CA3063048C - Dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif optoélectronique de mesure répartie par fibre optique, ledit dispositif comprenant une source de lumière (1) continue émettant un signal lumineux continu à une première fréquence v0, un modulateur acousto-optique (6) apte à transformer ledit signal continu en un signal impulsionnel destiné à être injecté dans une fibre optique (15) à tester et un module de photodétection (10) apte à détecter un signal de rétrodiffusion issu d'une rétrodiffusion Rayleigh et une rétrodiffusion Brillouin spontanée provenant de ladite fibre optique (15) à tester, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un premier coupleur (3) et un deuxième coupleur (9), ledit deuxième coupleur (9) étant apte à mélanger le signal de l'oscillateur local au signal de rétrodiffusion provenant de ladite fibre optique (15) à tester avant de le transmettre au module de photodétection (10), le signal de rétrodiffusion étant modulé au moins à une fréquence vrB égale à v0 - vbref + vA + vbAS, où vbAS est la fréquence (de rétrodiffusion) Brillouin anti-Stokes, et de façon préférée modulé également à une fréquence vrR égale à v0 + vA de rétrodiffusion Rayleigh pouvant être mesurée en tout point z de ladite fibre optique (15), et ledit module de photodétection (10) étant apte à transmettre le signal de rétrodiffusion reçu, à un module de traitement (12) apte à relier ladite fréquence Brillouin anti-Stokes vbAS à une valeur de température ou une valeur de déformation en tout point z de ladite fibre optique (15) à tester.

Description

1 DISPOSITIF OPTOELECTRONIQUE DE MESURE REPARTIE PAR FIBRE OPTIQUE [Domaine de !'invention] 5

[001] L'invention concerne un dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique. L'invention concerne plus precisement un dispositif optoelectronique apte a mesurer les parametres des spectres de retrodiffusion Brillouin et Rayleigh et pouvant comporter un moyen apte a separer la mesure repartie de temperature et la mesure repartie de deformation. 10

[002] De tels dispositifs peuvent etre utilises pour le controle permanent de l'integrite et de la securite des systemes et structures dans le genie civil ou l'industrie petroliere. [Art anterieur]

[003] Les dispositifs optoelectroniques de mesure repartie par fibre optique sont 15 generalement utilises pour mesurer, en temps reel, la temperature et les deformations des infrastructures de grandes tailles afin de surveiller leur sante structurelle et d'assurer leur maintenance. lls fournissent, a chaque mesure, les informations de temperature et de deformation en tout point de la fibre optique qui leur est raccordee.

Les mesures sont generalement realisees avec une portee de quelques metres a 20 plusieurs dizaines de kilometres et une resolution metrique voire centimetrique.

Ainsi, par exemple, une mesure peut etre realisee taus les metres sur un ouvrage d'une longueur de 20 kilometres.

[004] Des dispositifs optoelectroniques de mesure repartie par fibre optique exploitant le phenomene de retrodiffusion Brillouin sont deja con nus et utilises pour des 25 applications de mesures de temperature et de deformation dans le genie civil.

Ces systemes trouvent notamment un terrain privilegie pour la surveillance des ouvrages lineaires comme les pants, les barrages, les digues hydrauliques en terre ou les reseaux de transport de fluides (eau, hydrocarbures, gaz) afin de controler les mouvements de terrain (glissement, tassement) ou les deformations des conduites 30 enterrees ou non. 2

[005] Pour pouvoir analyser des variations d'intensite sur des dizaines de kilometres avec une resolution spatiale metrique, les systemes de mesure utilisent en general la reflectometrie optique temporelle OTDR (de l'acronyme anglais « Optical Time Domain Reflectometry » ). L'OTDR consiste a propager une impulsion lumineuse dans la fibre 5 optique a analyser et a mesurer l'intensite retour en fonction du temps.

Le temps que met la lumiere retrodiffusee a etre detectee permet de localiser l'evenement a mesurer (coordonnee d'un point z le long de la fibre optique).

La resolution spatiale est alors fonction de la largeur de !'impulsion lumineuse : une impulsion de largeur 10 ns entrainant par exemple une resolution d'environ 1 m.

Grace au phenomene de 10 retrodiffusion Brillouin combine a la technique de l'OTDR, on realise des mesures de temperature et de deformation reparties tout le long de la fibre, sur plusieurs dizaines de kilometres, avec une resolution metrique voire centimetrique.

[006] Les mesures le long de la fibre sont effectuees avec un dispositif tel que schematise sur la Figure 1.

Lalumiere issue d'une source lumineuse 1, tel qu'un laser, 15 est repartie dans deux bras. L'un des bras, appele « pompe », perm et d'envoyer le signal lumineux, sous forme impulsionnelle grace a un modulateur acousto-optique 6, dans la fibre optique 15 a tester.

Un signal est retrodiffuse par la fibre optique 15, selon le phenomene Brillouin.

Selan le phenomene Brillouin, les composantes spectrales de retrodiffusion de la lumiere par le materiau de constitution de la fibre optique, en general 20 de la silice, presentent une frequence vBz decalee de celle v0 de l'onde lumineuse incidente.

Le decalage frequentiel Brillouin est en general de l'ordre de 11 GHz pour une onde incidente de longueur d'onde Ao = 1550 nm.

Une telle frequence est tres elevee.

Pour pouvoir effectuer le traitement sur le signal retrodiffuse on peut transposer la frequence a une plus basse frequence pour reduire la bande passante du detecteur 25 a utiliser et ainsi eliminer une grande partie du bruit.

Pour cela on procede a une detection heterodyne consistant a recombiner le signal retrodiffuse a analyser avec une onde provenant de l'autre bras, appele « oscillateur local » 50.

Cet oscillateur local 50 peut par exemple se presenter sous la forme d'un laser en anneau Brillouin.

Dans ce cas, le signal lumineux continu de frequence vo est dirige vers un circulateur 51 qui le 30 dirige a son tour vers une fibre de reference.

Cette fibre de reference emet par diffusion spontanee amplifiee un rayonnement en sens inverse de frequence vo - vsret que le circulateur envoie vers un coupleur 52.

Ce dernier envoie une partie de l'energie vers le signal de sortie, tandis qu'il redirige l'autre partie vers la fibre de reference ou le 3 rayonnement est amplifie d'un facteur de gain G par diffusion Brillouin stimulee (spontanee amplifiee) avant d'etre redirige vers le circulateur 51 qui renvoie le rayonnement amplifie vers le coupleur 52 et la sortie. L'oscillateur local 50 forme alors un anneau d'amplification par diffusion Brillouin stimulee.

Un photo-detecteur 1 0 5 permet de recuperer le battement des deux signaux.

Le battement recupere est ensuite amplifie puis transmis a un analyseur 12 de spectre electrique.

Un tel dispositif optoelectronique de mesure repartie par diffusion Brillouin dans une fibre optique, utilisant une seule frequence laser pour generer une impulsion de lumiere, est plus particulierement decrit dans le document US 7 283 216.

Le document JP 201 0 217029 10 decrit un autre dispositif optoelectronique de mesure repartie par diffusion Brillouin utilisant une seule frequence laser pour generer une impulsion de lumiere.

Le dispositif vise, via une detection heterodyne, a reduire la largeur de bande de reception de lumiere de la lumiere de retrodiffusion Brillouin de fagon a reduire les coots et de faciliter le traitement de la lumiere retrodiffusee.

Pour cela le dispositif comporte une 15 fibre de reference similaire a la fibre test de fagon a mesurer une difference de frequence entre les lumieres de retrodiffusion de la ligne de reference et de la ligne a tester.

Neanmoins, un des inconvenients de ces dispositifs est qu'ils presentent de longues durees de mesures.

En effet, typiquement, la duree de mesure est superieure a 1 minute pour une fibre de 1 0 km. 20

[007] De plus, lors de la mesure de retrodiffusion Brillouin, les parametres de temperature et de deformation creent taus deux le meme phenomene physique dans la fibre optique (variation de la frequence de retrodiffusion Brillouin VB).

Ainsi, la frequence Brillouin VB, depend lineairement de la temperature et de la deformation dans le materiau.

Le decalage frequentiel l:ivB entre l'onde incidente et l'onde retrodiffusee 25 varie done avec les variations de temperature ti T et de deformation £ suivant !'equation : l:ivB = Crl:i T + CE£, ou Cr et CE sont respectivement les coefficients de sensibilite de temperature et de deformation propres a la fibre optique utilisee.

