Brevet FR2873505A1 — publié le 20060127

La présente invention concerne un dispositif permettant d'informer, par émission de signaux d'alerte ou d'alarme, de toute tentative de franchissement d'un périmètre de sécurité, quel que soit le procédé d'intrusion, et qu'il y ait eu ou non rupture du dispositif de protection périmétrique d'une part; et de fournir une information préalable en cas de tentative d'effraction d'autre part. Il s'agit par conséquent d'un système détecteur d'évènements perturbateurs agissant directement ou indirectement sur la partie sensible dudit système. Le système de détection est conçu pour être déployé sur des distances métriques, décamétriques, hectométriques voire kilométriques, de manière continue ou par tronçons indépendants, ainsi que pour être sensible à toute perturbation d'origine mécanique ou thermique présentant un caractère anormal par comparaison, en continu, aux perturbations naturelles induites par l'environnement. L'invention réside dans un système détecteur à fibre optique de type interférométrique à deux ondes, constitué pour l'essentiel de deux fibres optiques reliées entre elles pour former un interféromètre de type Michelson ou Mach-Zehnder (figure 1). En l'état de la technique appliquée à la détection, les systèmes les plus utilisés, ne permettent de délivrer que des informations de type "tout ou rien", la capacité de détection étant limitée à l'absence de signal due à une rupture physique (cisaillement, coupure, arrachement...) du système détecteur. Ces systèmes utilisent aussi bien des technologies électriques qu'optiques. Dans le domaine optique les principales méthodes utilisées sont les suivantes (liste non exhaustive) : É Détection tout ou rien par rupture du guide d'onde; É Détection par système à microcourbure; É Détection par couplages modaux (speckle); É Détection par reflectométrie, etc. En effet, des systèmes capteurs et/ou détecteurs de type périmétrique, utilisent des moyens de détection à partir de moyens de transduction électriques ou électromagnétiques permettant de délivrer un signal d'alerte en cas de modification du signal électrique ou électromagnétique dit nominal, correspondant à l'absence de perturbations jugées "anormale" par les opérateurs. D'autres systèmes à fibres optiques utilisent comme mode de détection l'interférométrie multimodale dite de "Speclde", ou les variations d'intensité du flux lumineux transmis induites par microcourbures, la détection peut être en mode de transmission directe (détection non localisée) ou en mode réflectométrique avec possibilité de délinéation de la fibre optique sensible (localisation de la perturbation). Les solutions multimodales souffrent toutefois d'un taux de fausse alarme élevé et d'une grande sensibilité aux influences extérieures (température/vent/etc) dus au fait que le phénomène exploité, qui résulte de la combinaison des contributions des multiples modes qui se propagent dans la fibre, n'est pas prévisible et modélisable. On peut donc simplement constater une évolution du flux lumineux transmis sans toutefois pouvoir la modéliser et faire le lien avec le phénomène qui l'a provoquée. Dans le dispositif de l'inventif, une source lumineuse (1) émet un rayonnement injecté dans le bras d'entrée d'un coupleur optique (2). Deux fibres optiques monomodes de sortie (3 et 4) du coupleur optique (de grande longueur) constituent le coeur sensible de l'interféromètre. Pour refermer l'interféromètre un deuxième coupleur optique (5) est utilisé (figure 2). Le bras de sortie (6) du coupleur (5) assure le transport des deux ondes optiques recombinées provenant des fibres optiques 3 et 4. Le bras de sortie 6 est relié à un module optoélectronique de détection (7) (figure 3). A la sortie de l'interféromètre, le déphasage entre les deux ondes donne lieu au phénomène d'interférence. L'analyse temporelle et fréquentielle du signal interférométrique est exploité pour la détection et la différenciation des perturbations normales (environnement) et anormales (tentative d'intrusion). Compte tenu de l'extrême sensibilité de la détection interférométrique, l'analyse des signaux ne concerne pas la mesure des déphasages induits par les évènements perturbateurs mais un traitement des fluctuations temporelles de ces déphasages. A titre d'exemple et de manière non limitative, l'extraction des données permettant de générer des alertes et/ou des alarmes peut être obtenue par application d'algorithmes utilisant les propriétés de l'analyse de Fourier, de l'analyse de variance, de moyennes glissantes et de gradients, longs et courts termes...A ce titre, la sensibilité intrinsèque du montage