Brevet FR3034190A1 — publié le 20160930

CAPTEUR À FIBRE OPTIQUE DISTRIBUÉ D'ÉTAT DE CONTRAINTE Le domaine de l'invention est celui des capteurs à fibre optique. 5 Plus précisément, il concerne des capteurs aptes à détecter une perturbation à proximité de la fibre, permettant de localiser cette perturbation le long de la fibre en environnement bruité. Les capteurs à fibre optique offrent des avantages considérables en matière de détection acoustique et de mesure de température. Ils 10 permettent une interrogation longue distance (avec ou sans déport) et peuvent atteindre de très grandes sensibilités (capteurs répartis) ainsi qu'une résolution spatiale élevée (capteurs distribués). La détection acoustique sous-marine présente un intérêt stratégique majeur pour les applications militaires (surveillance des côtes, 15 détection/identification des sous-marins et bâtiments de surface) et civiles (biologie sous-marine, surveillance de structures offshore, études sismiques). Les réseaux de capteurs à fibre optique répartis sont particulièrement adaptés à ces besoins. Ils sont basés sur une ou plusieurs fibres optiques comprenant plusieurs zones sensibles de quelques 20 centimètres de longueur espacées qui constituent un réseau spatial de capteurs. Ces capteurs peuvent être multiplexés en longueur d'onde et/ou en temps. Les plus sensibles sont basés sur des réseaux de Bragg actifs (lasers DFB) ou passifs, couplés à un transducteur mécanique permettant de transformer la déformation due à l'onde de pression en une élongation 25 longitudinale amplifiée et controlée de la fibre optique. Ces derniers permettent d'atteindre des sensibilités inférieures au picostrain i.e. capables de détecter des variations relatives de la longueur de fibre de AL / L de l'ordre de 10-12. Ces dernières années, la surveillance d'ouvrages (bâtiments, 30 ponts, oléoducs et gazoducs...) a fait naître de nouveaux besoins, notamment une interrogation très longue distance (>50 km) avec des résolutions spatiales de quelques mètres à quelques centimètres. A cette fin, les capteurs à fibres optiques distribués offrent de grands avantages. Ils se réfèrent à l'ensemble des capteurs à fibres optiques pour lesquels la partie 35 sensible est composée de toute la fibre optique monomode ou multimode. 3034 190 2 Un réseau spatial de « capteurs virtuels » le long de la fibre peut être reconstitué par traitement du signal optique. Le pas de ce réseau est déterminé par les caractéristiques du traitement du signal et présente donc l'avantage de pouvoir être ajustable electroniquement. La longueur du tronçon de fibre sur laquelle la mesure est moyennée pour chaque capteur « virtuel » dépend de la résolution spatial associé au traitement optique du signal qui porte la perturbation induite par la grandeur à mesurer Les capteurs distribués s'appuient sur les processus de diffusions élastique et inélastique dans les fibres optiques. Les systèmes les plus répandus utilisent le principe de réflectométrie optique dans le domaine temporel (OTDR). Les premiers systèmes consistaient en l'analyse de la rétrodiffusion Rayleigh d'une source optique large-bande comme décrit dans l'article de Farries, M.C.; Fermann, M.E.; Poole, S.B.; Townsend, J.E. « Distributed Temperature Sensor Using Holmium 3+ Doped Fiber ». In Proceedings of OFC, Reno, NV, USA, 19 January 1987. D'autres approches basées sur le même principe ont vu le jour ces dernières années. Parmi celles-ci, on peut noter le principe de réflectométrie optique sensible à la phase (phase-OTDR) comme décrit dans l'article de Qin, Z.; Chen L.; Bao, X. « Wavelet denoising method for improving detection performance of distributed vibration sensor». IEEE Photonics Technol. Lett. 2012, 24, 542-544, ainsi qu'une méthode pulsée hétérodyne décrite dans l'article de M.D. Mermelstein, A. Tveten, C.K. Kirkendall, and A. Dandridge, "Double-Pulse Heterodyne Rayleigh Backscattering in an Acoustically Driven Single-Mode Optical Fiber," NRL- FR-9932, 1999. Par ailleurs, les architectures utilisant le principe de la diffusion Brillouin ont été très étudiées. Dans ce cas, c'est le décalage de la fréquence Brillouin, sensible à l'élongation longitudinale de la fibre optique (0.056 MHz/p-strain) ainsi qu'à la température (1.26 MHz/°C), qui est mesuré. La configuration la plus simple utilise le principe de diffusion Brillouin spontanée (B-OTDR) comme décrit dans l'article de Horiguchi T, Shimizu K, Kurashima T, Tateda M, Koyamada Y., "Development of a distributed sensing Technique using Brillouin