Ainsi, a l'heure actuelle ii est impossible de pouvoir differencier le parametre de temperature et celui de deformation sur une meme mesure de retrodiffusion Brillouin. 30

[008] Le seul moyen de palier a ce probleme avec ce type d'appareil est de fixer une des deux contraintes, soit en fixant mecaniquement la fibre optique pour pouvoir mesurer seulement de la temperature, soit en isolant thermiquement ou en faisant 4 !'approximation que la temperature est stable autour de la fibre optique dans le but de mesurer seulement de la deformation.

Ces methodes ne sont jamais efficaces a 100% et ii reste toujours une incertitude residuelle sur la mesure car ii est impossible de garantir qu'une fibre est protegee de toutes contraintes (par exemple frottement ou 5 ecrasement du tube) notamment lorsque le cable qui la contient n'est plus accessible.

[009] D'autres solutions ant ete proposees telle que la realisation de mesures reparties de temperature par diffusion Raman (Alahbabi, M. N., et al.

Optics Letters 30, no. 11 (June 1, 2005): 1276-78) et d'utiliser cette mesure pour soustraire l'effet de la temperature sur la frequence Brillouin afin de determiner la deformation.

Mais cela pose 10 souvent d'importantes difficultes de mise en muvre car les deux mesures ne sont pas realisees dans la meme fibre, et deux instruments distincts sont utilises.

Done, un alignement spatial parfait des mesures des deux instruments est necessaire. II existe en outre une forte complexite, une degradation de la precision notamment liee aux derives cumulatives des deux appareils et egalement un surcout associe a l'achat de 15 deux dispositifs et a l'ingenierie d'utilisation des deux mesures pour traduire les resultats en mesure simultanee de temperature et deformation (par exemple alignement des grilles de mesure, estimation des incertitudes, correction des derives).

Entin, de fagon generale, les systemes reposant sur deux mesures distinctes generent des resultats de qualite mediocre car generalement les erreurs liees aux deux mesures 20 se cumulent et ii existe une derive des fonctions de transferts de chaque mesure qui doit etre prise en compte dans !'incertitude sur les mesures a long terme. [001 0] Ainsi, ii existe egalement un besoin pour un dispositif capable en une seule mesure et a partir d'une seule fibre optique a tester de differencier le parametre de temperature et celui de deformation. [Probleme technique]

[0011] L'invention a done pour but de remedier aux inconvenients de l'art anterieur.

L'invention vise notamment a proposer un dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique, simple et peu encombrant et capable de produire une mesure 30 plus precise et rapide ne comportant pas ou peu de parasite sur les basses frequences.

Pour cela, le dispositif optoelectronique presente une nouvelle architecture permettant la generation d'un oscillateur local n'induisant pas ou peu de signaux parasites.

Une fibre de reference est incluse dans le bras « pompe » pour generer un signal de diffusion spontanee amplifiee permettant de s'affranchir de taus les controles prealables necessaires.

[0012] L'invention vise egalement a proposer un dispositif optoelectronique de mesure 5 repartie par fibre optique, capable en une seule mesure et a partir d'une seule fibre optique a tester, de differencier le parametre de temperature et celui de deformation.

Pour cela, le dispositif optoelectronique presente une nouvelle architecture permettant une mesure simultanee de la raie anti-Stokes de retrodiffusion Brillouin et de la retrodiffusion Rayleigh. 10

[0013] En outre, le dispositif propose selon !'invention permet de realiser des analyses beaucoup plus rapides que les dispositifs de l'art anterieur tout en comportant mains d'elements consommateurs d'energie que les systemes existants decrits dans l'art anterieur ce qui permet d'avoir un dispositif portable adapte a des interventions par un operateur a pieds ou a des mesures occasionnelles. [Breve description de !'invention]

[0014] A cet effet, le dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon !'invention, comprend une source de lumiere continue emettant un signal lumineux continu a une premiere frequence vo, un modulateur apte a imposer un 20 decalage de frequence d'au mains 100 MHz au signal continu et a le transformer en un signal impulsionnel destine a etre injecte dans une fibre optique a tester et un module de photo-detection apte a detecter un signal de retrodiffusion, provenant de la fibre optique 15 a tester, issu d'une retrodiffusion Brillouin spontanee amplifiee et/ou d'une retrodiffusion Rayleigh provenant de ladite fibre optique a tester, 25 ledit dispositif etant principalement caracterise en ce qu'il comprend en outre un premier coupleur et un deuxieme coupleur, ledit premier coupleur etant apte a diviser ledit signal lumineux continu en deux signaux de frequence identique repartis dans deux bras, - un premier bras reliant le premier coupleur a un bloc fibre de reference comportant 30 une fibre de reference, ledit bloc fibre de reference etant apte a emettre un autre 6 signal lumineux de frequence vo - Vbret, ou Vbret est la frequence Brillouin de la fibre de reference sans deformation et a une temperature de reference, - un second bras reliant le premier coupleur au deuxieme coupleur situe en amont du module de photo-detection et apte a transmettre au deuxieme coupleur un 5 signal lumineux continu a une frequence vo, constituant ainsi un oscillateur local, ledit deuxieme coupleur etant apte a coupler le signal de l'oscillateur local au signal de retrodiffusion provenant de ladite fibre optique a tester avant de le transmettre au module de photo-detection, le signal de retrodiffusion etant module a une frequence VrB egale a VO - Vbref + VA + 10 VbAs, ou VbAs est la frequence de retrodiffusion Brillouin anti-Stokes pouvant etre mesuree en tout point z de ladite fibre optique, et ledit module de photo-detection etant apte a transmettre le signal de retrodiffusion regu, a un module de traitement apte a relier la modulation du signal de retrodiffusion a une valeur de temperature et a une valeur de deformation en tout point z de ladite 15 fibre optique a tester.

[0015] Ainsi, le dispositif utilise permet de s'affranchir de taus les controles prealables necessaires lorsque l'on utilise un oscillateur local presentant une configuration de laser en anneau Brillouin.

En effet, dans la configuration selon !'invention, le signal retour emis par la fibre de reference est un signal de diffusion spontanee amplifiee (par 20 diffusion Stimulee), et non le produit d'une resonnance dans une cavite de type laser qui par consequent dependrait fortement de la longueur exacte de la cavite, difficile a maitriser en fonction de parametres d'influence comme la temperature.

[0016] En outre, cette nouvelle architecture comportant notamment la presence d'un bloc de reference positionne sur la ligne de pompe donne la possibilite a l'utilisateur de 25 mesurer la raie anti-Stokes de retrodiffusion Brillouin.

Une telle configuration permet d'ameliorer la qualite de mesure en ayant un signal dans l'oscillateur local sans parasite a basses frequences. II n'est done ensuite pas necessaire d'utiliser de filtre electrique basse frequence en sortie du module de photo-detection.

Entin, une telle configuration presente un moindre encombrement et une consommation electrique reduite.

En outre, 30 En outre, l'oscillateur local etant constitue uniquement du signal provenant directement du laser source, ii ne comporte aucun element pouvant alterer la qualite du signal. 7

[0017] Selan une autre caracteristique avantageuse du dispositif, ii peut comprendre en outre un troisieme coupleur et un quatrieme coupleur, le troisieme coupleur etant apte a diviser ledit signal lumineux continu provenant de la source lumineuse en deux signaux de frequence identique repartis dans deux bras, - un premier bras reliant le troisieme coupleur au premier coupleur et apte a transmettre au premier coupleur un signal lumineux continu a une frequence VO, - un second bras reliant le troisieme coupleur au quatrieme coupleur situe en amont du modulateur et apte a transmettre au quatrieme coupleur un signal 10 initial a une frequence vo, ledit quatrieme coupleur etant apte a coupler le signal initial vo au signal lumineux de frequence VO - Vbref, provenant du bloc de reference.

[0018] Cette caracteristique optionnelle basee notamment sur la presence d'une serie de coupleurs donne la possibilite a l'utilisateur de differencier, en une seule mesure et 15 sur une seule fibre a tester, le parametre de temperature et celui de deformation.

Elle permet une mesure simultanee de la raie anti-Stokes de retrodiffusion Brillouin et de la retrodiffusion Rayleigh et ce a partir d'une seule mesure, cette derniere etant toujours situee autour de la frequence vo+vA (.vA dans le domaine electrique) Cela est particulierement avantageux par rapport aux dispositifs de l'art anterieur qui 20 necessitent la mise en muvre de deux mesures, par exemple via !'utilisation de deux dispositifs de mesure (par exemple Brillouin et Raman).