interférométrique à deux ondes, tel qu'il est poposé dans l'invention, ne constitue pas une limitation intrinsèque à sa capacité de détection. En l'absence de perturbations et sous réserve que les conditions de cohérence temporelle et de polarisation des ondes lumineuses soient respectées, les deux ondes interfèrent. En pratique une parfaite stabilité du montage ne peut pas être atteinte, en raison notamment de facteurs thermiques ou mécaniques, si bien qu'une fluctuation du signal interférométrique de sortie est prévue. Cette fluctuation se traduit par l'obtention d'un signal oscillant de manière pseudo aléatoire entre deux valeurs définissant les valeurs minimales et maximales de la visibilité interférométrique. La ou les deux fibres optiques constituant la partie sensible du système sont logées dans un (même) élément protecteur de taille réduite sur toute leur longueur. Lorsque deux fibres optiques sont utilisées pour la détection, leurs longueurs doivent être sensiblement égales ou leur différence de longueur doit pouvoir être aisément contrôlée pour garantir l'établissement du phénomène d'interférence nécessaire à la détection. Suivant le mode de détection proposé dans l'invention, la ou les fibres optiques qui constituent la partie sensible du détecteur sont intégrées dans l'élément physique constituant la barrière périmétrique (par exemple concertina ou une grille détectrice). A titre d'exemple et de manière non limitative, des modes de mise en oeuvre du dispositif sensible consistent à intégrer les deux fibres (2) dans un tube (1), laissant les fibres libres dans le tube (figure 3a) ; ou encore de les intégrer dans un jonc composite suivant un montage serré (figure 3b) ou serai libre (une fibre noyée et une fibre libre dans un évidemment (4)) (figure 3c). Quel que soit le mode de conditionnement retenu, qu'il soit à une ou deux fibres, les montages en configuration Michelson et/ou Mach-Zehnder peuvent être utilisés et font tous deux partie intégrante de l'invention. L'un ou l'autre des montages et/ou le choix de disposer une ou deux fibres sensibles dans le conditionnement de protection sont faits par l'inventeur en fonction du système de détection à installer, somme suit: montage Michelson à deux fibres sensibles, - montage Michelson à une fibre sensible et une bobine compensatrice de référence, montage Mach-Zehnder à deux fibres sensibles, montage Mach- Zehnder à une fibre sensible et une bobine compensatrice de référence. La différence entre une perturbation normale due par exemple à l'environnement et un événement perturbateur anormal est donnée par la différence de signature interférométrique, à savoir l'évolution dans le temps des paramètres fréquence/amplitude de la réponse interférométrique. Les variations de phases entre les deux ondes interférentes sont dues aux variations conjointes des paramètres optogéométriques des fibres optiques: la longueur et l'indice de réfraction. Ces deux paramètres présentent des sensibilités intrinsèques aux contraintes et aux déformations d'origines mécanique et/ou thermique. En conséquence, le système inventé permet de détecter: une déformation mécanique (élongation, compression, torsion, flexion, chocs notamment) appliquée sur tout ou partie de l'élément sensible, - une variation thermique brutale appliquée sur tout ou partie de l'élément sensible. Sur le plan industriel, le système de détection est applicable à de nombreux domaines, parmi lesquels: protection de types périmétriques et dérivés pour sites sensibles: * concertinas, * câbles "à chocs" sur clôtures linéaires ou en panneaux notamment, protection, contrôle, surveillance d'éléments de structures: * fixation et/ou collage sur des éléments de structures existantes (poutres, panneaux,...) de tout type (béton, composite, métal, plastique, bois notamment), * intégration d'éléments sensibles dans des éléments de structures de type béton ou composite lors de la fabrication, - surveillance de sites naturels: * filets détecteurs (intrusion, éboulements notamment) Selon le mode de conditionnement des éléments sensibles choisi, le système peut être utilisé en configuration aérienne, enterré ou sous marine. La nature du milieu environnant n'est pas un facteur limitant dès lors que la protection des éléments sensibles est correctement dimensionnée (étanchéité, résistance aux agressions chimiques). Par rapports aux systèmes existants, l'invention présente le gros avantage de ne comporter aucun conducteur métallique sur l'intégralité de sa partie sensible et sur l'intégralité des moyens de couplage et de déport des informations. La nature diélectrique des fibres optiques