Brevet FR2753530A1 — publié le 19980320

L'invention concerne un dispositif de mesure par interférométrie en lumière polarisée exploitant les informations fournies par au moins un capteur interférométrique de pression à fibre optique. Il est connu d'exploiter de tels dispositifs pour obtenir des informations sur des caractéristiques statiques et/ou dynamiques de véhicules circulant sur une portion de route. Ces dispositifs comportent au moins un capteur interférométrique disposé de manière à traverser la portion de route où circulent les véhicules, de manière à réagir aux pressions qu'engendrent les véhicules en passant sur lui. Le document FR-A-2628205 décrit ainsi un dispositif de mesure à capteur interférométrique comportant classiquement une fibre optique de mesure spécifiquement agencée pour présenter deux modes orthogonaux de polarisation dirigés selon ses axes neutres transversaux. L'exercice d'une pression externe transversalement à cette fibre entraîne un écrasement temporaire de cette fibre qui se traduit par une variation de biréfringence fonction de la valeur de la pression exercée. Ceci est exploité pour agir sur un signal optique qui est injecté dans la fibre par exemple par l'intermédiaire d'une diode laser, via un polariseur rectiligne. Ce signal optique injecté est préférablement constitué de vibrations lumineuses qui sont polarisées avec une orientation de 45" relativement aux axes neutres transversaux de la fibre et qui sont produites à fréquence élevée. Le signal optique est recueilli par un transducteur, via un analyseur croisé par rapport au polariseur, après avoir été transmis vers la fibre de mesure et avoir été restitué par cette dernière. Selon l'invention décrite dans le document évoqué ci-dessus, il est prévu de coupler le polariseur et l'analyseur à la fibre de mesure au moyen d'une fibre optique de transmission ordinaire, de type monomode, et de munir le polariseur de moyens de rotation d'état de polarisation aptes à agir à une fréquence supérieure à la fréquence maximale de réponse du capteur interférométrique. Ceci permet de résoudre les problèmes autrement rencontrés lors du couplage entre une fibre de mesure et d'une part un polariseur, d'autre part un analyseur au moyen d'une classique fibre de transmission monomode. En effet, cette dernière prise n'assure pas par elle-même une restitution fidèle en sortie de fibre de l'état de polarisation introduit en entrée. Il est apparu depuis qu'il était envisageable d'augmenter les performances et d'améliorer l'exploitation des dispositifs de mesure du type évoqué ci-dessus de manière à notamment éliminer le risque d'une mauvaise appréciation due à une vitesse de rotation d'état de polarisation insuffisante par rapport à la vitesse d'évolution du phénomène mesuré par le dispositif. Ceci est par exemple susceptible de se produire si la caractéristique à mesurer est la vitesse instantanée d'un véhicule éventuellement rapide. Le diagramme présenté sur la figure l correspond à un exemple de résultat fourni, sous forme d'une succession de variations de tension électrique correspondant normalement chacune à une frange d'interférence, lorsque la vitesse de rotation d'état de polarisation est insuffisante par rapport à la vitesse d'évolution du phénomène mesuré, soit en l'occurrence la vitesse d'évolution de la pression produisant un écrasement temporaire de la fibre de mesure d'un capteur interférométrique de pression, sous l'action d'une roue d'un véhicule en mouvement. ce diagramme laisse clairement apparaître un dédoublement des franges d'interférence qui sont situées en début et en fin de diagramme et qui sont respectivement obtenues en début et en fin d'écrasement de la fibre de mesure, soit pratiquement lorsqu'une roue commence à écraser le capteur puis le libère après être entièrement passée dessus, dans l'exemple d'application envisagé. Ceci conduit notamment à une incertitude entachant le signal de mesure sur la partie de ce signal qui est obtenue en début d'écrasement de la fibre optique de mesure que comporte le capteur, lors de l'apparition d'une pression d'origine externe et en conséquence à une imprécision de la mesure en dénvant. De plus, s'il est théoriquement possible de réaliser un programme d'exploitation permettant pratiquement de faire face à toutes les situations susceptibles de se présenter en fonction des diverses conditions d'installation des dispositifs