t) du signal interférométrique est de la forme: (2) I(t) = A + Bcosc(t) o À représente le déphasage entre les deux ondes Ev et Eh et o A et B sont des constantes (A et B sont calculées à partir des relations A=(Imax+Imim)/2 et B=(Imax-Imim)/2 o Imax et Imim sont respectivement la valeur maximale moyenne et la valeur minimale moyenne du signal interférométrique sur une période d'activité interférentielle). Ce déphasage correspond en35 fait à une rotation de phase qui va dans le sens horaire inverse à mesure que la charge augmente et qui revient dans le sens horaire à mesure que la charge diminue. En dérivant l'expression (2) par rapport au temps, on voit que les extremums relatifs du signal I(t) correspondent soit à un franchissement d'une détermination angulaire (D=klH), soit à 5 un extremum de la rotation de phase (dD/dt=0). Par conséquent sur la base des relations (1) et (2), on voit qu'un profil temporel d'une charge dynamique (défini par différentes valeurs de P en fonction du temps) peut être dérivé du profil temporel d'une rotation de phase10 correspondant au déphasage ô, ce profil temporel de la rotation de phase étant simplement défini pour les extremums du signal interférométrique. Suivant une particularité du procédé selon l'invention, le traitement des extremums consiste à prendre en compte alternativement un extremum du début de la succession d'extremums et un extremum de la fin de cette succession d'extremums, avec progression vers le milieu de cette succession d'extremums à chaque alternance, pour obtenir la succession de premières données représentatives20 d'un profil temporel de la rotation de phase. Ce traitement tire profit du fait que le profil temporel de la rotation de phase part d'un niveau de repos et y revient après un passage vers une valeur maximum correspondant typiquement à l'extremum du milieu de la25 succession dans le cas simple d'un profil temporel de la rotation de phase du genre courbe en forme de cloche. Dans le cas d'un profil de rotation de phase plus complexe, du genre courbe en forme de selle, le maximum de la rotation de phase ne correspond pas forcément à30 l'extremum central de la succession d'extremums d'amplitude du signal interférométrique et il est nécessaire d'identifier chaque extremum comme correspondant à un franchissement de détermination angulaire o comme un maximum de la rotation de phase. Cette ambiguïté peut35 toutefois être levée simplement en constatant qu'un franchissement de la détermination angulaire correspond à un extremum proche des limites (A+ B) ou (A-B). Inversement un maximum de la rotation de phase correspond généralement à un extremum observé bien en dehors de ces limites. L'invention est décrite ci-après en détail en référence au dessins. La figure 1 montre schématiquement un capteur piézo- optique. La figure 2 montre un exemple de signal interférométrique. La figure 3 est un organigramme illustrant les principales étapes du procédé selon l'invention. La figure 4 montre un autre exemple de signal interférométrique. La figure 5 montre sous la forme d'une courbe, le profil temporel de la rotation de phase reconstitué pour le signal de la figure 4. La figure 6 est un organigramme détaillé de l'étape de reconstitution du profil temporel de la rotation de phase. Suivant le procédé selon l'invention, pour mesurer une force, notamment une charge dynamique, on reconstitue un profil temporel de celle-ci à partir d'un profil temporel d'une rotation de phase, lequel est lui-même reconstitué à partir des extremums d'amplitude du signal interférométrique. Comparativement à un simple comptage des25 franges polarimétriques, on arrive à une précision de mesure beaucoup plus fine, de l'ordre de 0,01 frange. Par ailleurs, dans le cadre de l'application au pesage de véhicules en marche, le profil temporel de la charge dynamique permet de remonter plus précisément à la valeur de la charge statique30 car un tel profil met en évidence les effets dynamiques des suspensions, des accélérations, etc., qui peuvent alors être pris en compte pour la détermination de la charge statique. Figure 3, le procédé de traitement d'un signal interférométrique S selon l'invention commence par une étape 30 de numérisation de ce signal. L'étape 30 est suivie, de préférence, d'une étape de filtrage numérique 31 permettant d'obtenir une réduction des parasites par un lissage du signal numérique interférométrique. L'étape 31 est suivie d'une étape 32 de détection du début et de la fin de la période d'activité interférentielle dans le signal interférométrique sous forme numérique. La détection du début et de la fin d'activité interférentielle peut par exemple être basée sur une logique de surveillance10 du niveau instantané du signal numérique et de comparaison de ce niveau instantané avec un niveau moyen du signal numérique interférométrique mesuré en l'absence de contrainte et actualisé après chaque période d'activité interférentielle.15 L'étape 32 est suivie d'une étape 33 de traitement des échantillons récupérés pour la période d'activité interférentielle du signal numérique afin d'extraire ceux qui correspondent à des extremums d'amplitude. La figure 4 montre l'évolution temporelle du niveau d'amplitude d'un signal interférométrique. Le début et la fin de la période interférentielle sont indiqués par D et F. Les extremums d'amplitude sont indiqués par Ext[l],... Ext[n], Ext désignant un vecteur dans lequel la succession chronologique d'extremums d'amplitude est rangée. Sur cette25 figure, l'extremum Ext(j) correspond à un maximum de la rotation de phase. La succession chronologique d'extremums dans le vecteur Ext est traitée