[0019] Avantageusement, le dispositif presente un signal de retrodiffusion contenant le spectre de retrodiffusion Rayleigh a une frequence VrR egale a vo + VA et le spectre de retrodiffusion Brillouin a une frequence VrB egale a VO - Vbref + VA + VbAS.

De fagon 25 preferee, ii n'y a pas de recouvrement entre les deux spectres.

Cela permet notamment de pourvoir realiser une analyse distincte de !'influence de la temperature et de la deformation.

En outre, de fagon preferee, le module de photo-detection regoit un signal issu de la retrodiffusion de Rayleigh module a la frequence du modulateur acoustooptique VA et de la retrodiffusion de Brillouin module a la frequence VbAs - Vbret + VA sans 30 qu'il n'y ait de recouvrement entre les deux spectres.

[0020] Selan d'autres caracteristiques avantageuses du dispositif : 8 - la fibre de reference est positionne le meme bras optique que la fibre optique a tester.

La fibre de reference se trouvant sur le bras test, l'oscillateur local ne comporte plus aucun element pouvant alterer la qualite du signal lumineux qui s'y propage.

En effet, l'oscillateur local provient directement du laser source et va 5 directement au module de detection. II ya done bien une amelioration de la qualite de la mesure. - la fibre optique de reference du bloc fibre de reference presente une frequence Brillouin differente de celle de la fibre optique a tester. - la frequence Brillouin de la fibre optique de reference presente un ecart de frequence 10 avec la frequence Brillouin de la fibre optique a tester, compris entre 300 MHz et 1 GHz. - le second bras peut comporter un module d'hybridation de polarisation, ou un module de separation ( « beam splitter»), ou un brouilleur de polarisation disposes alors en amont des entrees d'un deuxieme coupleur.

De preference, le second bras 15 peut com porter un brouilleur de polarisation dispose alors en amont des entrees d'un deuxieme coupleur.

Ces elements permettent d'eliminer le bruit de polarisation entre le bras test et l'oscillateur local. le signal impulsionnel provenant du modulateur comporte au mains deux composantes : une composante impulsionnelle de frequence vp1 = vo - Vbret + VA, et 20 une composante impulsionnelle de frequence vp2 = vo + VA.

En particulier, le signal impulsionnel provenant du modulateur comporte deux composantes : une composante impulsionnelle de frequence vp1 = vo - Vbret + VA, et une composante impulsionnelle de frequence vp2 = vo + VA.

Cela engendre une difference notable de performance et de qualite de mesure par rapport aux dispositifs de l'art anterieur. 25 Un tel signal impulsionnel peut etre base sur le fait que l'oscillateur local provient directement du laser source et va directement au module de detection.

[0021] L'invention a egalement pour objet un procede de traitement numerique d'un signal par exemple issu d'un dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre 30 optique selon !'invention, ledit procede comprenant les etapes suivantes : 9 - numeriser un signal correspondant au battement entre un signal retrodiffuse issu d'une fibre optique a tester et un signal de reference, et detecte par un module de photo-detection, - decouper ledit signal numerise en une pluralite de trongons (T1 ...

Ti ... TN) par 5 application d'une fenetre temporelle glissante de type fenetre rectangulaire ou de Hamming, ou de Hann ou de Blackman-Harris, chaque trongon presentant une largeur egale a la largeur temporelle d'une impulsion du signal impulsionnel injecte dans la fibre optique a tester, la largeur de chaque trongon etant en outre centree autour d'une date t correspondant a un point de coordonnee z de ladite 10 fibre optique a tester, - calculer, par utilisation d'un algorithme de transformee de fourrier discrete, le spectre frequentiel de chaque trongon (T1 ...

Ti ... TN) dudit signal numerise; - repeter les trois premieres etapes et moyenner les spectres frequentiels obtenus pour chaque point z de ladite fibre optique a tester ; 15 - a partir des spectres frequentiels moyennes, determiner la variation des maxima de frequence de la retrodiffusion Brillouin, et/ou la variation de l'intensite totale de la retrodiffusion Brillouin et/ou la variation de l'intensite totale de la retrodiffusion Rayleigh, en fonction du temps aller et retour tz de retrodiffusion, - appliquer un coefficient de sensibilite a la temperature d'une part et un 20 coefficient de sensibilite a la deformation d'autre part, sur ladite ou lesdites variations determinees, afin d'obtenir un resultat en terme de mesure repartie en temperature et/ou un resultat en terme de mesure repartie en deformation.

[0022] Le procede selon !'invention porte sur un traitement numerique des signaux pouvant etre applique des la sortie d'un module de photo-detection.

Le traitement du 25 signal qui suit se fait numeriquement au niveau spectral et non directement sur le signal.

Ce traitement comprend notamment la realisation d'un decoupage du signal numerise en pluralite de trongons dont la largeur est egale a la largeur temporelle d'une impulsion du signal impulsionnel injecte dans la fibre optique a tester.

Ainsi, la duree d'une mesure est courte relativement a la duree de mesure des systemes de l'art 30 anterieur.

Typiquement la duree d'une mesure est de 1 a quelques secondes pour une fibre de 10 km.

[0023] Selan une autre caracteristique avantageuses du procede, ii peut comprendre la determination, a partir des spectres frequentiels moyennes, de la variation des maxima de frequence de la retrodiffusion Brillouin Anti-Stokes et la variation de l'intensite totale de la retrodiffusion Brillouin et la variation de l'intensite totale de la 5 retrodiffusion Rayleigh en fonction du temps aller et retour tz de retrodiffusion, ainsi que la determination du rapport d'intensite totale Rayleigh et d'intensite totale Brillouin en tout point (z) de la fibre.

Ce rapport correspondant au ratio de Landau Placzek.

[0024] Cette caracteristique optionnelle permet a l'utilisateur de differencier, en une seule mesure traitee, le parametre de temperature et celui de deformation.

Cela est 10 particulierement avantageux par rapport aux procedes de l'art anterieur qui necessitent la mise en muvre d'un traitement de signaux provenant d'au mains deux mesures.

[0025] En outre, dans le cadre du procede de traitement numerique selon !'invention, le signal numerise peut avantageusement presenter portion par portion au mains deux spectres correspondant au spectre de Brillouin VA +((VbAS (z) - Vbret) et au spectre de 15 Rayleigh VA.

[0026] De fagon preferee, le procede de traitement numerique selon !'invention peut egalement comprendre une sous etape de determination d'un rapport intensite totale Rayleigh sur intensite totale Brillouin en tout point de la fibre dans le but d'en determiner un ratio de Landau Placzek dependant du parametre de temperature. 20

[0027] D'autres avantages et caracteristiques de !'invention apparaitront a la lecture de la description suivante don nee a titre d'exemple illustratif et non limitatif, en reference aux Figures annexees qui representent : • La Figure 1, deja decrite, un schema d'un dispositif optoelectronique de mesure repartie par retrodiffusion Brillouin selon l'art anterieur, 25 • La Figure 2, un schema d'un dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon !'invention, les elements en pointilles etant des elements optionnels, • Les Figures 3A a 3C, des traces temporelles obtenues aux premieres etapes du procede de traitement numerique du signal numerise, et des spectres 30 frequentiels moyennes, interpretables, obtenus suite a la quatrieme etape du procede selon !'invention relatif a la portion T1 (trait plein) TN (trait pointilles), 11 • Les Figures 4A a 4B, la frequence Brillouin (4A) ainsi que le rapport Landau Placzek (4B) a deux temperatures differentes, obtenue a partir d'un ensemble de spectres de diffusion (Rayleigh et Brillouin) sur une fibre de longueur d'environ 150 m, 5 • Les Figures 5A a 5B, des mesures reparties de temperatures (5A) et de deformation (5B), obtenues sur une fibre de 150 metres avec le dispositif selon !'invention, a partir d'une seule mesure. [Description detaillee de !'invention] 10

[0028] On designe par fibre optique a tester (ou sous test) dans la suite, la fibre optique disposee le long d'un ouvrage a surveiller et qui permet de realiser une mesure repartie.

[0029] On entend par fibre optique de reference, une fibre optique pouvant avoir une frequence Brillouin differente, identique ou sensiblement identique de la frequence 15 Brillouin de la fibre test.

Cette fibre optique de reference est maintenue tout au long de la mesure sans deformation et a une temperature de reference.