et plus particulièrement du positionnement relatif d'un capteur interférométrique de dispositif de mesure par rapport à l'unité de gestion chargée de traiter les informations qu'il transmet par voie optique, il n'en demeure pas moins qu'il est susceptible d'exister des conditions d'exploitation réelles qui ne correspondent pas clairement à une des situations prévues d'origine. L'invention propose donc un dispositif de mesure interférométrique en lumière polarisée exploitant les signaux transmis depuis des capteurs interférométriques de pression à fibre optique par l'intermédiaire d'interfaces d'interrogation et d'analyse comportant chacune: - une source de lumière cohérente reliée à un coupleur d'entrée-sortie par l'intermédiaire d'un polariseur rectiligne à fréquence de rotation d'état de polarisation réglable pour envoyer un signal optique composé de vibrations lumineuses rectilignement polarisées avec une orientation de 45" par rapport aux axes neutres de la fibre de mesure d'un capteur interférométrique de pression à laquelle ces vibrations lumineuses sont envoyées, via une fibre conventionnelle reliant une première extrémité de cette fibre de mesure au coupleur d'entrée-sortie, - un transducteur de signaux optiques en signaux électriques, tel qu'une photodiode, relié au coupleur d'entrée-sortie par l'intermédiaire d'un analyseur croisé par rapport au polariseur rectiligne de l'interface d'interrogation et d'analyse considérée, pour traduire sous forme d'un signal électrique les franges d'interférence produites par l'analyseur à partir du signal optique successivement réfléchi par la fibre optique de mesure à sa seconde extrémité et retransmis via la fibre conventionnelle et le coupleur d'entréesortie. Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif de mesure comporte une interface d'interrogation et d'analyse dont le polariseur rectiligne a une fréquence de rotation d'état de polarisation qui est pilotée à partir d'un signal fourni par au moins une autre interface d'interrogation et d'analyse du dispositif. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de mesure comporte deux premières interfaces d'interrogation et d'analyse ayant chacun un analyseur relié, via un transducteur individuel de signaux optiques en signaux électriques, à un même module d'acquisition d'une unité de gestion commune qui fournit un signal électrique de pilotage de la fréquence de rotation d'état de polarisation au polariseur rectiligne d'une troisième interface d'interrogation et d'analyse du dispositif, à partir des signaux produits par les transducteurs respectifs de signaux optiques en signaux électriques des deux autres interfaces. L'invention, ses caractéristiques et ses avantages sont précisés dans la description qui suit en liaison avec es figures évoquées ci-dessous. La figure 1 présente un diagramme montrant un exemple de répartition de franges susceptible d'être obtenu avec un dispositif de mesure selon l'art connu. La figure 2 présente un schéma d'un exemple de dispositif de mesure selon l'invention. La figure 3 présente un diagramme schématisant les axes neutres transversaux et l'état de polarisation. Le dispositif de mesure par interférométrie en lumière polarisée schématiquement présenté sur la figure 2 comporte préférablement trois capteurs interférométriques de pression 1, 1' et 1" à fibre optique à chacun desquels est associée une interface d'interrogation et d'analyse 2, 2' ou 2" ces interfaces étant reliées à une unité de gestion 3 organisée autour d'au moins un processeur auquel sont associés un ensemble de mémoires, non-représenté et une interface homme-machine 19 permettant d'agir et d'accéder aux résultats. L'unité de gestion 3 ne sera que très partiellement détaillée ici dans la mesure où sa constitution éventuellement classique est sans rapport direct avec la présente invention et où seuls les éléments fonctionnels nécessaires à la compréhension du fonctionnement de l'invention seront décrits. Les capteurs interférométriques de pression 1, 1' et 1" sont susceptibles d'être du même type que ceux décrits dans le document FR-A- 2628205 et dans le document FR-A2628205 déjà évoqué plus haut. Seul est donc détaillé ici l'un d'entre eux, soit ici celui qui est référence 1. Ce capteur comporte une fibre optique 0, dite de mesure, à faible biréfringence intrinsèque qui est enserrée et coincée entre deux rubans métalliques élastiques