Nouvelle stratégie de mesure d'ondes acoustiques par capteur à fibre optique distribué

New strategy for measuring acoustic waves using fiber optic sensors

• Auteur / Autrice : Guillaume Arpison
• Direction : Éric Lacot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 19/11/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Jaouën
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Diane Rivet, Mehdi Alouini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Perchoux, Julien Fade

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de réflectance

Ondes sonores

Optique des fibres

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Capteurs à fibre optique

Capteurs acoustiques distribués

Réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel

Laser agile en fréquence

Post-Traitement numérique

Filtre de redressement

Fiber optic sensors

Distributed acoustic sensors

Optical frequency domain reflectometry

Frequency tunable laser

Digital post-Processing

Deskew filter

Résumé

Depuis plus de vingt ans, l’intérêt pour les capteurs acoustiques distribués (DAS) à base de fibre optique va croissant, porté par la perspective alléchante d’exploiter le réseau de télécommunication fibré préexistant en vue de répondre à de nombreuses applications (sismologie, surveillances de la santé d’ouvrages, voirie …). L’enjeu technologique majeur du domaine est la réalisation d’une mesure synchronisée et cohérente entre tous les capteurs virtuels isolés dans la même fibre. Cela doit permettre d’identifier et de classifier différentes perturbations dynamiques en fonction de leur signature vibratoire le long du câble. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la réalisation d’un interrogateur DAS capable d’adresser des applications acoustiques relativement hautes fréquences par rapport à l’état de l’art du domaine et présentant des résolutions spatiales bien meilleures (inférieures au mètre voire au centimètre).Pour ce faire, nous développons un système de réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel (OFDR) sensible à la phase. Cette technologie repose sur l’interférence entre une onde optique modulée rapidement, continument et linéairement en fréquence et cette même onde résultant de sa rétrodiffusion globale tout le long de la fibre. L’analyse du spectre radiofréquence obtenu en amplitude et en phase permet ensuite de remonter au signal vu par toutes les positions de la fibre. Résolutions spatiale et temporelle de la mesure sont toutes deux conditionnées par la qualité de la forme d’onde modulée qui doit être à priori la plus linéaire et la plus stable possible. Cependant nous montrons dans ce travail que la stabilité et la linéarité de la modulation en fréquence peuvent être gérées numériquement dans une certaine mesure. Notre système DAS combine trois briques technologiques principales : un laser de laboratoire état-solide, accordable hautement et avec très peu de non-linéarité intrinsèque (< 1%), un système interférométrique optoélectronique et un traitement numérique permettant à la fois la correction de la modulation de fréquence et l’obtention de signaux capteurs.Nous parvenons à une mesure DAS résolue spatialement et temporellement sur une fibre de plusieurs kilomètres où phase et fréquence de la contrainte sont détectées. Nous quantifions finalement un niveau de sensibilité de notre interrogateur et nous proposons une analyse comparée des performances de cet interrogateur pour différentes sources agiles en fréquence afin d’identifier les sources de bruit limitantes.

For more than two decades, there has been growing interest for distributed acoustic sensing (DAS) using fiber optics, driven by the tempting prospect of exploiting the preexisting telecommunication fiber network in order to meet numerous applications (seismology, structural health monitoring, roadway, etc.). The major technological issue of this field is the achievement of a coherent and synchronized measurement between each virtual sensors of a same fiber. This should allow to identify and to classify several dynamic perturbations according to their vibrational signature along the cable. In this thesis, we are interested in the built of a DAS interrogator that is capable of addressing relatively high frequency acoustic applications compared to the state of art of the domain and with better spatial resolutions (less than a meter or even a centimeter).To do this, we develop a phase-sensitive optical frequency domain reflectometry (OFDR) system. This technology is based on the interference between a rapidly, linearly and continuously modulated optical wave and this same wave resulting from its global backscattering along the fiber length. The analysis of the radiofrequency spectrum obtained in phase and amplitude then allows going back to the signal seen at all the sensor positions. Spatial and time resolutions of the measurement are both conditioned by the quality of the modulated waveform that must be a priori as linear and stable as possible. However, we show in this work that stability and linearity of the frequency modulation can be digitally managed to some extent. Our DAS system combines three main building blocks: a laboratory solid-state laser, highly accordable and with reduced intrinsic nonlinearity (< 1%), an optoelectronic interferometric system and a numerical processing allowing both the correction of the frequency modulation and the obtaining of the sensor signals.We achieved to a DAS measurement spatially and temporally resolved over a fiber length of several kilometers where phase and frequency of the disturbance are detected. We finally quantify a sensitivity level for our interrogator and we propose a compared analysis of these interrogator performances for different tunable laser sources in order to identify limiting noise sources.To do this, we develop a phase-sensitive optical frequency domain reflectometry (OFDR) system. This technology is based on the interference between a rapidly, linearly and continuously modulated optical wave and this same wave resulting from its global backscattering along the fiber length. The analysis of the radiofrequency spectrum obtained in phase and amplitude then allows going back to the signal seen at all the sensor positions. Spatial and time resolutions of the measurement are both conditioned by the quality of the modulated waveform that must be a priori as linear and stable as possible. However, we show in this work that stability and linearity of the frequency modulation can be digitally managed to some extent. Our DAS system combines three main building blocks: a laboratory solid-state laser, highly accordable and with reduced intrinsic nonlinearity (< 1%), an optoelectronic interferometric system and a numerical processing allowing both the correction of the frequency modulation and the obtaining of the sensor signals.We achieved to a DAS measurement spatially and temporally resolved over a fiber length of several kilometers where phase and frequency of the disturbance are detected. We finally quantify a sensitivity level for our interrogator and we propose a compared analysis of these interrogator performances for different tunable laser sources in order to identify limiting noise sources.