scattering" Journal of Lightwave Technology, 1995, 13(7): 1296-1302. Elle consiste en l'injection d'une impulsion pompe dans une fibre optique. Le décalage fréquentiel de l'onde Stokes rétrodiffusée, 3034190 3 mesuré à l'aide d'une détection hétérodyne, permet la conversion en une élongation ou température, et la mesure du temps de vol permet la localisation. D'autres approches utilisent le principe de diffusion Brillouin 5 stimulée (B-OTDA), comme décrit dans les articles de Horiguchi T, Kurashima T, Tateda M., "A technique to measure distributed strain in optical fibers" IEEE Photonics Technology Letters, 1990, 2(5): 352-354, ou de Nikles M, Thevenaz L, Robert P A. « Simple distributed fiber sensor based on Brillouin gain spectrum analysis ». Optics Letters, 1996, 21 (10): 758-760. 10 Elles nécessitent alors l'emploi de deux ondes optiques contra-propagatrices pompe et sonde. Dans certaines conditions d'accord de phase, leur interaction génère un réseau acoustique diffractant les photons de l'onde pompe vers l'onde sonde. L'ensemble de ces approches temporelles peut être transposé au 15 domaine fréquentiel. Dans ce cas, on parle de réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel (OFDR). Dernièrement, une méthode originale a été proposée par Hotate et. al. consistant à moduler les deux signaux pompe et sonde afin de générer des fenêtres d'amplification dont la position et la largeur sont contrôlables via les paramètres de modulation, comme décrit 20 dans l'article de Hotate, K.; Hasegawa, T. "Measurement of Brillouin gain spectrum distribution along an optical fiber with a high spatial resolution using a correlation-based technique-Proposai, experiment and simulation," IEICE Trans. Electron. 2000, E83-C, 405-411. Davies et al. proposent une architecture du type OTDR basée sur 25 l'utilisation d'une fibre optique multimode associée à un filtre spatial permettant de sélectionner le mode fondamental LP01 de la fibre optique comme décrit dans le brevet "Distributed vibration sensing system using multimode fiber," US 7,668,411 B2 (2010)1, mais sans tirer profit de l'information de phase contenue dans les modes d'ordres supérieurs. 30 En parallèle, l'holographie dynamique a été particulièrement étudiée dans les cristaux photo-réfractifs et décrite notamment dans l'article de Kamshilin, A. A., Romashko, R. V. and Kulchin, Y. N., "Adaptive interferometty with photorefractive crystal," J. Appl. Phys. 105, 031101 (2009). Une démonstration expérimentale de mesure de déphasage utilisant 35 une fibre optique multimode et un cristal de tellurure de cadmium (CdTe) a 3034190 4 été proposée dans l'article de Salvatore Di Girolamo, Alexei A. Kamshilin, Roman V. Romashko, Yuriy N. Kulchin, and Jean C. Launay, "Sensing of multimode-fiber strain by a dynamic photorefractive hologram," Opt. Lett. 32, 1821-1823 (2007), cependant, sans un filtrage efficace des perturbations 5 lentes car n'utilisant pas une valve optique à cristaux liquides comme milieu non-linéaire qui peut garantir la remise en phase et l'insensibilité aux perturbations lentes de l'environnement avec des intensités lumineuses de trois ordres de grandeur inférieures. De manière générale, une valve optique à cristaux liquides est 10 constituée d'une fine couche de cristal liquide nématique contenue entre un substrat photoconducteur et une fenêtre en verre sur lesquels sont déposées deux électrodes transparentes. Les cristaux liquides sont des molécules organiques anisotropes caractérisées par leur grande biréfringence. Dans leur phase nématique, ils sont en moyenne orientés selon une direction 15 préférentielle. Sous l'action d'un champ électrique (appliqué entre les deux électrodes), les molécules se réorientent et induisent un changement de l'indice optique extraordinaire. La modification de la conductivité du matériau (proportionnelle à l'intensité optique) induit une chute de tension à l'interface entre le photoconducteur et le cristal liquide conduisant à la réorientation des 20 molécules le constituant. Il s'en suit une modification de la biréfringence et par conséquent un déphasage optique. La valve optique peut donc être considérée comme un milieu à effet Kerr optique. Ce composant a principalement été étudié à des fins de limiteur optique pour les lasers de forte puissance et notamment décrit dans l'article de Salvatore Di Girolamo, 25 Alexei A. Kamshilin, Roman V. Romashko, Yuriy N. Kulchin, and Jean C. Launay, "Sensing of multimode-fiber strain by a dynamic photorefractive hologram," Opt. Lett. 