Le terme fibre optique a frequence Brillouin differente designe une fibre optique dont la frequence Brillouin presente un ecart de frequence avec la frequence Brillouin de la fibre optique a tester, d'au mains 200 MHz et de fagon prefere un ecart d'au mains 300 MHz. 20

[0030] On entend par « une seule mesure », une serie d'impulsion permettant d'obtenir un spectre frequentiel moyenne.

[0031] On entend par duree d'une mesure, le temps necessaire au systeme pour afficher une mesure a la precision nominale en termes de deformation ou de temperature.

Cette duree inclut a la fois : 25 • le temps d'acquisition, • le temps de calcul du systeme (Transformees de Fourrier, moyennages ... )

[0032] Par sensiblement ou sensiblement identique, on entend au sens de !'invention une valeur variant de mains de 30 % par rapport a la valeur comparee, de preference de mains de 20 %, de fagon encore plus preferee de mains de 1 O %. 30

[0033] Par majorite, on entend au sens de !'invention au mains de 50 %. 12

[0034] La presente invention se rapporte d'une fagon generale aux dispositifs optoelectroniques de mesure repartie par fibre optique. L'invention concerne plus precisement une configuration optoelectronique du dispositif permettant d'augmenter sa precision, de diminuer sa consommation electrique, de reduire son encombrement, 5 de reduire la duree d'une mesure et de fournir une mesure repartie separee de la temperature et de la deformation.

[0035] La Figure 2 schematise plus particulierement la configuration d'un dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon !'invention.

Les memes references que sur la Figure 1 sont utilisees pour designer les memes elements.

Le 10 dispositif selon !'invention comprend egalement une source lumineuse 1 emettant un signal lumineux continu.

Cette source de lumiere 1 est avantageusement materialisee par un laser, de preference un laser DFB (de l'acronyme anglais « Distributed Feedback»), utilisant un reseau de Bragg.

La longueur d'onde d'emission Ao est de preference egale ou sensiblement egale a 1550 nm, a la frequence correspondante vo. 15 La raie de l'onde lumineuse emise est centree sur la longueur d'onde d'emission Ao et sa largeur est au plus de 1 MHz.

[0036] Avantageusement, la source de lumiere 1 est accordable en frequence et ii est possible de faire varier sa frequence de maniere continue a une vitesse d'au mains 1 GHz/sec sur un intervalle d'au mains 125 GHz.

De fagon plus preferee, la source de 20 lumiere 1 est apte a emettre un rayonnement laser continu a une frequence optique vo pouvant etre variee, sur la duree de !'ensemble des acquisitions, suivant une rampe continue de 250 GHz au mains.

Cette modulation de frequence doit etre continue et non par pas de frequence et permet ainsi de diminuer les effets d'interferences intraimpulsion et done le bruit.

Cette caracteristique est particulierement importante 25 lorsqu'un suivi de la retrodiffusion Rayleigh est souhaite.

[0037] La source de lumiere 1, par exemple un laser, emet un signal lumineux continu moyennement puissant, typiquement de l'ordre de 20 mW, dans une fibre optique le reliant a un premier coupleur 3 ou au troisieme coupleur 2.

[0038] Le premier coupleur 3, recevant le signal lumineux via source de lumiere 1 30 ou via le premier bras 21 du troisieme coupleur 2, est apte a diviser ledit signal lumineux continu en deux signaux de frequence identique repartis dans deux bras. 13

[0039] Le premier bras 31 relie le premier coupleur 3 a un bloc fibre de reference 4 comportant une fibre de reference 42, ledit bloc fibre de reference 4 etant apte a emettre un autre signal lumineux de frequence vo - Vbret, ou Vbret est la frequence Brillouin de la fibre de reference 42, destine a etre transmise au modulateur 6 ou a etre 5 melange audit signal initial par un quatrieme coupleur 5.

Ainsi, le bloc de reference 4 permet de renvoyer !'information dans une bande de frequence plus basse ameliorant ainsi les performances du dispositif.

La fibre optique de reference 42 est conservee sans deformation et a une temperature de reference.

Le second bras 32 relit le premier coupleur 3 a un deuxieme coupleur 9 situe en aval du modulateur 6 et est apte a 10 transmettre au deuxieme coupleur 9 un signal lumineux continu a une frequence vo, constituant ainsi un oscillateur local.

De fagon plus particuliere, le second bras 32 relit le premier coupleur 3 a un deuxieme coupleur 9 situe en amont du module de photodetection 1 0 et de preference ii est positionne juste avant ledit module de photodetection 1 0. 15

[0040] Le premier coupleur 3 est apte a diriger suffisamment d'energie du signal lumineux vers le premier bras 31 de fagon a depasser le seuil de Diffusion Brillouin Stimulee (Stimulated Brillouin Scattering) et ainsi que, dans la fibre de reference 42, l'onde retrodiffusee soit decalee en frequence de -Vbref par rapport a l'onde optique.

De fagon avantageuse, le premier coupleur 3 est apte a diriger la majorite de l'energie du 20 signal lumineux vers le premier bras 31.

De preference, le premier coupleur 3 est apte a diriger plus de 70%, de fagon plus preferee plus de 80 %, de fagon encore plus preferee sensiblement 90 % de l'energie du signal lumineux vers le premier bras 31.

[0041] Le bloc de reference 4 comprend avantageusement un circulateur 41 qui dirige le signal lumineux continu incident, a la frequence vo, provenant du premier coupleur 25 3, dans une fibre optique 42 de reference.

Cette fibre optique de reference 42 peut etre identique a la fibre optique 15 a tester.

Avantageusement, la fibre de reference 42 n'est soumise a aucune deformation.

Elle est placee a une temperature de reference, en general comprise entre 18 et 25°C, de preference a une temperature de l'ordre de 20°c.

Cette fibre de reference 42 permet elle aussi d'emettre un signal par 30 retrodiffusion Brillouin en reponse au signal continu emanant de la source lumineuse 1, de sorte que le bloc de reference 4 permet de transformer la frequence incidente vo en une frequence Vbr = vo-VBref, OU VBref represente la frequence Brillouin de la fibre 14 optique 42 de reference, et qui se situe par exemple dans la meme gamme de frequence que la frequence VbAs issue du signal retrodiffuse par la fibre optique 15 a tester.

En outre, de fagon avantageuse, la fibre optique de reference 42 du bloc fibre de reference 4 presente une frequence Brillouin differente de celle de la fibre optique 5 15 a tester.

Par exemple, la fibre optique de reference 42 presente une frequence Brillouin decalee d'au mains 200 MHz, de preference d'au mains 300 MHz par rapport a la reponse Brillouin de la fibre a mesurer.

De preference, la frequence Brillouin de la fibre optique de reference 42 presente un ecart de frequence avec la frequence Brillouin de la fibre optique 15 a tester, compris entre 300 MHz et 1 GHz.

Ainsi, cela 10 permet d'eviter tout recouvrement spectral des spectres Rayleigh et Brillouin tout en limitant les exigences pour le traitement de signal ulterieur.

En effet, le module de photo-detection 1 0 situe en fin du montage optoelectronique regoit un signal issu de la retrodiffusion de Rayleigh qui se trouve module a la frequence du modulateur acoustooptique VA (par exemple 200 MHz) et de la retrodiffusion de Brillouin module a la 15 frequence (VbAs - Vbref + VA) sans qu'il n'y ait de recouvrement entre les deux spectres.

[0042] Une telle architecture permet de positionner la fibre de reference 42 sur le meme bras optique que la fibre optique 15 a tester.

Cela a pour avantage d'ameliorer la qualite de mesure en ayant un signal dans l'oscillateur local issu directement de la source et done sans parasites a basses frequences. II n'est done ensuite pas 20 necessaire d'utiliser de filtre electrique basse frequence en sortie du module de photodetection.

Cette configuration permet egalement de mesurer la raie anti-Stokes de la retrodiffusion Brillouin et, contrairement aux dispositifs de l'art anterieur, d'acceder a des mesures proches du DC (par exemple autour de 100 MHz) dans le domaine electrique ou ii n'etait jusqu'alors pas possible de faire des mesures fiables. 25

[0043] Le troisieme coupleur 2 permet de diviser le signal lumineux incident emis par la source lumineuse 1, en deux signaux de frequence identique repartis dans deux bras 21, 22 du dispositif.

[0044] Le premier bras 21 relie le troisieme coupleur 2 au premier coupleur 3 et le premier bras 21 est apte a transmettre au premier coupleur 3 un signal lumineux 30 continu a une frequence vo.

