Réalisation du système de mesure réparti fondé sur la rétrodiffusion de Rayleigh et la réflectométrie fréquentielle (OFDR)

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Performances d’un OTDR

Nous allons maintenant nous intéresser à deux facteurs clefs : la ‘portée’, c’est-à-dire la distance maximale d’interrogation de la fibre sous test, et la résolution spatiale définissant la distance minimale permettant de discerner deux points de mesure consécutifs. Il est cependant impossible d’obtenir une mesure à très grande distance avec la meilleure résolution spatiale. Il est nécessaire d’effectuer un compromis entre ces deux caractéristiques (distance et résolution spatiale) de la mesure réflectométrique.
La portée (distance maximale) est définie par la dynamique de mesure et, donc, par le rapport signal/bruit : c’est la distance maximale à laquelle le niveau de rétrodiffusion de Rayleigh détectée est égal au rapport signal/bruit [30 Gold, 31 Aoyama].
La résolution de mesure z du système OTDR est déterminée par la largeur  des impulsions laser injectées dans la fibre [32 Belkin], par l’intermédiaire de la relation où : vg = c/n la vitesse de groupe dans le coeur de la fibre.
A son origine, les distances maximales atteignables par cette technique de mesure étaient de l’ordre d’une dizaine de kilomètres, avec une résolution spatiale de l’ordre de 100 m [31 Aoyama, 34 Kersey]. À ce jour, les performance se sont beaucoup améliorées, tant au niveau de la portée de mesure qu’au niveau de la résolution spatiale, même si bien entendu, certaines limites physiques restent incontournables. De fait, et même si certaines améliorations technologiques sont toujours à venir, on est relativement proche à ce jour des limites physiques de ce que pourra fournir un OTDR.
Le meilleur compromis atteint aujourd’hui pour la méthode OTDR est une portée d’environ 250 km pour une résolution proche de 100 m. L’augmentation de la dynamique d’un OTDR a été rendue possible grâce à l’utilisation de détecteurs à comptage de photons uniques, à supraconductivité. Ce type de détecteur permet d’augmenter le niveau du rapport signal sur bruit en réduisant le bruit, donc d’accroître la dynamique de l’instrument, et par conséquent la distance maximale mesurable [35 Zhao].
Le principal inconvénient de cette méthode est la durée, relativement longue, de sa mesure (quelques secondes pour de courtes portées, mais jusqu’à 40 minutes pour des portées ultimes), du fait qu’il est nécessaire d’accumuler l’information à partir du comptage de photons uniques. Un autre inconvénient de ces techniques révolutionnaires, et non des moindres, est le coût important des détecteurs. A contrario, un OTDR « de base », très compact et portable, est aujourd’hui très abordable (coût inférieur à 10 k€).
La résolution de mesures des OTDR a également été améliorée : elle a passé d’une centaine de mètres, à quelques mètres, puis pendant longtemps à un mètre, et enfin à une dizaine de centimètres de nos jours (dans le respect du nécessaire compromis résolution-portée).
De telles résolutions, si petites, sont devenues possibles grâce à la méthode dite de l’OTDR chaotique (chaos-OTDR) [36 Dong, 37 Y. Wang, 38 Z. Wang]. Dans cette méthode on injecte dans la fibre la lumière émise par une source laser continue qui présente des fluctuations aléatoires d’intensité. N.B. : il existe des sources laser pour lesquelles la fonction de corrélation de leur signal d’intensité (en fonction de temps) a l’allure de pic de Dirac (fonction δ).