32, 1821-1823 (2007). L'holographie adaptative dans une valve optique à cristaux liquides met en jeu le principe du mélange à deux ondes. Ce processus 30 supprime le piston de phase (déphasage uniforme du front d'onde, terme communément utilisé) de l'interféromètre. Par conséquent, la détection est linéaire sans nécessiter d'ajouter une boucle de rétroaction. Une première démonstration expérimentale, basée sur ce principe, a permis de démontrer un interféromètre dont l'intensité de sortie est très sensible à la différence de 35 phase entre les bras comme décrit dans l'article de Bortolozzo, U., Residori, 3034190 5 S. and Huignard, J. P., "Picometer detection by adaptive holographic interferometry in a liquid-ctystal light valve," Opt. Lett. 34, 2006-2008 (2009). Ce même principe a permis la réalisation d'un accéléromètre ultrasensible basé sur l'effet Sagnac et décrit dans l'article de Bortolozzo, U., 5 Rubin, J., Residori, S. and Huignard, J. P., "Sagnac interferometer with adaptive nonlinear detection," Opt. Lett. 36, 520 (2011). Dans ce contexte, la présente invention a pour objet un capteur distribué intégrant une fibre optique de préférence multimode et un interféromètre adaptatif comprenant une valve à cristaux liquides comme 10 milieu de recombinaison, permettant la détection de contraintes dynamiques faibles dans un environnement bruité, alors qu'actuellement les perturbations lentes de l'environnement imposent des contraintes sur les architectures de capteur utilisées et que la détection distribuée par fibre optique est généralement incompatible d'une grande sensibilité. 15 Le capteur de la présente invention utilise une fibre optique comme partie sensible associée à une détection par holographie adaptative dans une valve optique (permettant de filtrer les basses fréquences, correspondant au bruit dû à l'environnement) et intégrant une architecture d'interrogation compatible de capteur distribué. 20 Plus précisément la présente invention a pour objet un capteur à fibre optique distribué d'état de contrainte dynamique, ledit capteur comprenant : un ensemble optique comportant au moins un laser émettant à une longueur d'onde À, ledit ensemble optique étant configuré 25 pour générer une série d'impulsions optiques Io ; une fibre optique présentant une première extrémité et une seconde extrémité et de longueur optique L ; - un système optique configuré pour : o injecter par ladite première extrémité au moins ladite série 30 d'impulsions optiques lo ; o recevoir au niveau de ladite première extrémité au moins une série d'impulsions optiques de sortie, une impulsion optique de sortie Ipsi étant porteuse de l'intensité de réflexion desdites extrémités de la fibre et de l'intensité 35 rétrodiffusée le long de ladite fibre ; 3034190 6 o générer au moins un faisceau de référence continu Fr ou des impulsions optiques de référence Ipri à partir dudit ensemble optique ou desdites impulsions optiques de sortie !psi ; 5 o réaliser une série de zones d'interférences correspondant à l'interférence entre ledit faisceau de référence Fr ou une impulsion de référence Ipri et une impulsion optique signal Ipsis issue d'une impulsion optique de sortie 'psi ; - un détecteur holographique comprenant : 10 o une valve optique à cristal liquide LCLV comprenant une couche de cristal liquide disposée entre deux substrats, un des substrats comprenant un matériau photoconducteur pour ladite longueur d'onde d'émission À, ladite valve LCLV étant disposée de sorte qu'elle 15 recouvre au moins partiellement lesdites zones d'interférence, ladite valve étant configurée pour réaliser des hologrammes à partir desdites zones d'interférence ; o au moins un détecteur optique configuré pour détecter des signaux optiques de sortie diffractés par lesdits 20 hologrammes. Selon des variantes de l'invention, l'ensemble optique comprenant au moins un laser émettant à une longueur d'onde À, comporte des premiers moyens pouvant être un premier modulateur acousto-optique, pour générer des impulsions optiques. 