Le second bras 22 relie le troisieme coupleur 2 a un quatrieme coupleur 5 situe en amont du modulateur 6 et ce second bras 22 est apte a transmettre au quatrieme coupleur 5 un signal initial a une frequence vo.

[0045] De fagon avantageuse, le troisieme coupleur 2 est apte a diriger la majorite de l'energie du signal lumineux vers le premier bras 21.

De preference, le troisieme coupleur 2 est apte a diriger plus de 70%, de fagon plus preferee plus de 80 %, de fagon encore plus preferee sensiblement 90 % de l'energie du signal lumineux vers le 5 premier bras 21.

[0046] Comme cela a ete specifie, le quatrieme coupleur 5 est apte a melanger le signal initial vo provenant du second bras 22 du troisieme coupleur 2 au signal lumineux de frequence vo - Vbret provenant de la fibre de reference 42 et a les injecter dans le modulateur 6.

Les signaux issus de la fibre optique de reference 42 sont done 10 recombines au signal initial vo dans le quatrieme coupleur 5. A la sortie du quatrieme coupleur 5, on obtient un signal qui contient un signal a la frequence vo - Vbref provenant de la fibre optique de reference 42 et un signal a la meme frequence que le signal initial Vo.

[0047] Le modulateur 6 est apte a imposer un decalage de frequence d'au mains 100 15 Mhz au signal continu et a le transformer en un signal impulsionnel destine a etre injecte dans une fibre optique 15 a tester.

De fagon preferee, le modulateur 6 est un modulateur acousto-optique 6.

Le modulateur 6 peut etre associe a un ou plusieurs amplificateurs si necessaire pour donner du gain.

Le signal provenant du modulateur 6 comporte au mains deux composantes, 20 - une composante continue de frequence vo - Vbret, transformee en une composante impulsionnelle de frequence Vp1 = vo - Vbret + VA, et - une composante continue de frequence vo, transformee en une composante impulsionnelle de frequence Vp2 = vo + VA.

[0048] Le modulateur 6 est apte a generer un signal impulsionnel presentant une 25 frequence decalee par rapport a la frequence du signal lumineux continu.

Le decalage de frequence VA applique a ladite frequence decalee peut etre superieur OU egal a 100 MHz.

La frequence VA est la frequence propre au modulateur 6 et est generalement superieure OU egale a 100 MHz et inferieure OU egale a 1 GHz, de preference sensiblement egale a 200 MHz.

La largeur temporelle de !'impulsion ainsi generee peut 30 par exemple etre comprise entre 1 0 ns et 500 ns, de preference elle est sensiblement egale a 20 ns.

Le signal impulsionnel est alors dirige vers un circulateur 7 qui l'injecte 16 ensuite dans la fibre optique 15 a tester, sur laquelle doit etre effectuee la mesure repartie.

Au passage du signal impulsionnel, la fibre optique 15 emet en sens inverse un signal par retrodiffusion Brillouin spontanee 8. la frequence VF1 = VO - Vbref +VA+ VbAS(z); et vo - Vbret + VA - VbS(z) dans lequel VbAs est la frequence Brillouin anti-Stokes a mesurer 5 en tout point de coordonnee z le long de la fibre optique 15.

VbS(z) est la frequence Brillouin Stokes.

La fibre optique 15 emet egalement en sens inverse un signal par retrodiffusion de Rayleigh a la frequence VF2 = vo + VA.

[0049] Ces signaux retrodiffuses sont diriges, par le circulateur 7, vers le deuxieme coupleur 9 ou ils sont recombines avec un signal vo provenant de l'oscillateur local.

En 10 outre, avantageusement, le second bras 32 peut comporter un brouilleur de polarisation 8 dispose alors en amont des entrees d'un deuxieme coupleur 9.

Cela permet de diminuer les effets d'interferences dus a la polarisation entre le bras de l'oscillateur local et le bras de mesure 25, aussi appele bras « pompe », et situe entre le circulateur 7 et un deuxieme coupleur 9. 15

[0050] Le deuxieme coupleur 9 est apte a coupler le signal de l'oscillateur local au signal de retrodiffusion provenant de la fibre optique 15 a tester avant de le transmettre au module de photo-detection 10.

Le deuxieme coupleur 9 peut etre associe a des modules optionnels tels qu'a un module de separation (polarization beam splitter) ou d'hybridation de polarisation.

Le signal de retrodiffusion peut etre module au mains a 20 une frequence Brillouin VrB egale a VO - Vbref + VA + VbAS, OU VbAS est la frequence de retrodiffusion Brillouin anti-Stokes pouvant etre mesuree en tout point z de la fibre optique 15 a tester.

Cela donne la possibilite a l'utilisateur de mesurer la raie antiStokes de retrodiffusion Brillouin tout en profitant d'un oscillateur local sans parasite a basses frequences et ainsi permet d'ameliorer la qualite de la mesure. 25

[0051] Le signal de retrodiffusion provenant de la fibre optique 15 a tester peut egalement etre module a une frequence Rayleigh VrR egale a VO+ VA.

Cela est possible lorsque le dispositif selon !'invention comporte le troisieme coupleur 2 et quatrieme coupleur 5.

Ce deuxieme coupleur 9 permet alors a la retrodiffusion Rayleigh creee dans la fibre optique 15 a tester de se coupler avec la frequence de l'oscillateur local. 30 Ainsi, le dispositif selon !'invention permet egalement de mesurer le spectre de retrodiffusion Rayleigh.

De fagon preferee, le signal de retrodiffusion est module, ii 17 contient le spectre de retrodiffusion Rayleigh a une frequence VrR egale a vo + VA et le spectre de retrodiffusion Brillouin a une frequence VrB egale a VO - Vbref +VA+ VbAS.

[0052] Ce ou ces battements sont detectables electroniquement grace a !'utilisation d'un module de photo-detection 1 O positionne en a val du deuxieme coupleur 9 et ii 5 est apte a transmettre le signal de retrodiffusion regu a un module de traitement 12.

Le module de photo-detection 1 O comporte au mains un photo-detecteur.

De fagon avantageuse, le module de photo-detection 1 O presente une bande passante d'au mains 800 MHz, de preference d'au mains 1 GHz.

Le module de photo-detection 1 O situe en fin du montage optoelectronique est apte a recevoir un signal issu de la 10 retrodiffusion de Rayleigh module a la frequence du modulateur acousto-optique VA et de la retrodiffusion de Brillouin module a la frequence (VbAS - Vbref + VA).

Dans ces conditions, en sortie du module de photo-detection 1 O le signal electrique obtenu correspondant aux battements detectes 8. la frequence de VBatt1 = VA +(VbAS - VBret) correspondant a la retrodiffusion Brillouin et a la frequence de vsatt2 = VA correspondant 15 a la retrodiffusion Rayleigh.

Grace a !'architecture du dispositif selon !'invention, ces battements ant ete obtenus a partir d'une seule mesure et une seule fibre optique 15 a tester.

En outre, ces battements presentent une frequence plus faible que les signaux incidents du fait que la frequence vo issue de la source lumineuse 1 est eliminee.

Typiquement, un premier battement correspondant a Batt1 = VA +(VbAs - vsret) presente 20 une frequence superieure a 200 MHz, et de preference autour de 500 MHz, et un second battement correspondant a vsatt2 = VA presente une frequence par exemple sensiblement egale a 200 MHz, correspondant a l'ordre de grandeur de la frequence propre au modulateur 6.

En effet, VA - (vbs + vsret) est a environ 20 GHZ et done hors bande.

La configuration optique permet done d'augmenter le rendement du module de 25 photo-detection 1 Oen limitant la bande passante a mains de 2 GHz au lieu de 11 GHz, de preference a mains de 1 GHz, par exemple entre 400 MHz et 1 GHz.

[0053] Avantageusement, le dispositif selon !'invention peut ne pas comprendre de filtre electrique basse frequence en sortie du module de photo-detection 10.

En effet, comme specifie precedemment, le positionnement de la fibre de reference 42 sur le 30 meme bras optique que la fibre optique 15 a tester permet d'ameliorer la qualite de mesure en ayant un signal dans l'oscillateur local sans parasites a basses frequences.

En supprimant ces parasites a basses frequences, cette configuration donne en outre 18 acces a des informations non exploitables avec les configurations de l'art anterieur (e.g. < 100 MHz).

[0054] Le ou les signaux de battement obtenus peuvent etre alors numerises, au moyen d'un module convertisseur analogique - numerique 11.