La Réflectométrie fréquentielle

Principe de base de l’OFDR

Il existe deux types de réflectométrie fréquentielle : la méthode OFDR incohérente et la méthode OFDR cohérente.
Dans les méthodes d’OFDR incohérente, un signal continu (signal de test) est modulé en intensité par un modulateur dont la fréquence évolue périodiquement dans une certaine bande de manière discrète (step-frequency) [41 Nakayama] ou continue (balayage de fréquence) [42 Dolfi]. Ce signal modulé est injecté dans la fibre de test où il est réfléchi par les défauts de la fibre et par la rétrodiffusion de Rayleigh. On détecte le signal réfléchi en fonction de la fréquence du modulateur et on obtient la réponse de la fibre sous test dans le domaine fréquentiel. Puis, par une transformée de Fourier, on passe dans le domaine du temps de vol dans la fibre et, donc, dans le domaine des distances.
Un autre type d’OFDR a été développé sur le principe dit de la FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave). Le signal laser (idéalement d’amplitude constante) est balayé en fréquence et mixé avec le signal de test [43 MacDonald].
L’OFDR cohérent est un peu différent, en ce sens que l’on envoie dans la fibre une impulsion lumineuse modulée linéairement en fréquence. Cette méthode nécessite un laser accordable, sur une bande la plus large possible, exempte de sauts de modes. L’onde émise par le laser est divisée en signal de référence et un autre signal de mesure injecté dans la fibre sous test. Puis, les signaux sont mélangés dans un coupleur, et le signal d’interférence est détecté (Fig. 1.11).

Domaines d’applications de la réflectométrie OFDR

La méthode OFDR a de nombreuses applications possibles grâce en particulier au fait qu’elle offre une excellente (très petite) résolution spatiale, par comparaison à la réflectométrie temporelle (Cf. § 1.2.2.3). L’une de ses applications les plus courantes est la caractérisation des instruments optiques tout-fibre, à savoir des micro-réseaux formés de composants fibrés et de plusieurs modules (WDMs, modulateurs, etc.) [45 Wegmuller, 46 Weid]. Une autre application concerne la mesure du gain des amplificateurs optiques [47 Wegmuller, 48 Martins-Filho] car la méthode OFDR cohérente permet de filtrer le bruit d’émission spontanée et le signal résiduel de pompage grâce à la nature même de sa détection. Puisque la méthode OFDR est sensible aux états de polarisation il est donc également possible de mesurer la biréfringence des fibres monomodes [49 Huttner] ou des fibres à maintien de polarisation [50 Froggatt].
La méthode OFDR a également d’autres types d’applications qui concernent les mesures de température, déformations et d’autres paramètres physiques [27 Ferdinand, 34 Kersey, 109 Boldyreva, 110 Maurin, 113 Magne]. Précisons à nouveau que dans tous ces cas, le multiplexage inhérent à une méthode OFDR fournit uniquement l’information sur la distance parcourue dans la fibre optique (donc l’adresse des points de mesure), mais pas la mesure des paramètres physiques, dont la sensibilité reste liée aux caractéristiques internes de la fibre ; ce dont nous allons discuter dans le paragraphe 1.3.

Performance d’un OFDR

Comme nous l’avons fait précédemment pour la méthode OTDR, nous allons surtout nous intéresser dans la méthode OFDR à la distance maximale détectable (la portée), et à la résolution spatiale.
La résolution spatiale de la méthode OFDR est définie par les caractéristiques de la source laser utilisée, et dépend de la bande de balayage de sa fréquence comme suit : (1.6),
C’est pour cela que la méthode OFDR fournit une résolution centimétrique, voire même millimétrique, d’autant plus petite que l’excursion en fréquence de la source laser est grande.
L’un des points clef de l’OFDR concerne le fait que la source laser accordable soit rigoureusement sans sauts de modes, et offre une longueur de cohérence la plus grande possible, car cette dernière conditionne la distance maximale mesurable par la méthode [51 Tsuji]. En effet, pour que l’interférence des signaux de test et de référence puisse se produire, il est clairement requis que la distance maximale soit inférieure à une demi-longueur de cohérence de la source laser (une demi-longueur, car la lumière fait un aller-retour dans la fibre de test). Puis, si on prend également en compte le théorème de Shannon, qui indique que l’échantillonnage doit être supérieur au double de l’écart entre les fréquences minimale et maximale qu’il contient, il faudrait diviser cette distance encore par deux. La portée maximale possible devient donc : Lcoh/4.
Précisons que la portée, par exemple limitée à 100 m environ avec un laser accordable sur la bande C+L, est beaucoup plus petite que celle rendue possible par la méthode OTDR.
En fait, il est possible d’effectuer les mesures OFDR pour des distances allant au-delà de la longueur de cohérence du laser, mais uniquement pour la détection des événements induisant des réflexions de Fresnel (e.g. : détection de défauts ou de connecteurs) [51 Tsuji]. On ne parle plus dans ce cas d’un capteur ‘réparti’ mais distribué’.
Afin d’augmenter la portée de la méthode OFDR, l’emploi d’autres types de lasers a également été envisagé [52 Geng] : un laser à fibre optique dopé Er/Yb a ainsi permis d’augmenter la distance maximale jusqu’à 95 km. Par contre, la résolution était dans ce cas d’une dizaine de centimètres, ce qui dans l’absolu n’est pas très performant pour ce type de méthode, mais reste tout de même parfaitement respectable pour une telle distance !