de même largeur très supérieure au diamètre de la fibre, ces rubans étant solidarisés bords à bords. Une extrémité de la fibre de mesure 0 est constituée en réflecteur, alors que l'autre est exploitée en tant qu'accès commun d'entrée -sortie. Comme il est connu, un capteur interférométrique ainsi composé à une sensibilité déterminée aux pressions extérieures qu'il est susceptible de voir lui appliquer et il a une fréquence maximale de réponse déterminée pour laquelle un nombre optimal de franges d'interférence exploitées à des fms de mesure est susceptible d'être obtenu. La précontrainte initiale appliquée à la fibre de mesure 0 par les rubans en l'absence de pression extérieure supplémentaire se traduit par une biréfringence extrinsèque de cette fibre qui présente deux modes orthogonaux de polarisation dirigée selon ses axes neutres transversaux. L'exercice d'une pression extérieure sur le capteur interférométrique 1, par exemple celle d'une roue de véhicule en mouvement, plus ou moins obliquement par rapport à la fibre de mesure 0 entraine une variation de biréfringence qui est directement liée à la valeur de cette pression et il se produit en conséquence une modification des vitesses de propagation des composantes du signal lumineux selon les deux modes orthogonaux de polarisation. Les vibrations lumineuses incidentes polarisées rectilignement dans le plan de polarisation défini par les deux modes évoqués ci-dessus qui parcourent la fibre de mesure 0 ont alors des composantes orthogonales selon les deux modes qui se déphasent. Ceci permet la création d'un phénomène d'interférence entre composantes orthogonales des vibrations lumineuses incidentes polarisées qui étaient initialement cohérentes spatialement et temporellement et la formation de franges dues à la recombinaison de ces composantes lorsqu'elles sont reçues, après transmission en retour. Comme indiqué plus haut, le capteur interférométrique de pression 1 est relié à une interface d'interrogation et d'analyse 2 qui ici lui est propre. Celle-ci comporte une source de lumière cohérente 4, ici supposée constituée par une diode laser, et un polariseur rectiligne 5 qui est couplé à la source de lumière cohérente 4 et qui permet d'envoyer des vibrations lumineuses rectilignement polarisées vers la fibre de mesure 0 du capteur interférométrique de pression l associé à l'interface d'interrogation et d'analyse ici considérée. Ces vibrations sont destinées à assurer une excitation identique de cette fibre de mesure 0 selon ses deux modes orthogonaux et il est prévu qu'elles aient une orientation à 45" par rapport aux axes neutres transversaux de ladite fibre. Le polariseur rectiligne 5 est par exemple de type guide d'ondes optiques et il est ici supposé réalisé en technique intégrée, en utilisant un matériau tel que du niobate de lithium. Il comporte des électrodes qui sont associées à un élément rectiligne 11 du guide d'onde proprement dit, l'une d'entre elles ici référencée 10 étant par exemple centrée sur l'élément rectiligne 11, alors que deux autres référencées 12 et 13 sont symétriquement disposées de part et d'autre de cet élément de guide d'ondes. L'électrode 10 est par exemple affectée à la commande de polarisation du polariseur rectiligne, alors que l'électrode 12 est affectée à la commande de modulation en simultané de la polarisation rectiligne et que l'électrode 13 est une électrode de mise à la masse. Une première tension électrique Vl de valeur constante est appliquée sur l'électrode 10 et une seconde tension électrique sinusoïdale V2 de fréquence supérieure, par exemple trois fois supérieure, à la fréquence maximale de réponse du capteur interférométrique 1 qui est par exemple de l'ordre de 100 kHz. Comme illustré sur la figure 3, si l'on symbolise par X et Y les axes neutres transversaux d'une fibre et par P l'état de polarisation rectiligne fourni par le polariseur rectiligne 5, on obtient un état de polarisation rectiligne P par application de la tension continue Vl à l'électrode 10. Si de plus une tension sinusoïdale V2 de fréquence F est simultanément appliquée sur l'électrode 12, il y a une rotation de l'état de polarisation rectiligne en sortie du polariseur à la fréquence F de la tension sinusoïdale V2. La sortie du polariseur rectiligne 5 est ici supposée reliée, via un coupleur d'entréesortie 6, à une première extrémité d'une fibre monomode conventionnelle exploitée