Puis ils sont traites 5 par un module 12 de traitement numerique.

De fagon avantageuse, le module convertisseur analogique - numerique 11 presente une bande passante d'au mains 800 MHz, de preference d'au mains 1 GHz et une vitesse d'echantillonnage d'au mains 1 ,6 Gech/s, de preference d'au mains 2 Gech/s.

[0055] Le module de traitement 12 est configure pour relier ladite frequence Brillouin 10 anti-Stokes VbAs a une valeur de temperature et/ou a une valeur de deformation en tout point z de ladite fibre optique 15 a tester.

Ainsi, ii est apte a separer la mesure de temperature et la mesure de deformation afin d'obtenir, a partir d'une seule mesure, des valeurs distinctes de temperature et de deformation.

Ce dernier peut comporter une carte d'acquisition qui permet d'acquerir le signal genere par le module de photo- 15 detection 1 0 et done avoir une bande passante et une frequence d'echantillonnage en mesure d'analyser un signal correspondant a : VA+ VbAs - Vbref.

Ainsi, avantageusement, le module de traitement 12 est apte a mesurer un signal ayant une bande passante d'au mains 800 MHz, de preference d'au mains 1 GHz et une vitesse d'echantillonnage d'au mains 1 ,6 Gech/s, de preference d'au mains 2 Gech/s dans le but de detecter les 20 deux spectres simultanement (spectre Brillouin et spectre Rayleigh).

En outre, de fagon avantageuse, ii convient d'utiliser une carte d'acquisition avec une resolution elevee comme par exemple une resolution superieure ou egale a 1 0 bits.

Cela permet, considerant les faibles variations d'intensite du spectre retrodiffuse Brillouin en fonction de la temperature, d'atteindre une precision de l'ordre de 1 °C.

Les modules 25 convertisseur analogique - numerique 11 et de traitement 12 sont presentes de fagon distincte mais peuvent etre integres dans un seul et meme ensemble positionne directement apres le module de photo-detection 10.

[0056] Le module de traitement 12 est apte a decouper le signal numerise en une pluralite de trongons (T1 ...

Ti ... TN) par application d'une fenetre temporelle glissante 30 de type fenetre rectangulaire ou de Hamming, ou de Hann ou de Blackman-Harris, chaque trongon presentant une largeur egale a la largeur temporelle d'une impulsion du signal impulsionnel injecte dans la fibre optique 15 a tester, la largeur de chaque 19 trongon etant en outre centree autour d'une date t correspondant a un point de coordonnee z de ladite fibre optique 15 a tester.

[0057] De plus, le module 12 de traitement numerique utilise avantageusement un algorithme de transforme de fourrier discrete (de preference rapide), au moyen par 5 exemple d'un circuit integre logique connu sous l'acronyme anglais FPGA (pour « Field Programmable Gate Array»). II permet ainsi de calculer directement la frequence Brillouin, l'intensite totale de la retrodiffusion Brillouin et/ou l'intensite totale de la retrodiffusion Rayleigh en tout point de coordonnee z de la fibre optique 15 sous test.

Le module 12 de traitement numerique permet en outre de moyenner les spectres 10 obtenus dans le domaine frequentiel, pour chaque point z de ladite fibre, a l'issue de !'application de l'algorithme de transformee de fourrier discrete (de preference rapide), afin de determiner la mesure repartie de la variation frequentielle tout le long de ladite fibre optique 15 sous test. 15

[0058] Selan un autre aspect, !'invention porte sur un procede de traitement numerique d'un signal pouvant etre issu, de preference issu, d'un dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon !'invention.

Les differentes etapes du traitement numerique effectue sur le signal numerise, sont plus particulierement illustrees par les Figures 3 a 5 experimentales et explicatives qui 20 representent des traces temporelles ou spectrales obtenues a chaque etape du procede de traitement numerique du signal numerise, obtenu apres recombinaison des signaux retrodiffuses par la fibre optique sous test et par la fibre optique de reference.

[0059] Le procede de traitement selon !'invention comporte une premiere etape de numerisation d'un signal correspondant au battement entre un signal retrodiffuse 25 issu d'une fibre optique 15 a tester et un signal de reference, et detecte par un module de photo-detection 10.

La Figure 3A represente le signal numerise en sortie du convertisseur analogique - numerique 11.

De fagon preferee, le signal numerise ne provient que d'une seule mesure et le procede de traitement selon !'invention ne repose que sur une seule mesure realisee sur une fibre optique 15 a tester.

De fagon preferee, 30 le signal comporte un battement VA+ (VbAS - VBret) et un battement VA.

[0060] Une deuxieme etape du traitement numerique effectue par le module de traitement numerique 12, consiste a decouper le signal numerise en trom;ons.

La premiere etape consiste a decouper le signal numerise par trongons autour de la date t correspondant a la position z sur la fibre de largeur egale a la largeur temporelle de 5 !'impulsion.

Le decoupage en trongon est realise par exemple par application d'une fenetre temporelle glissante sur le signal.

De preference, le fenetrage est realise par une fenetre rectangulaire ou de Hamming ou de Hann ou de Blackman-Harris.

Le decoupage du signal numerise est represente sur la Figure 3B, un premier trongon a traiter etant repere par la reference T1 et le trongon N etant repere par la reference TN. 10 Chaque trongon presente avantageusement une largeur egale a la largeur temporelle d'une impulsion du signal impulsionnel injecte dans la fibre optique 5 a tester.

Chaque trongon T1 ...

Ti ... TN est en outre centre autour d'une date t1, ... ti ... tN correspondant a un point de coordonnee z de ladite fibre optique a tester.

Ainsi, pour une position de coordonnee z sur la fibre optique 15, z=2nc*t, avec c la celerite de la lumiere et n l'indice 15 optique de la fibre, et le temps tz correspond alors au temps aller-retour (z) d'une impulsion, decompte a partir du point de depart de !'impulsion jusqu'au point z de mesure. L'ecart entre deux points de mesure peut etre aussi petit qu'une unite d'echantillonnage (glissement d'un intervalle).

Cependant l'ecart entre deux mesures independantes (resolution spatiale) est considere comme egal a la largeur de 20 !'impulsion.

Ainsi, l'ecart entre deux points de mesure independants z(t1 ), z(t2) est egal a la largeur d'une impulsion.

[0061] De fagon preferee, le signal numerise presente portion par portion au mains deux spectres correspondant au spectre de Brillouin VA+(vsas(z) - vsret) et au spectre de Rayleigh VA.

Une troisieme etape du traitement numerique consiste ensuite a calculer 25 le spectre frequentiel de chaque trongon T1 ...

Ti ... TN dudit signal numerise, par !'utilisation d'un algorithme de Transformee de Fourrier Discrete OFT et de fagon preferee un algorithme de Transformee de Fourrier Rapide FFT.

Ainsi, pour chaque trongon T1 ...

Ti ... TN du signal numerise on obtient un spectre frequentiel.

[0062] Une quatrieme etape consiste a repeter les trois etapes de numerisation, 30 decoupage et calcul du spectre frequentiel, et a moyenner les resultats afin d'obtenir un spectre frequentiel moyenne, interpretable.

De preference, la quatrieme etape permet de generer un spectre frequentiel interpretable comportant un spectre Brillouin 21 et un spectre Rayleigh dont on peut determiner le maximum pour la mesure de frequence Brillouin, l'energie pour la mesure d'intensite Brillouin et l'energie pour la mesure de l'intensite Rayleigh. II s'agit de realiser la moyenne des courbes OFT (de fagon preferee FFT) pour reduire au maximum le bruit de fond.

On utilise par exemple 5 un algorithme d'ajustement Gaussien ou de Lorentz.

Deux spectres frequentiels moyennes interpretables sont illustres sur la Figure 3C correspondant au trongon T1 (trait plein) et au trongon TN (trait pointille) du signal decoupe de la Figure 3B.

Ces spectres frequentiels moyennes interpretables permettent d'obtenir la frequence des battements VA+(VbAS(z)- VBrer) et VA.

Et par exemple de determiner, pour le battement 10 VA+(VbAS(z)- VBrer), la position frequentielle des maxima du spectre Brillouin.

[0063] La cinquieme etape du traitement numerique consiste ensuite a determiner la variation des positions frequentielles des maxima du spectre Brillouin eVou de l'intensite totale des spectres Rayleigh et Brillouin, en fonction des coordonnees z des differents points de la fibre optique 15, et peut inclure une etape consistant a tracer un 15 ou plusieurs graphes de la mesure repartie de variation de maxima frequence ou d'intensite tout le long de la fibre optique 15 a tester.