Principaux types de mesures réalisables par fibre optique

Dans le paragraphe 1.2 nous avons abordé/présenté les différentes méthodes pour déterminer la distance parcourue par la lumière en aller-retour dans la fibre. Ces méthodes permettent intrinsèquement de remonter à la distribution spatiale d’un paramètre physique donné le long de la fibre sous test, mais pas à la valeur de ce paramètre physique (sauf lorsqu’il s’agit des paramètres que l’on peut déterminer directement à partir de la trace caractéristique de la réflectométrie, telles les pertes). Dans ce qui suit, nous allons décrire les principes de mesure de divers paramètres physiques avec une fibre optique, illustrant ainsi ce que produisent ces paramètres sur la structure interne du guide. Une fois ceci établi, nous pourrons revenir à la méthode OFDR pour cette fois la mesure profilométrique de ces paramètres physiques. Mais avant cela, présentons sommairement la technique emblématique des capteurs distribués, à savoir les réseaux de Bragg. Comme nous le verrons, cette digression nous servira dans la suite pour mieux appréhender le principe de transduction à la base de notre sujet d’étude. 1.3.1 Capteurs distribués : réseaux de Bragg
Une famille désormais bien connue des Capteurs à Fibres Optiques concerne les capteurs distribués à réseaux de Bragg. Pour mémoire, chaque réseau de Bragg inscrit dans la fibre forme un transducteur sensible à température, aux déformations et d’une façon moindre à la pression hydrostatique [96 Ferdinand].
Ainsi, après avoir inscrit une chaîne des réseaux de Bragg dans le coeur d’une fibre optique, avec chacun un certain pas, on obtient une série des transducteurs ponctuels (réfléchissant chacun une longueur d’onde spécifique, proportionnelle au pas des franges d’interférences ayant servi à photo-inscrire la structure d’indice qui les caractérise) susceptibles de fournir un profil discret (échantillonné) d’un paramètre physique à mesurer (Fig. 1.15). Ce type de réseaux de capteurs multi-ponctuels est l’illustration de ce que l’on nomme les capteurs distribués.

