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Des solutions mesures pour la prévention de désastres
Les mesures basées sur les fibres optiques
Les bases
Le principe physique majeur qui a inspiré la technologie des fibres optiques est ce que l’on appelle « la réflexion totale interne ».
Ceci découle de la loi de la réfraction voulant qu’une onde traversant une frontière entre deux milieux de densité différente soir déviée. Pourtant, si jamais l’onde tente de passer d’un milieu de densité relativement haute à un milieu moins dense, il existe un angle minimum entre la direction de l’onde et la normale de la frontière pour lequel l’onde ne sera pas déviée, mais réfléchie. Il est donc possible pour une
onde lumineuse de se propager indéfiniment dans un cylindre de verre.
La réflexion totale interne
Le cœur de la fibre est composé de silice, ou plus exactement d’oxyde de silicium (SiO2). Cette molécule, qui est présente dans de nombreux minéraux comme le quartz, la calcédoine ou l’opale, a la particularité de réfléchir de façons optimale les longueurs d’ondes de 850, 1300 et 1500 nanomètres. Ce cœur parfait est entouré d’une couche de silice de moindre qualité
formant la gaine optique
Anatomie d'une fibre optique
Un rayon lumineux entrant dans un fibre optique a l’une de ses extrémités avec un ange adéquat, subit de multiples réflexions totales internes. Ce rayon se propage donc alors avec une vitesse de l’ordre de 200 000 Km/s jusqu’à l’autre extrémité en
ayant subit aucune perte, en empruntant un parcours en zizag.
Propagation de la lumière dans une fibre
Fibre optique multi mode a saut d’indice
Ce type de fibre optique possède une région du cœur uniforme relativement large comparativement à la gaine. Le cœur est composé de verre (SiO2) dopé. Elle est efficace sur de courtes distances parce qu’elle déforme le signal par le principe de dispersion, ce pas à toutes les applications. Elle est donc limitée dans sa bande passante. Le faisceau laser se propage en ligne droite et se réfléchit sur les parois de la gaine qui a un indice de
réfraction inférieur au cœur.
Le cœur de la fibre optique à gradient possède des couches de verre successives. Ces couches modifient graduellement l’indice de réfraction. Ainsi, plus le faisceau laser s’éloigne du centre plus l’indice de réfraction diminue. La propagation est approximativement une onde sinusoïdale dans le cœur de la fibre optique. Elle est la plus utilisé pour les moyennes distances. Un des avantages est que la dispersion nodale est diminuée avec cette fibre. Il y a donc une meilleure réception
du signal
Fibre optique multi mode a gradient d’indice
Dans une fibre optique monomode, le cœur est très fin ce qui permet une propagation du faisceau laser presqu’en ligne droite. De cette façon, elle offre peu de dispersion du signal et celle-ci peut être considérée comme nulle. Aussi, la bande passante est presque infinie, supérieur à 10 Gb/s. Elle est très utilisée pour les liens de très longues distances. Le petit diamètre du cœur des fibres nécessite une grande puissance démission qui est délivrée par des diodes laser.
Fibre optique monomode
Dans la mesure ou les fibres optiques font l’objet de productions de masse, leurs coûts sont relativement faibles. Les capteurs de mesures pour peu coûteux qu’ils soient présentent l’inconvénient de câblages souvent individuels et d’électroniques de conditionnement imposant des alimentations, des amplifications, des conversions soit en fréquence soit en tension etc.
La mesure par fibres optiques est quasi totalement affranchie de ces
problématiques.
Mesures
Les différents concepts
• Réseaux de Bragg
• Raman
• Brillouin
• - BOTDA
• - BOTDR
Réseaux de Bragg
Pour les réseaux de Bragg des zones possédant un index de réflexion variant périodiquement sont créées en utilisant un laser Excimer.Ci-dessous, un schéma explique le mode de fonctionnement de la zone ‘ capteur ‘.
Laser
Lase
r
=
gaine
Âme de la fibre
La longueur d’onde des crêtes de réflexion dépend de la période modulée de l’index de réfraction. Un grand nombre de zones préparées sur une seule et même fibre crée un réseau de capteurs dits semi-distribués.
Réseaux de Bragg
1 Mesures de contraintes 0.1%
2 Précision de la longueur d’onde ±1PM
3 Type de fibre SM(Mono mode)
4 Connecteur optique FC/APC ou FC PC
5 Fidélité ±2pm max
6 Plage de température -80℃~ 80℃
7 Résolution thermique ±1 ℃
8 Portée de la mesure Up to 30km
9 Fréquence d’acquisition 200Hz
10 Alimentation 220V
11 Température de stockage - 40℃~ 80℃
12 Température de fonctionnement 10℃~ 40℃
Les zones sensibles permettent de mesurer, soit la température soit les contraintes.