De fagon preferee, la cinquieme etape du traitement numerique consiste a determiner les positions frequentielles des maxima du spectre Brillouin et l'intensite totale des spectres Rayleigh et Brillouin respectivement, en fonction des coordonnees z des differents points de la fibre optique 20 15.

Par exemple, la Figure 4A represente les positions frequentielles des maxima du spectre Brillouin en fonction des coordonnees z de la fibre optique 15 a tester dans deux conditions differentes : dans un environnement a temperature homogene (trait plein) et dans un environnement ou la fibre optique 15 est exposee a une source de chaleur (trait pointille).

Cette cinquieme etape peut egalement comprendre une sous 25 etape de determination du rapport d'intensite totale Rayleigh et d'intensite totale Brillouin en tout point (z) de la fibre dans le but d'en determiner le ratio de Landau Placzek dependant du parametre de temperature.

Les variations uniquement de temperature creees sur une fibre optique entrainent une augmentation ou une diminution de l'intensite de retrodiffusion Brillouin.

Cette intensite peut etre normalisee 30 grace a une mesure de retrodiffusion Rayleigh qui permet de donner une information sur les pertes lineaires de la fibre testee ainsi que les defauts de cette derniere pouvant engendrer des pertes optiques.

Cette normalisation passe par le calcul du ratio de Landau Placzek.

Par exemple, la Figure 4B represente le ratio de Landau Placzek en 22 fonction des coordonnees z de la fibre optique 15 a tester dans les deux conditions cidessus.

L'intensite du spectre de retrodiffusion Brillouin varie en fonction du parametre de temperature.

Cependant de maniere a obtenir une mesure representative de l'intensite Brillouin, ii convient de normaliser l'intensite de retrodiffusion Brillouin par 5 l'intensite de retrodiffusion Rayleigh (representative des pertes optiques dans une fibre).

De cette maniere seules les variations d'intensite sur le spectre retrodiffuse Brillouin dues seulement a la temperature sont mesurees.

La variation peut par exemple etre mesuree par rapport a des valeurs de positions frequentielles des maxima, et/ou d'intensite totale, obtenues lors d'une mesure anterieure.

Lesdites 10 valeurs etant fonction des coordonnees z des differents points de la fibre optique 15.

[0064] Entin, une derniere etape du traitement numerique consiste a appliquer le coefficient de sensibilite propre a la fibre optique 15 a tester aux variations de positions frequentielles et/ou aux variations d'intensites totales des spectres Rayleigh et Brillouin 15 determinees en amont.

Cela peut permettre d'obtenir deux resultats correspondant a une mesure repartie de deformation et a une mesure repartie de temperature.

Cela n'etait pas envisageable a partir d'une seule mesure avec les methodes de l'art anterieur puisque VBas(z) depend de ces deux parametres.

De plus, dans les procedes de l'art anterieur, ces mesures pouvaient etre obtenues par une analyse des spectres 20 Brillouin et Raman dont !'acquisition necessite deux dispositifs differents et done forcement deux mesures.

[0065] En particulier, la derniere etape du traitement numerique consiste a appliquer les coefficients de sensibilite, respectivement de temperature Cr et de deformation CE, propres a la fibre optique 15, pour obtenir un resultat respectivement en termes de 25 mesure repartie de temperature et de mesure repartie de deformation.

Les Figures 5A et 5B representent un graphe obtenu apres application des coefficients de sensibilite a la deformation et permettant d'obtenir respectivement la mesure repartie de deformation £ tout le long de la fibre optique et la mesure repartie de temperature T tout le long de la fibre optique.

Ainsi, sur le graphe de la figure 5A, on constate que la 30 fibre optique analysee n'est pas deformee alors qu'au regard de la figure 5B ii y a une variation periodique de la temperature correspondant bien a la presence d'une source de chaleur a proximite de la fibre optique 15 enroulee.

Le coefficient Cvb£ de sensibilite 23 a la deformation est typiquement de 0,05 MHz/ (μm/m)) et le coefficient de sensibilite a la temperature CvbT est typiquement 1 MHz/°C.

[0066] De fagon plus particuliere, ces mesures peuvent etre determinees en inversant le systeme lineaire (1 ). 5 Systeme lineaire (1) : [/),_vb] = [Cvb£ CvbT] x [OE] /),_Pb CPbc CPbT oT Avec CPb£ que l'on peut considerer nul par rapport a CPbT = 0.32 %/°C

[0067] L'invention permet une suppression de taus les composants electroniques 10 analogiques, excepte le module de photo-detection 1 0 et permet leur rem placement par un numeriseur 11 et un module de traitement numerique 12.

Ainsi, on s'affranchit des niveaux de bruit apportes par les composants actifs analogiques tels que les amplificateurs ou les oscillateurs par exemple.

De plus, le traitement du signal etant entierement numerique, les traitements sont mains consommateurs d'energie et le 15 dispositif presente un encombrement reduit, si bien qu'il peut etre embarque. II peut done avantageusement etre alimente en basse tension, typiquement en 12 ou 24 Volts, a partir d'une batterie.

Cette batterie peut en outre etre rechargeable, par un panneau solaire isole par exemple, dont le besoin de puissance est de l'ordre de 100 Watt continu.

En outre, le dispositif est apte a fonctionner en accedant a une seule extremite 20 de la fibre optique 15 a tester et comme cela a ete vu, ii est apte a mesurer de maniere separee la temperature et les deformations dans la fibre optique 15 a tester en une seule et unique mesure.

[0068] De plus le dispositif permet d'utiliser un module de calcul numerique permettant d'effectuer des traitements en parallele pour chaque trongon ce qui reduit le temps de 25 mesure a la duree d'acquisition, par exemple pour 10 km de fibre on pourra avoir 10000 acquisitions par seconde avec une frequence d'horloge du processeur de 10 kHz et ainsi obtenir 10000 moyennes.

Le module de calcul numerique comporte avantageusement processeur graphique de type GPU (Graphical Processing Unit) afin de deporter le calcul hautement parallelisable sur celui-ci.

Ainsi, le calcul est realise en 30 parallele de !'acquisition et la duree d'une mesure correspond au temps d'acquisition.

Ce temps d'acquisition est faible par rapport au temps d'acquisition des dispositifs de 24 l'art anterieur. A titre d'exemple, pour une fibre de 10km, avec une frequence d'horloge du processeur de 10 kHz, on realise 10000 acquisitions en une seconde ce qui permet d'avoir 10000 moyennes alors que dans l'etat de la technique la duree d'une mesure est superieure a une minute pour 1 0 km. 5

[0069] L'utilisation des mesures renvoyees par ce dispositif est consacree a !'optimisation de la maintenance d'ouvrages du domaine du genie-civil ou du petrole et gaz par exemple.

La continuite des mesures le long de la fibre optique garantie la detection d'un evenement qui ne l'aurait pas ete par un autre procede utilisant des mesures ponctuelles et localisees.

La detection precoce des desordres structuraux 10 dans des ouvrages permet une intervention avant une degradation plus importante. A !'inverse, !'absence de detection peut permettre de retarder les operations de maintenance systematique si elles ne sont pas necessaires.

Dans les deux cas, un tel dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique permet a un exploitant de realiser des economies significatives sur la maintenance des ouvrages de genie- 15 civil.