en tant que fibre de transmission 7 ver le capteur de pression 1 associé à l'interface d'interrogation et d'analyse 2 comportant ce polariseur. Dans ce cas, il y a toujours une rotation à la fréquence F2 de l'état de polarisation rectiligne injecté par le polariseur et ce tout au long de la fibre de transmission et en particulier à la seconde extrémité de cette fibre quelle que soit la distance séparant la première de la seconde extrémité de ladite fibre de transmission. De ce fait, l'orientation de l'état de polarisation rectiligne transmis par la fibre de transmission 7 se présente toujours avec une orientation optimale de 45C en sortie de cette fibre monomode de transmission au niveau d'entrée du capteur de pression 1 précédemment considéré par rapport aux modes orthogonaux de la fibre de mesure 0 que ce capteur comporte. Seules les composantes obtenues selon les deux modes orthogonaux de la fibre de mesure 0 sont excitées de manière identique et elles se propagent donc dans la fibre de transmission 7 exploitée en tant que lien bidirectionnel depuis la fibre de mesure 0 où elles sont déphasées et ce jusqu'à un analyseur 8 via le coupleur 6 de l'interface d'interrogation et d'analyse reliée à cette fibre de transmission. La rotation permanente à fréquence élevée de l'état de polarisation de sortie du polariseur rectiligne 5 permet d'obtenir un état de polarisation orienté à 45O en entrée de la fibre de mesure 0 d'un capteur de pression quels que soient les états de polarisation en entrée et sortie de fibre de transmission. Chaque analyseur 8 est croisé avec le polariseur rectiligne 5 de l'interface qui le comporte pour recevoir le signal lumineux obtenu à partir de celui qui, initialement émis par la source de lumière cohérente 4, a été transmis à la fibre de mesure 0 du capteur interférométrique de pression 1 via la fibre de transmission 7 et qui a été retransmis par cette dernière après avoir été modifié au niveau de ladite fibre de mesure en fonction de la pression alors exercée sur cette fibre de mesure. L'analyseur 8 d'une interface d'interrogation et d'analyse qui est relié à la fibre de transmission 7 desservant cette interface attaque un transducteur 9, ici supposé constitué à l'aide d'une photodiode, qui permet de traduire sous forme électrique les franges optiques d'interférence que contient le signal lumineux en retour que transmet l'analyseur 8. Ce dernier est exploité pour assurer la définition du plan d'observation des franges d'interférence et notamment pour obtenir un contraste maximal entre franges. Les signaux produits par le transducteur 9 sont transmis à un module d'acquisition 17, ici supposé inclus dans l'unité de gestion 3 dont il utilise éventuellement les moyens logiciels et matériels pour fournir au moins une information à partir d'au moins un signal reçu du capteur interférométrique 1, suite à l'exercice d'au moins une pression sur ce capteur. Dans le cas déjà envisagé ici, où le capteur interférométrique est soumis au passage de roues de véhicules circulant sur une portion de route, il est connu qu'en fonction des conditions d'exploitation du système et en particulier de celles liées à la portion de route où est placé le capteur, il est usuel d'obtenir des résultats qui ne sont pas identiques dans des conditions d'application de la pression sur le capteur qui apparaissent comme identiques en première approximation. Ceci conduit donc à associer un second capteur interférométrique de pression l' au capteur interférométrique de pression l évoqué ci-dessus, ces deux capteurs préférablement identiques étant disposés à proximité l'un de l'autre, par exemple à une distance de l'ordre de quelques mètres, et préférablement avec des obliquités différentes par rapport à l'axe longitudinal de la portion de route que chacun traverse. Dans une forme préférée de réalisation, les interfaces d'analyse et de mesure 2 et 2,' respectivement associées à chacun de ces capteurs interférométriques de pression l et 1', , sont identiques et ont leurs transducteurs 9 et 9' reliés au même module d'acquisition 17 de l'unité de gestion'3 de manière à permettre une mise en correspondance des résultats respectivement obtenus par chacun à partir d'une même source de pression agissant successivement sur chacun des deux capteurs, par exemple d'une même roue ou d'une même paire de roues de véhicule. Ceci permet d'affiner les résultats des mesures