dans l'étape 34 pour déterminer une succession chronologique correspondante de données30 représentatives d'un profil temporel d'une rotation de phase. A noter que l'étape 34 requiert aussi d'associer à chaque extremum, sa position temporelle dans la période interférentielle, pour reconstituer les profils temporel de rotation de phase et de charge. Pour des raisons de clarté35 de la description, on ne fera pas référence aux positions temporelles des extremums par la suite. La figure 6 illustre le traitement réalisé à l'étape 34. Sur cette figure, PHI désigne le vecteur dans lequel est rangée la succession chronologique de données représentatives du profil temporel de la rotation de phase. Le vecteur PHI contient les différentes valeurs de la rotation de phase correspondant respectivement aux extremums du vecteur Ext. Le traitement 34 consiste simplement en une boucle avec des indices ig (pointant vers le début du vecteur Ext) et id (pointant vers la fin du vecteur Ext) initialisés en 61 respectivement à 1 et n (n désignant le nombre d'extremums dans le vecteur Ext) dans laquelle alternativement, un extremum d'indice ig du vecteur Ext est pris en compte pour déterminer en 62 une valeur discrète PHI [ig] correspondante de la rotation de phase et un extremum d'indice id du vecteur Ext est pris en compte pour déterminer en 63 une autre valeur discrète PHI[id] de la rotation de phase. Les indices id et ig progressent ensemble en 64 vers le milieu du vecteur Ext. Quand les indices ig et id sont identiques, par comparaison en 65, le traitement20 sort de la boucle et se poursuit en 66. Dans l'étape 62, le rang ig de l'extremum pris en compte sert directement à déterminer la valeur correspondante de la rotation de phase. Il en est de même dans l'étape 63 pour l'indice id. A ce stade du traitement,25 seule la valeur maximum de la rotation de phase n'est pas déterminée. Elle est déterminée dans l'étape 66 à partir de la valeur de la rotation de phase en l'absence de contrainte sur la base de la relation suivante: (3) PHI[id] = PHI[id-1] + Arcos((Ext[id]-A)/B) - (o o Oo est la valeur de la rotation de phase en l'absence de contrainte. La valeur Do dépend des réglages du capteur piézo-optique et peut être à priori quelconque. Elle est estimée par une analyse du niveau moyen Io du signal interférométrique en l'absence de contrainte sur la35 base de la relation suivante: (4) co = Arcos(Io-A)/B En 65, id et ig correspondent à l'indice j sur la figure 4, c'est-à-dire pointent vers l'extremum du milieu de la succession d'extremums. La figure 5 illustre la forme du profil temporel reconstitué pour le signal interférométrique de la figure 4. Il s'agit ici d'une simple courbe en forme de cloche. On a PHI[1]=H, PHI[2]=2H, PHI[3]=3H, PHI[n]=f Le traitement illustré par l'organigramme de la figure 6 peut être raffiné pour le cas d'un profil temporel de la rotation de phase plus complexe. Dans ce cas, dans les étapes 62 et 63, la valeur de l'extremum Ext[ig] ou Ext[id] doit être comparé par rapport aux valeurs A+B ou A-B (voir figure 4). Quand cet extremum est proche de A-B ou A+B, il s'agit d'un extremum correspondant à un franchissement de15 détermination de la rotation de phase, et le rang ig ou id de l'extremum sert encore pour déterminer la valeur de la rotation de phase. Dans le cas contraire, on affecte à la donnée PHI[ig] ou PHI[id], une valeur particulière, par exemple O, qui peut facilement être retrouvée par analyse du20 vecteur PHI. Le vecteur PHI est ensuite traité pour remplacer ces valeurs particulières par des valeurs calculées sur la base de la relation (3). Suite à l'étape 34 sur la figure 3, le vecteur PHI est traité en 35 pour obtenir une dernière succession chronologique de données représentatives du profil temporel de charge à partir de la relation suivante: (5) P[i] = (PHI[i]/KL)1/c o P désigne le vecteur contenant cette dernière succession chronologique de données. A noter que la valeur de la force ou de la charge dynamique correspond à la donnée de valeur maximale dans le vecteur P. REVENDICATIONS 1/ Un procédé de traitement d'un signal interférométrique (S) pour la mesure d'une force à l'aide de la biréfringence induite par contrainte dans un guide de lumière, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: - numériser (30) le signal interférométrique pour extraire une succession chronologique d'extremums d'amplitude sous forme numérique, - traiter (34) cette succession d'extremums pour obtenir une succession chronologique correspondante de premières données représentatives d'un profil temporel d'une rotation de phase, - traiter (35), à partir d'un modèle physique mettant en relation la rotation de phase avec la force, cette succession de premières données pour obtenir une succession chronologique correspondante de secondes données représentatives d'un profil temporel de la force.20 2/ Le procédé selon la revendication 1, dans lequel le traitement des extremums consiste à prendre en compte alternativement (62) un extremum du début de la succession d'extremums et (63) un extremum de la fin de cette25 succession d'extremums, avec progression vers le milieu de cette succession d'extremums à chaque alternance, pour obtenir ladite succession de premières données (PHI) représentatives d'un profil temporel de la rotation de phase.30 3/ Le procédé selon la revendication 2, dans lequel si l'extremum pris en compte dans le traitement est identifié comme correspondant à un franchissement de détermination angulaire de la rotation de phase, le rang de cet extremum35 dans la succession d'extremums sert à déterminer une valeur correspondante de la rotation de phase.