25 Selon des variantes de l'invention, le capteur comporte au moins : - un circulateur positionné : o en sortie dudit ensemble optique comprenant au moins un laser émettant à une longueur d'onde À ; o en entrée de ladite fibre optique ; 30 o en entrée de ladite valve optique à cristal liquide LCLV ; un coupleur situé en sortie de ladite fibre pour créer deux voies optiques porteuses d'impulsions optiques de sortie ; - des moyens pour retarder lesdites impulsions de sortie de fibre 35 sur l'une desdites deux voies de manière à créer une voie 3034190 7 signal porteuse d'impulsions optiques signal et une voie de référence porteuse d'impulsions optiques de référence pour générer lesdites zones d'interférences sur ladite valve optique. Selon des variantes de l'invention, le capteur comporte en 5 outre des seconds moyens pouvant être un second modulateur acousto- optique, situés en sortie du circulateur et en entrée du coupleur permettant de sélectionner des portes de durée 2AL/c avec c la vitesse de la lumière dans le vide et AL/2 la longueur d'une zone sensible définie entre une position A et une position Bi au niveau de ladite fibre et référencée depuis 10 ladite première extrémité, pour ne laisser interférer que des ondes rétrodiffusées provenant d'une zone sensible de ladite fibre à la fois ; - les moyens pour retarder lesdites impulsions de sortie introduisant une longueur supplémentaire à parcourir AL ; - les impulsions sont séparées d'une durée tR , telle que tR > 2L/c 15 la durée desdites impulsions tp étant telle que tp >AL/c et tR 2L/c la durée desdites impulsions tp étant telle que tp >AL/c et tR AL/c. Cette configuration est illustrée en figures 3a et 3b. 25 Tous les tr, une nouvelle impulsion est envoyée de sorte que le réseau moyen ne s'efface pas avec tr > 2xL/c et tr REVENDICATIONS1. Capteur à fibre optique distribué d'état de contrainte 5 dynamique, ledit capteur comprenant : un ensemble optique comportant au moins un laser (SL1) émettant à une longueur d'onde À, ledit ensemble optique étant configuré pour générer une série d'impulsions optiques (lpi) ; une fibre optique (FO) présentant une première extrémité (Ex1) et 10 une seconde extrémité (Ex2) et de longueur optique L ; - un système optique configuré pour : o injecter par ladite première extrémité (Ex1) au moins ladite série d'impulsions optiques (lpi) ; o recevoir au niveau de ladite extrémité (Ex1) au moins une 15 série d'impulsions optiques de sortie, une impulsion optique de sortie (lpsi) étant porteuse de l'intensité de réflexion desdites extrémités de la fibre et de l'intensité rétrodiffusée le long de ladite fibre ; o générer au moins un faisceau de référence continu (Fr) ou 20 des impulsions optiques de référence (Io) à partir dudit ensemble optique ou desdites impulsions optique de sortie (lpsi) ; o réaliser une série de zones d'interférences correspondant à l'interférence entre ledit faisceau de référence (Fr) ou 25 une impulsion de référence (Io) et une impulsion optique signal (Ipsis) issue d'une impulsion optique de sortie (lpsi) ; - un détecteur holographique (HD) comprenant : o une valve optique à cristal liquide (LCLV) comprenant une couche de cristal liquide disposée entre deux 30 substrats, un des substrats comprenant un matériau photoconducteur pour ladite longueur d'onde d'émission (À), ladite valve (LCLV) étant disposée de sorte qu'elle recouvre au moins partiellement lesdites zones d'interférence, ladite valve étant configurée pour réaliser 35 des hologrammes à partir desdites zones d'interférence ; 3034190 23 o au moins un détecteur optique (PD) configuré pour détecter des signaux optiques de sortie diffractés par lesdits hologrammes. 2. Capteur à fibre optique distribué selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble optique comprenant au moins un laser émettant à une longueur d'onde À, comporte des premiers moyens pouvant être un premier modulateur acousto-optique (MAO1) pour générer des impulsions optiques. 3. Capteur à fibre optique distribué selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins : un circulateur (C) positionné : o en sortie dudit ensemble optique comprenant au moins un laser émettant à une longueur d'onde À ; o en entrée de ladite fibre optique (FO) ; o en entrée de ladite valve optique à cristal liquide (LCLV) ; un coupleur (CPL) situé en sortie de ladite fibre pour créer deux voies optiques porteuses d'impulsions optiques de sortie ; - des moyens (Dm) pour retarder lesdites impulsions de sortie de fibre sur l'une desdites deux voies de manière à créer une voie signal porteuse d'impulsions optiques signal et une voie de référence porteuse d'impulsions optiques de référence pour générer lesdites zones d'interférences sur ladite valve optique. 