simultanément ou quasi-simultanément réalisées par les deux capteurs l et l' et d'obtenir de premières informations de nature qualitative. Il peut en effet y avoir de grandes disparités entre des mesures successives, si celles-ci sont dues à des véhicules ayant des caractéristiques très différente tant sur le plan statique que sur le plan dynamique, comme cela est usuel sur les voies publiques de circulation. Ainsi, une même interface d'interrogation et d'analyse, telle 2 ou 2', peut voir se produire une variation de trois à cent du nombre de franges d'interférence apparaissant pour des signaux successivement générés par un même capteur interférométrique de pression sous l'effet de pressions successivement crées par deux véhicules ayant des caractéristiques de poids et de vitesse très différentes. Il est donc prévu d'associer un sous-ensemble supplémentaire associant un capteur interférométrique de pression, ici référencé l", à une interface d'interrogation et d'analyse, ici référencée 2", aux deux sous-ensembles respectivement constitués des capteurs l, 1' et des interfaces 2, 2', pour effectuer une mesure de précision en profitant de l'information quantitative fournie par le module d'acquisition 17 pour prérégler le polariseur rectiligne 5" de l'interface d'interrogation et d'analyse 2" du sous-ensemble supplémentaire de manière à améliorer la précision des mesures réalisées à l'aide de ce sous-ensemble. Le capteur interférométrique de pression 1" du sous-ensemble supplémentaire est placé légèrement en aval des deux capteurs interférométrique de pression 1 et 1', par exemple à quelques mètres, dans un sens de circulation surveillé sur la portion de voie où sont positionnés ces capteurs. Selon l'invention la fréquence de la tension électrique sinusoïdale V2 fournie au polariseur rectiligne 5" est définie par un module de fixation de consigne de fréquence 18 ici supposé comme faisant partie de l'unité de gestion 3 dans des conditions analogues à celles déjà évoquées pour le module d'acquisition 17 mentionné plus haut. Le module de fixation de consigne de fréquence 18 est relié au module d'acquisition 17 qui fournit une information permettant de choisir une fréquence de rotation d'état de polarisation, éventuellement prédéterminée, qui soit en adéquation avec la mesure que va effectuer le sous-ensemble supplémentaire via son capteur interférométrique de pression 1" suite à une mesure correspondante préalablement effectuée par au moins un des deux sous-ensembles dont les capteurs 1 et 1' sont placés en aval du capteur 1" dans le sens de circulation des véhicules alors surveillés. Cette fréquence de rotation est choisie de manière connue en elle-même pour être suffisamment élevée par rapport à la vitesse d'évolution du phénomène alors en cours de mesure de manière à permettre d'éviter tout doublement ou recouvrement des franges' d'interférence qui vont être obtenues à partir du signal que va fournir le capteur interférométrique de pression 1" et à permettre d'obtenir en conséquence un résultat de mesure précis. Un tel résultat est supposé fourni par un module d'acquisition 17' qui, ici, est supposé identique ou au moins analogue au module d'acquisition 17 et est relié à la sortie d'un transducteur 9", lui-même supposé identique aux autres transducteurs 9 et 9' du dispositif de mesure selon l'invention. Le module d'acquisition 17' est ici supposé relié à l'interface homme-machine 19 auquel les résultats de mesure sont transmis pour exploitation directe ou indirecte via une machine par l'exploitant du dispositif. De manière usuelle l'interface hommemachine 19 permet de dialoguer et/ou piloter l'unité de gestion 3 et de commander les éléments réglables des interfaces d'interrogation et d'analyse du dispositif de mesure, en particulier les polariseurs rectilignes de ces interfaces, usuellement via l'unité de gestion 3. Les modules d'acquisition 17 ou 17' évoqués précédemment fonctionnent par exemple selon le procédé décrit dans la demande de brevet français enregistrée sous le numéro 95144488. Chacun comporte des moyens permettant de numériser le signal qui leur est fourni par un transducteur, tel par exemple 9" pour le module 17', qui leur est relié et pour en extraire une succession chronologique d'extrema d'amplitude numérisés correspondant à ceux présentés sur la figure 1. Ces extrema sont alors traités pour fournir une succession chronologique de