Claims (18)

1. REVEN DI CATIONS 1. Dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique, led it dispositif 5 comprenant une source de lumiere continue emettant un signal lumineux continu a une premiere frequence vo, un modulateur apte a imposer un decalage de frequence VA d'au moins 100 Mhz au signal continu et a le transformer en un signal impulsionnel destine a etre injecte dans une fibre optique a tester et un module de photo-detection apte a detecter un signal de retrodiffusion, provenant IO de la fibre optique a tester, issu d'une retrodiffusion Brillouin spontanee et/ou d'une retrodiffusion Rayleigh provenant de ladite fibre optique a tester, led it dispositif etant caracterise en ce qu'il comprend en outre un premier coupleur et un deuxieme coupleur, ledit premier coupleur etant apte a diviser ledit signal lumineux continu en deux signaux de frequence identique repartis dans deux 15 bras, - un premier bras reliant le premier coupleur a un bloc fibre de reference comportant une fibre de reference, ledit bloc fibre de reference etant apte a emettre un autre signal lumineux de frequence vo - Vbref, ou Vbref est la frequence Brillouin de la fibre de reference sans deformation et a une temperature de reference, - un second bras reliant le premier coupleur au deuxieme coupleur situe en amont du module de photo-detection et apte a transmettre au deuxieme coupleur un signal lumineux continu a une frequence vo, constituant ainsi un oscillateur local, 25 ledit deuxieme coupleur etant apte a coupler le signal de l'oscillateur local au signal de retrodiffusion provenant de ladite fibre optique a tester avant de le transmettre au module de photo-detection, le signal de retrodiffusion etant module a une frequence VrB egale a VO - Vbref + VA + VbAs, ou VbAs est la frequence de retrodiffusion Brillouin anti-Stokes pouvant etre 30 mesuree en tout point z de ladite fibre optique ou VA est la frequence propre au modulateur, et led it module de photo-detection etant apte a transmettre le signal de retrodiffusion rec;u, a un module de traitement apte a relier la modulation du signal de Date Rer;ue/Date Received 2024-02-23 26 retrodiffusion a une valeur de temperature et a une valeur de deformation en tout point z de ladite fibre optique a tester.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce qu'il comprend en outre un troisieme coupleur et un quatrieme coupleur, le troisieme coupleur etant apte 5 a diviser ledit signal lumineux continu provenant de la source lumineuse en deux signaux de frequence identique repartis dans deux bras, - un premier bras reliant le troisieme coupleur au premier coupleur et apte a transmettre au premier coupleur un signal lumineux continua une frequence VO, et - un second bras reliant le troisieme coupleur au quatrieme coupleur situe en amont du modulateur et apte a transmettre au quatrieme coupleur un signal initial a une frequence vo, led it quatrieme coupleur etant apte a coupler le signal initial vo au signal lumineux de frequence vo - Vbret, provenant du bloc de reference. 15
3. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caracterise en ce que la fibre optique de reference presente une frequence Brillouin decalee d'au moins 200 MHz par rapport a la reponse Brillouin de la fibre optique a tester.
4. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caracterise en ce que le signal de retrodiffusion contient le spectre de retrodiffusion Rayleigh a une frequence vrR 20 egale a vo + VA et le spectre de retrodiffusion Brillouin a une frequence vrs egale 8 VO - Vbref + VA + VbAS.
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caracterise en ce qu'il comprend un module convertisseur analogique - numerique presentant une bande passante d'au moins 800 MHz et une frequence d'echantillonnage d'au 25 moins 1,6 Gech/s.
6. 6. Dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caracterise en ce qu'il est apte a fonctionner en accedant a une seule extremite de la fibre optique a tester. Date Rer;ue/Date Received 2024-02-23 27
7. 7. Dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 a 6, caracterise en ce qu'il est apte a mesurer de maniere separee la temperature et les deformations dans la fibre optique a tester en une seule et unique mesure. 5
8. 8. Dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caracterise en ce que le module de traitement est apte a decouper le signal numerise en une pluralite de tronc;ons par application d'une fenetre temporelle glissante de type fenetre rectangulaire ou de Hamming, ou de Hann ou de Blackman-Harris, chaque tronc;on presentant une IO largeur egale a la largeur temporelle d'une impulsion du signal impulsionnel injecte dans la fibre optique a tester, la largeur de chaque tronc;on etant en outre centree auteur d'une date t correspondant a un point de coordonnee z de ladite fibre optique a tester.
9. 9. Dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon l'une 15 quelconque des revendications 1 a 8, caracterise en ce que la fibre de reference est positionnee le meme bras optique que la fibre optique a tester.
10. 10. Dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 a 9, caracterise en ce que la fibre optique de reference du bloc fibre de reference presente une frequence Brillouin differente 20 de celle de la fibre optique a tester.
11. 11. Dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon la revendication 10, caracterise en ce que la frequence Brillouin de la fibre optique de reference presente un ecart de frequence avec la frequence Brillouin de la fibre optique a tester, compris entre 300 MHz et 1 GHz. 25
12. 12. Dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 a 11, caracterise en ce que le second bras comporte un module d'hybridation de polarisation, ou un module de separation, ou un brouilleur de polarisation, dispose alors en amont des entrees d'un deuxieme coupleur. Date Rer;ue/Date Received 2024-02-23 28
13. 13. Dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 a 12, caracterise en ce que le signal impulsionnel provenant du modulateur comporte au mains deux composantes, - une composante impulsionnelle de frequence vp1 = vo - Vbret + VA, et 5 - une composante impulsionnelle de frequence vp2 = vo + VA.
14. 14. Dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 a 13, caracterise en ce que le module de photodetection re9oit un signal issu de la retrodiffusion de Rayleigh module a la frequence du modulateur acousto-optique VA et de la retrodiffusion de Brillouin IO module a la frequence VbAs - Vbret + VA sans qu'il n'y ait de recouvrement entre les deux spectres.
15. 15. Precede de traitement numerique d'un signal permettant la separation d'une mesure repartie de temperature et d'une mesure repartie de deformation a partir d'une seule mesure, ledit precede comprenant les etapes suivantes: 15 - mesurer par un dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 a 14 un signal de retrodiffusion provenant d'une fibre optique a tester, ledit signal de retrodiffusion etant issu d'une retrodiffusion de Rayleigh et/ou d'une retrodiffusion de Brillouin spontanee ; 20 - generer par le dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 a 14 un signal correspondant au battement entre un signal retrodiffuse issu d'une fibre optique a tester et un signal de reference ; - numeriser par un module convertisseur analogique-numerique le signal 25 correspondant au battement entre le signal retrodiffuse issu de la fibre optique a tester et le signal de reference, et detecte par un module de photodetection ; - decouper par un module de traitement numerique ledit signal numerise en une pluralite de tron9ons par application d'une fenetre temporelle glissante de type fenetre rectangulaire ou de Hamming, ou de Hann ou de Blackman- Date Rer;ue/Date Received 2024-02-23 29 Harris, chaque trom;on presentant une largeur egale a la largeur temporelle d'une impulsion du signal impulsionnel injecte dans la fibre optique a tester, la largeur de chaque trongon etant en outre centree autour d'une date t correspondant a un point de coordonnee z de ladite fibre optique a tester; 5 - calculer, par utilisation d'un algorithme de transformee de fourrier discrete par IO le module de traitement numerique, le spectre frequentiel de chaque tron9on dud it signal numerise ; - repeter les trois premieres etapes et moyenner les spectres frequentiels obtenus pour chaque point z de ladite fibre optique a tester par le module de traitement numerique ; - a partir des spectres frequentiels moyennes, determiner par le module de traitement numerique la variation des maxima de frequence de la retrodiffusion Brillouin, et/ou la variation de l'intensite totale de la retrodiffusion Brillouin et/ou la variation de l'intensite totale de la retrodiffusion Rayleigh, en fonction du temps aller et retour tz de retrodiffusion ; et - appliquer un coefficient de sensibilite a la temperature d'une part et un coefficient de sensibilite a la deformation d'autre part par le module de traitement numerique, sur ladite ou lesdites variations determinees, afin d'obtenir un resultat en terme de mesure repartie en temperature et/ou un resultat en terme de mesure repartie en deformation.
16. 16. Procede de traitement numerique selon la revendication 15, caracterise en ce qu'il comprend la determination, a partir des spectres frequentiels moyennes, de la variation des maxima de frequence de la retrodiffusion Brillouin Anti-Stokes et 25 la variation de l'intensite totale de la retrodiffusion Brillouin et la variation de l'intensite totale de la retrodiffusion Rayleigh en fonction du temps aller et retour tz de retrodiffusion, ainsi que la determination du rapport d'intensite Rayleigh et d'intensite Brillouin en tout point (z) de la fibre. 30
17. 17. Procede de traitement numerique selon l'une des revendications 14 ou 15, caracterise en ce que le signal numerise presente portion par portion au moins Date Rer;ue/Date Received 2024-02-23 deux spectres correspondant au spectre de Brillouin VA +((VbAs <z> - Vbret) et au spectre de Rayleigh VA.
18. 18. Precede de traitement numerique selon l'une quelconque des revendications 5 15 a 17, caracterise en ce qu'il comprend egalement une sous etape de determination d'un rapport intensite totale Rayleigh sur intensite totale Brillouin en tout point (z) de la fibre dans le but d'en determiner un ratio de Landau Placzek dependant du parametre de temperature. Date Rer;ue/Date Received 2024-02-23