4. Capteur à fibre optique distribué selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre : - des seconds moyens pouvant être un second modulateur acousto-optique (MAO2) situé en sortie du circulateur (C) et en entrée du coupleur (CPL) permettant de sélectionner des portes de durée 20L/c avec c la vitesse de la lumière dans le vide et AL/2 la longueur d'une zone sensible définie entre une position A et une position Bi au niveau de ladite fibre et référencée depuis ladite première extrémité, pour ne laisser interférer que 3034190 24 des ondes rétrodiffusées provenant d'une zone sensible de ladite fibre à la fois ; - les moyens pour retarder lesdites impulsions de sortie introduisant une longueur supplémentaire à parcourir AL ; 5 - les impulsions étant séparées d'une durée tR, telle que tR > 2L/c, la durée desdites impulsions tp étant tp > AL/c et tR > t off avec toff, le temps de réponse des cristaux liquides. 5. Capteur à fibre optique distribué selon l'une des revendications 10 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre : - des seconds moyens pouvant être un second modulateur acousto-optique (MAO2), situés en sortie de ladite valve optique et placés en entrée dudit détecteur optique, permettant de sélectionner des portes de durée tR - (tp+AL/c) ; 15 les moyens pour retarder lesdites impulsions introduisant une longueur supplémentaire à parcourir de AL avec AL/2 la longueur d'une zone sensible définie entre une position A et une position Bi au niveau de ladite fibre et référencée depuis ladite première extrémité ; 20 les impulsions sont séparées d'une durée tR , telle que tR > 2L/c la durée desdites impulsions tp étant telle que tp >AL/c et tR 6. Capteur à fibre optique distribué selon l'une des revendications 30 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un ensemble laser dit d'écriture comprenant au moins un laser (SL2) émettant une série d'impulsions dites d'écriture à une fréquence de pompe wp et un faisceau laser émettant une série d'impulsions dites d'écriture à une fréquence signal Ws 35 différente de la fréquence wp ; 3034190 25 le système optique étant configuré : o pour injecter par ladite première extrémité (E,) lesdites séries d'impulsions d'écriture aux fréquences wp et ws, inscrivant au moins un élément de réseau Brillouin (RB;) 5 dans ladite fibre optique ; o pour injecter ladite série d'impulsions issues dudit ensemble optique comportant au moins un laser (SL1) émettant à une longueur d'onde As correspondant à un faisceau laser de lecture à ladite fréquence signal ws ; 10 o la position (Zr) de l'écriture dudit élément de réseau Brillouin étant référencée par rapport à la seconde extrémité (E2) de ladite fibre et étant réglée par le décalage temporel entre deux impulsions d'écriture aux fréquences wp et ws. 15 7. Capteur à fibre optique distribué selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'ensemble laser d'écriture comprend : - ledit laser (SL2) émettant un faisceau laser ; des moyens pour diviser ledit faisceau en deux voies ; 20 des moyens (Df) pour décaler la fréquence pompe wp vers une fréquence signal ws sur l'une des voies ; des moyens pour générer des impulsions sur les deux voies optiques décalées en fréquence pouvant être de type modulateurs acousto-optiques (MOA3, MAO4). 25 8. Capteur à fibre optique distribué selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit système optique est configuré pour que ledit faisceau de référence (Fr) ou lesdites impulsions de référence (Io) interfére(nt) en entrée de ladite valve optique à cristal liquide sans avoir été 30 injecté(es) dans ladite fibre optique avec lesdites impulsions optiques signal (Ipsis), issues desdites impulsions optiques injectées puis propagées dans ladite fibre. 9. Capteur à fibre optique distribué selon la revendication 7, 35 caractérisé en ce que ledit système optique est configuré pour que ledit 3034190 26 faisceau de référence (Fr) ou lesdites impulsions de référence (Ipri) interfère(nt) en entrée de ladite valve optique à cristal liquide en ayant été injecté(es) dans ladite fibre optique avec lesdites impulsions optiques signal (Ipsis), issues desdites impulsions optiques injectées puis propagées dans 5 ladite fibre. 10. Capteur à fibre optique distribué selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la seconde extrémité (E,(2) de la fibre comporte un traitement réfléchissant (M). 10 11. Capteur à fibre optique distribué selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite fibre est monomode. 12. Capteur à fibre optique distribué selon l'une des 15 revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite fibre est multimode. 13. Capteur à fibre optique distribué selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la longueur d'onde d'émission de l'ensemble optique est égale à 1,5 pm. 20