Construction des capteurs aux réseaux de Bragg et exemples d’applications

Afin de pouvoir mesurer le profil (spatialement échantillonné) d’un paramètre physique avec des capteurs à base de réseaux de Bragg, il est nécessaire d’inscrire plusieurs de ces réseaux dans la même fibre. L’une des questions immédiates, en présence de plusieurs capteurs mis en réseau, concerne leur adresse, c’est-à-dire la manière de les distinguer. Comme nous l’avons mentionné plus en amont, du fait de leur nature spectrale, la bonne solution consiste à inscrire chaque réseau de Bragg avec une longueur d’onde de Bragg qui lui est propre, légèrement différente des précédents. Ainsi, connaissant à quelle distance on a inscrit tel réseau, d’où provient telle longueur d’onde réfléchie, on obtient le profil échantillonné du paramètre physique à mesurer (Fig. 1.20).
Ensuite, pour effectuer les mesures proprement dites, on injecte la lumière d’une source large-bande dans la fibre de mesure contenant lesdits réseaux. La lumière réfléchie par ces réseaux de Bragg passe par un système d’analyse spectrale, soit par exemple un filtre Fabry- Perot accordable, afin de déterminer les longueurs d’onde réfléchies [34 Kersey].
Cette méthode requiert une source large bande et le nombre de réseaux est alors limité par la largeur du spectre de la source et par l’espacement spectral entre les réseaux voisins. Ceci démontre qu’il n’est possible de placer qu’un nombre limité de réseaux dans une même fibre optique. Una alternative consiste à inscrire les réseaux de Bragg à la même longueur d’onde, puis à les interroger par réflectométrie temporelle OTDR [65 Crunelle] ou fréquentielle OFDR [66 Yuksel]. Mais là aussi, il y a des limitations. Ainsi, en OTDR, la séparation physique entre les réseaux ne sera guère inférieure à 2 m, compte tenu de la largeur métrique typique en résolution spatiale des OTDR, alors qu’avec l’analyse spectrale évoquée plus haut, les réseaux peuvent pratiquement se ‘toucher’ le long du coeur de la fibre, voire même se superposer dans certaines applications particulières. Finalement là aussi, le choix de la méthode d’interrogation sera lié à l’application visée.
Les applications des capteurs à réseaux de Bragg sont assez nombreuses. À titre illustratif, se trouvent ci-après quelques exemples d’applications.
Mesure de déformations :
Les fibres optiques peuvent être s’intégrer au sein de diverses structures et matériaux pour en suivre les déformations pendant leur utilisation, et mettre en évidence l’apparition de défauts [69 Dewynter-Marty].
L’une des applications de mesure de déformations avec les réseaux de Bragg a été réalisée pour des mesures de déplacement et de déflexion des ailes d’avions [70 Kang].
Un autre type d’application a été développé pour réaliser la mesure de la force de contact entre un pantographe et sa ligne caténaire [26 Laffont, 97, 98 Maurin]. La bande de contact du pantographe (agissant en tant que collecteur de courant), déformée par l’effort de contact, est ainsi instrumentée à l’aide de réseaux de Bragg. La mesure de la déformation peut alors s’utiliser pour caractériser et régler le pantographe pour ajuster la force de contact à sa valeur nominale.
L’une des difficultés d’utilisation des réseaux de Bragg est qu’ils sont sensibles à plusieurs paramètres physiques simultanément, c’est là la question de la sélectivité de la mesure.
Ainsi, dans le cas par exemple où on effectue des mesures de déformations dans un environnement dont la température change, le résultat en sera affecté, et contiendra des contributions non séparées deux effets appliqués : les variations combinées des déformations et de la température. Il est donc nécessaire de pouvoir séparer ces effets [71 Magne]. Ceci se fait généralement à l’aide d’un second réseau de Bragg isolé des déformations mais soumis à la même température que le premier, donc placé au plus près l’un de l’autre.
Mesures de température :
L’une des applications possibles de mesures de la température est la détection des fuites le long d’une conduite, d’un pipeline [72 Spirin]. Lorsqu’il y a une fuite la température ambiante est modifiée et produisent un effet sur les réseaux de Bragg.
Les réseaux de Bragg traditionnels photo-inscrits par méthode interférométrique sous UV ont cependant une limitation pour la mesures des hautes températures ils s’effacent progressivement à partir de 500°C. Cette limitation a été résolue avec le développement d’un nouveau type de réseau appelé réseau de Bragg régénéré [67 Zhang, 68 Laffont].

Capteurs à diffusion de Rayleigh

Tout au long de leur processus de fabrication (Cf. § ii), des défauts microscopiques se produisent dans la préforme et dans la fibre optique (provenant de la régulation des nombreux paramètres de fabrication, mais aussi des différents lots de matières premières), et restent définitivement figés dans la fibre. Une fibre optique étant par ailleurs principalement constituée de silice (matériau amorphe), la distribution non ordonnée des molécules dans le guide optique contribue elle aussi à la diffusion de Rayleigh.
Pour de nombreuses techniques, ce phénomène est considéré comme un bruit aléatoire dont on ne sait qu’en mesurer l’intensité, comme en télécom par mesure OTDR. Pourtant la diffusion de Rayleigh elle-même, tout en étant aléatoire en apparence, est néanmoins déterministe et peut donc servir de base pour la mesure de paramètres physiques. Puisque la diffusion de Rayleigh est liée aux défauts internes de la fibre (silice amorphe), son allure est particulièrement chaotique (elle ressemble beaucoup à du bruit) mais est parfaitement reproductible (Fig. 1.26) [83 Froggatt]. La distribution des molécules de silice dans la fibre étant figée une fois pour toutes, elle est donc caractéristique de chaque portion de fibre considérée, de même pour la rétrodiffusion de Rayleigh qui en résulte. Toute la réflexion intellectuelle qui suit trouve ici son fondement.