premières données représentatives d'un profil temporel d'une rotation de phase. Ces premières données sont traitées à partir d'un modèle physique pour fournir des secondes données qui représentent un profil temporel de la pression subie par le capteur à l'origine du signal qu'a reçu le transducteur tel 9" considéré. Dans le cas du module d'acquisition 17, il est prévu une prise en compte des signaux fournis par deux transducteurs 9, 9' reliés chacun à un capteur 1 ou 1' distinct et une pondération des résultats obtenus à partir de ces signaux, selon un procédé déjà connu en ce domaine. Le module de fixation de consigne de fréquence 18 extrait d'une manière connue de l'homme de métier une consigne en fréquence, destinée à agir sur le polariseur rectiligne 5", à partir des informations relatives à la phase instantanée que fournit le module d'acquisition. Le choix des fréquences pour les polariseurs rectilignes 5 et 5' est ici supposé s effectuer en fonction des caractéristiques du phénomène observé et à une fréquence maximale élevée supérieure à la fréquence maximale de réponse des capteurs, selon les règles usuelles en la matière. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de mesure interférométrique en lumière polarisée exploitant les signaux transmis depuis des capteurs interférométriques de pression (1, 1', 1") à fibre optique (0) par l'intermédiaire d'interfaces d'interrogation et d'analyse (2, 2', 2") comportant chacune: - une source de lumière cohérente (4) reliée à un coupleur d'entrée-sortie (6) par l'intermédiaire d'un polariseur rectiligne (5) à fréquence de rotation d'état de polarisation réglable pour envoyer un signal optique composé de vibrations lumineuses rectilignement polarisées avec une orientation de 45O par rapport aux axes neutres de la fibre de mesure d'un capteur interférométrique de pression à laquelle ces vibrations lumineuses sont envoyées, via une fibre conventionnelle (7) reliant une première extrémité de cette fibre de mesure au coupleur d'entrée-sortie, - un transducteur de signaux optiques en signaux électriques (9) relié au coupleur d'entrée-sortie par l'intermédiaire d'un analyseur (8) croisé par rapport au polariseur rectiligne de l'interface d'interrogation et d'analyse considérée, pour traduire sous forme d'un signal électrique les franges d'interférence produites par l'analyseur à partir du signal optique successivement réfléchi par la fibre optique de mesure à sa seconde extrémité et retransmis via la fibre conventionnelle et le coupleur d'entrée-sortie, ledit dispositif de mesure étant caractérisé en ce qu'il comporte une interface d'interrogation et d'analyse (2") dont le polariseur rectiligne (5") a une fréquence de rotation d'état de polarisation qui est pilotée à partir d'un signal fourni par au moins une autre interface d'interrogation et d'analyse du dispositif. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une interface d'interrogation et d'analyse (2") dont le polariseur rectiligne (5") a une fréquence de rotation d'état de polarisation qui est pilotée à partir d'un signal électrique obtenu à partir d'au moins un signal de sortie fourni par un transducteur de signaux optiques en signaux électriques (9) à partir des franges d'interférence produites par un analyseur (8) d'au moins une autre interface d'interrogation et d'analyse du même dispositif 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux premières interfaces d'interrogation et d'analyse (2, 2') ayant chacune un analyseur (8 ou 8') relié, via un transducteur individuel de signaux optiques en signaux électriques (9 ou 9'), à un même module d'acquisition (17) d'une unité de gestion (3) commune qui fournit un signal électrique de pilotage de la fréquence de rotation d'état de polarisation au polariseur rectiligne (5") d'une troisième interface d'interrogation et d'analyse (2") du dispositif, à partir des signaux produits par les transducteurs (9, 9') respectifs de signaux optiques en signaux électriques des deux autres interfaces. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur interférométrique de pression (1") de troisième interface d'interrogation et de mesure qui est disposé en aval des capteurs interférométriques de pression (1 et 1') des deux premières interfaces du dispositif dans un sens de circulation surveillé de véhicules sur une portion de voie de circulation où ces capteurs sont successivement disposés.