confère au système de détection une parfaite isolation galvanique et une parfaite compatibilité électromagnétique. La discrétion du système est par conséquent très élevée; il est indétectable par les moyens conventionnels de détection d'éléments conducteurs et peut être utilisé dans des milieux hostile et/ou fortement perturbés par des champs magnétiques et/ou électrique intenses. Le conditionnement protecteur pouvant être également diélectrique, le système de détection peut présenter une discrétion quasiment absolue. La centrale optoélectronique (émission, réception et traitement) peut être largement déportée de la partie sensible du système. En effet, par construction les fibres de liaison entre la source et le couplage d'entrée de l'interféromètre et la sortie de l'interféromètre et le récepteur sont insensibles aux perturbations dites normales et anormales. La très faible atténuation du signal dans les fibres optiques autorise des déports de plusieurs centaines de mètres, voire de plusieurs kilomètres. Le système est rendu fiable par les dispositifs suivants: parfaite isolation galvanique et CEM intrinsèque, détection de signaux de déphasage indépendants, au premier ordre, des variations éventuelles de la puissance optique émise par la source, détection non ambiguë de l'absence de puissance optique (panne de la source). Le signal "zéro" 25 correspond soit à une panne de la source, soit par la rupture physique de l'élément sensible ce qui se traduit immédiatement par le déclenchement d'une alerte. REVENDICATIONS 1. Système de détection interférométrique à fibre optique caractérisé par: une source optique présentant un degré de cohérence temporelle suffisant pour garantir l'obtention d'interférences contrastées entre deux ondes monomodes guidées présentant une différence de marche de quelques dizaines de centimètres à quelques mètres; des fibres optiques monomodes à la longueur d'onde émise par la source et les moyens de couplages nécessaires pour réaliser avec ces fibres et ces moyens de couplage un interféromètre à fibre optique de type Michelson et/ou Mach- Zehnder; un moyen de détection du signal interférométrique et une unité de traitement du signal permettant de générer un ensemble de signaux d'alerte et/ou d'alarme en cas de variations du signal interférométrique présentant une signature significativement différente de la signature établie préalablement ou par apprentissage comme représentative des fluctuations de signal dites normales. On entendra par apprentissage l'exploitation d'une bibliothèque de signatures typiques établie préalablement de manière expérimentale, ou une prévision théorique en fonctions d'équations mathématiques décrivant le phénomène. 2. Système de détection selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la partie sensible du système peut prendre différentes formes: - les deux fibres optiques constituant les bras des montages interférométriques de base (Michelson et/ou Mach-Zehnder) sont conditionnées dans le même élément protecteur; - une seule des deux fibres constituant les bras des montages interféromètriques de base (Michelson et/ou Mach-Zehnder) est conditionnée dans le même élément protecteur; 3. Système de détection selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la ou les fibres optiques sensibles sont conditionnées dans un ou plusieurs éléments protecteurs dont la nature, la forme et les dimensions transverses peuvent varier en fonction du cahier des charges techniques précisant le niveau de performance attendu du système. 4. Système de détection selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la ou les fibres sensibles sont libres dans l'élément protecteur. 5. Système de détection selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la ou les fibres sensibles sont incluses (serrées, enrobées, noyées notamment) dans l'élément protecteur; 6. Système de détection selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lorsque les deux fibres sensibles sont conditionnées dans un élément protecteur, une fibre est incluse (serrées, enrobées, noyées notamment) dans l'élément protecteur et une fibre est libre dans ce même élément protecteur. 7. Système de détection selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les fibres optiques sont des fibres optiques monomodes à conservation de polarisation linéaire; 8. Système de détection selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que, par construction la différence de longueur entre les deux fibres constituant les bras de l'interféromètre reste strictement inférieure à la longueur de cohérence de l'onde lumineuse produite par la source optique.