Le réflectomètre fréquentiel OBR (Optical Backscattering Reflectometer) de la société Luna

Des recherches visant à élaborer une méthode de mesure basée sur la diffusion de Rayleigh ont été effectuées depuis longtemps [87 Dakin]. Aujourd’hui il n’existe qu’une seule entreprise « Luna Innovations », qui a réussi non seulement à élaborer, mais aussi à concrétiser industriellement le concept scientifique de méthode OFDR Rayleigh. Cette société a, pendant une dizaine d’années, été soutenue par la NASA qui s’intéressait aux applications de surveillance des structures dans le cadre de son programme de navettes spatiales. Ce soutien massif et constant a permis à Luna d’aller jusqu’au bout pour aboutir in fine à des produis commercialisés.

Société « Luna Innovations »

« Luna Innovations Incorporated » est désormais une société de développement et de production de systèmes de mesure et de diagnostic dans les domaines de la médecine, des télécommunications, de l’énergie et de la défense. Elle est scindée en deux départements : Luna’s nanoWorks et Luna’s Technology.
Luna’s nanoWorks s’occupe du développement des systèmes de diagnostic médical à base de nanotechnologies. Luna’s Technology travaille (toujours) avec le gouvernement américain sur quatre axes principaux : les sciences pour la santé, la sécurité des systèmes d’information, les sciences des matériaux (développement de matériaux anticorrosifs, de matériaux hautes performances, etc.) et les capteurs (et types UltraSoniques et bien sûr les Capteurs à Fibres Optiques).
Au sein de Luna, le département spécialisé dans les produits à fibres optiques (tests de composants optiques, optique embarquée et capteurs répartis) porte le nom de Luna Technologies.
Comme souligné précédemment, Luna Technologies a commencé comme une compagnie indépendante effectuant la recherche dans le domaine de l’optique interférométrique pour la NASA. De nombreux projets scientifiques ont été ainsi subventionnés, permettant à la méthode Rayleigh OFDR d’être élaborée et mise en oeuvre : l’appareil correspondant a été baptisé « Optical Backscatter Reflectometer » (OBR). Aujourd’hui la société Luna reste le seul acteur maîtrisant les mesures de type Rayleigh OFDR et le seul fabricant d’appareils de mesures de ce type au niveau mondial.