Réseaux de Bragg
Mesures avec analyseurs Raman
La mesure Raman fait appel aux fibres multimodes, l’idée est une mesure d’amplitude correspondant à la température.
température
température
Multimode Monomode
Mesures avec analyseurs Raman
La fibre multimode possède une âme de plus grand diamètre ou il est facile d’injecter plus de puissance. Dans la mesure ou les réactions aux températures sont assez faibles, l’augmentation de la puissance devient capitale.
Entre seuil et puissance, les fibres multimodes sont plus précises pour les mesures thermiques.
Mesures avec analyseurs Raman
La fibre multimode permet d’obtenir des précisions de laboratoire de 0,01°C et une résolution spatiale de l’ordre de 50 cm.
Mesures avec analyseurs Raman
La fibre multimode ne permet pas de réaliser des mesures de déformations, il en résulte qu’en terme d’habillage, peu importe que la fibre soit solidaire de son enveloppe.
La seule contrainte consiste à transmettre correctement le phénomène thermique à la fibre mesure de sorte à obtenir des résultats.
À gauche deux bobines de fibres mesures habillées de métal, la bobine de droite copmprend 200 mètres de fibre mesure de 2 mm de diamètre incluant le revêtement métal.
Mesures avec analyseurs Raman
La fibre multimode donne de bons résultats sur des applications ou la longueur de fibre mesure est limitée.
Le dispersion modale affecte les résultats sur de longues distances.
D’ailleurs les fibres de communications téléphoniques opérant sur de grands linéaires sont des fibres mono modes qui transfèrent des multiples de Gigabits par seconde sur des distances au delà de 100 Km.
Mesures avec analyseurs Brillouin
La mesure Brillouin fait appel aux fibres monomodes, l’idée est une mesure de dérive de fréquence correspondant à la température et à la déformation.
température
température
La diffusion Brillouin stimulée (DBS), résultant d'une interaction acousto-optique, est connue pour limiter la puissance transmise dans une fibre optique, mais sa grande sensibilité aux conditions extérieures la rend très intéressante
dans le domaine des capteurs distribués. Exemple :
Mesures avec analyseurs Brillouin
Mesures avec analyseurs Brillouin BOTDA
La mesure réalisée avec un analyseur BOTDA suppose que le faisceau lumineux injecté dans la fibre revienne vers l’analyseur.
Le dispositif fonctionne en mode bouclé offrant quelques avantages ou pseudo avantages en terme de précision de mesure et de résolution spatiale mais devenant totalement inopérant en cas de rupture de la continuité de boucle
Mesures avec analyseurs Brillouin BOTDA
Les caractéristiques notées ci-contre ne sont fournies qu’à titre indicatif.
La résolution thermique de 0,10°C et la résolution sur les déformations de 2 µ sont très intéressantes.
Mesures avec analyseurs Brillouin BOTDA
Le bouclage de la fibre impose d’insérer deux brins à l’intérieur de la gaine de protection.
Le coût est naturellement différent de celui d’une fibre mesure ne comprenant qu’un seul linéaire sous protection.
La protection étant ouverte on distingue les deux lignes de fibres bouclées.
Au niveau de l’installation ceci suppose, souvent, de réaliser le bouclage, en bout de ligne capteur, sur site
Mesures avec analyseurs Brillouin BOTDR
La mesure réalisée avec un analyseur BOTDR n’impose pas le bouclage de la fibre.
Le dispositif répond à la plupart des applications en terme de précision de mesure et de résolution spatiale et demeure fonctionnel sur la partie raccordée à l’analyseur en cas de rupture de continuité de la fibre
Caractéristiques des analyseurs Brillouin BOTDR
Caractéristiques des analyseurs Brillouin BOTDR
Les caractéristiques notées dans la diapositive précédente et ci-contre ne sont fournies qu’à titre indicatif.
La résolution thermique de 0,1° et la résolution sur les déformations de 0,0002 % sont très intéressantes.
La différence entre BOTDA et BOTDR est assez ténue
Accessoires de montage
Le raccordement des fibres mesures ou géofibres passe par des accessoires comme les connecteurs optiques, les fibres de communication, les boîtiers de jonction et de distribution/.