Table des matières

Remerciements
Introduction
i Information générale sur les fibres optiques
i.1 Principes de fonctionnement de fibres optiques
i.2 Types de fibres optiques
i.3 Fibres optiques monomodes et multimodes
ii Fabrication des fibres optiques
iii Applications des fibres optiques
iii.1 Fibres optiques dans télécommunication
iii.2 Lasers à fibres optiques
iii.3 Capteurs à fibres optiques
1 Etat de l’art des Capteurs à Fibres Optiques
1.1 Fibre optique comme transducteur idéal pour la profilométrie
1.2 Les méthodes de mesure de distance parcourue dans la fibre
1.2.1 La Réflectométrie temporelle
1.2.2 La Réflectométrie fréquentielle
1.2.3 Bilan des méthodes OTDR et OFDR
1.3 Principaux types de mesures réalisables par fibre optique
1.4 Le réflectomètre fréquentiel OBR (Optical Backscatering Reflectometer) de la société Luna
1.4.1 Société « Luna Innovations »
1.4.2 Performances de l’appareil Luna OBR
1.5 Intérêt des travaux de la présente thèse
2 Analyse théorique
2.1 Rappel de structure de la fibre optique et diffusion de Rayleigh
2.2 Calcul théorique de la fluctuation de la permittivité diélectrique du coeur d’une fibre optique
2.2.1 Equation de propagation dans une fibre inhomogène
2.2.2 Solution de l’équation de propagation pour l’onde retro-réfléchie
2.2.3 Influence de la détection photonique et lien entre la fluctuation de la permittivité diélectrique et l’intensité photo-détectée
2.3 Méthode théorique des mesures des valeurs physiques
2.3.1 Méthode corrélationnelle
2.3.2 Méthode tensorielle
2.4 Montage OFDR expérimental
2.4.1 Description
2.5 Traitement des signaux reçus
2.5.1 L’interféromètre moniteur de phase MPh : Calcul de la phase du laser à balayage
2.5.2 L’interféromètre de mesures DUT : Calcul du déphasage et extraction des parties réelle et imaginaire de l’amplitude de la lumière laser injectée
2.5.3 Passage dans le domaine spatial et obtention de la courbe caractéristique de la réflectométrie fréquentielle
2.5.4 Calcul de la fluctuation de l’indice de réfraction et correction de la distance parcourue
2.5.5 Traitement de signal : méthode tensorielle
2.5.6 Traitement de signal : méthode corrélationnelle
2.5.7 Traitement de signal : L’algorithme
2.6 Conclusion de ce chapitre
3 Potentiel de mesure de l’appareil OBR 4600 Luna
3.1 Mesure des profils de température
3.2 Expérience de mesure en très haute température
3.2.1 Mesure de profile de température
3.2.2 Choix de la référence
3.2.3 Essais comparatifs avec différents types de fibres optiques
3.2.4 Conclusion
3.3 Mesure des profils de déformations
3.4 Conclusion de ce chapitre
4 Réalisation du système de mesure réparti fondé sur la rétrodiffusion de Rayleigh et la réflectométrie fréquentielle (OFDR)
4.1 Banc expérimental
4.2 Mise en oeuvre du traitement de signal
4.2.1 Signaux de test artificiels
4.2.2 Test de la méthode corrélationnelle
4.2.2.1 Détermination du décalage spectral dans l’espace réciproque
4.2.2.2 Signaux de test dans l’espace réel
4.2.2.3 Détermination de décalage spectral à partir des signaux de test dans l’espace réel
4.2.2.4 Transfert du résultat dans l’espace réel
4.2.2.5 Simulation des signaux de mesure bruités
4.2.2.6 Simulation des signaux de mesure dans l’espace réel
4.2.3 Test de méthode tensorielle
4.2.4 Test du traitement du signal avec les données brutes de l’appareil OBR
4.2.4.1 Rappel concernant la procédure de traitement des données
4.2.4.2 Résultats pour la courbe caractéristique d’OFDR
4.2.4.3 Résultats obtenus avec la méthode corrélationnelle
4.3 Conclusion de chapitre
5 Applications de la réflectométrie fréquentielles aux mesures à haute résolution spatiale
5.1 Détection innovante des fuites de sodium liquide en périphérie d’une conduite
5.1.1 Conception générale du système de détection de fuites
5.1.2 Maquette de détection des fuites
5.1.3 Expérience et résultats
5.1.4 Prototype industriel du système de détection de sodium liquide
5.1.5 Conclusion de cette expérience de détection de fuite de sodium liquide
5.2 Autres exemples et idées d’applications de la méthode Rayleigh OFDR
5.2.1 Détection des défauts de bouteilles de pression pour le stockage d’hydrogène
5.2.2 Mesure de compression locale sur tube équipé d’une fibre spiralée
5.2.3 Détection des cavernes de sol dans les tunnels ferroviaires
5.2.4 Mesures de rayons de courbure
5.2.5 Mesures de dose
5.2.6 Système de surveillance périmétrique
5.2.7 Mesure de pression, hydrophones et réseaux d’hydrophones
5.3 Conclusion et perspectives d’utilisation de la méthode Rayleigh OFDR
Conclusion
Bibliographie

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