Si l’onde lumineuse est intégralement réfractée dans le cœur au contact de la gaine, une par- tie peut néanmoins être renvoyée vers son point d’émission. Ceci peut intervenir au niveau de capteurs à réseau de Bragg gravés dans la fibre (on parle alors de mesure discrète) ou alors être
dus à des processus de rétro-diffusion continus le long de la fibre (on parle dans ce cas de mesure distribuée).
Dans le premier cas, une réflexion, centrée sur une longueur d’onde caractéristique du réseau de Bragg, est émise dans la fibre. Cette longueur d’onde caractéristique peut évoluer en cas de déformation (d’origine mécanique et/ou thermique) de la fibre. Connaissant le lien entre défor- mation et modification de la longueur d’onde, il devient alors possible de connaître en un point la déformation du milieu dans lequel la fibre est plongée. A la fois le nombre de capteurs ainsi que leur position précise sont des éléments essentiels dans la conception de l’ensemble du système, en particulier en ce qui concerne le coût total.
Avec ce type de capteurs, un défi fondamental concerne l’emplacement des réseaux en cas de développement par exemple de points chauds de température ou de formation de fissures au sein d’une structure en béton. Dans de tels cas, une mauvaise connaissance de l’emplacement des capteurs peut conduire à des mesures et des interprétations erronées. A contrario, la mesure et son interprétation sont immédiates, permettant de réaliser une instrumentation en continu dans le temps.
Dans le cas de la mesure continue, l’information provient de rétro-diffusions naturelles de l’onde lumineuse dans le cœur suite à différents processus (cf. figure A.3). Le spectre de rétro- diffusion se décompose en trois types :
– La rétro-diffusion de type Rayleigh – La rétro-diffusion de type Raman – La rétro-diffusion de type Brillouin
La rétro-diffusion de type Rayleigh est la conséquence d’une rétro-diffusion d’une onde sur les imperfections de la silice. Cette onde est majoritairement responsable des pertes linéaires passives dans les fibres optiques utilisées pour les télécommunications. Les rétro-diffusions de type Ra- man et Brillouin proviennent eux d’effets inélastiques qui font apparaître des longueurs d’ondes différentes. Lorsque ces ondes ont des fréquences moins élevées que l’onde incidente, on parlera d’ondes Stokes, et dans le cas contraire, d’ondes anti-Stokes.
Figure A.3: Rétro-diffusion d’une onde lumineuse dans une fibre optique suivant différents processus
Les instrumentations basées sur ces rétro-diffusions interprètent l’onde lumineuse pour déter- miner la déformation d’origine thermique et/ou mécanique de la fibre optique. Il s’agit donc d’une mesure distribuée quasi continue le long des fibres. Deux méthodes de mesure ont été mises en place pour les applications longue distance, basées respectivement sur les rétro-diffusions de type Raman et Brillouin. Ces systèmes permettent des mesures de température et de déformations sur des distances de l’ordre de plusieurs dizaines de kilomètres. Toutefois, la résolution spatiale de ces deux méthodes est limitée à l’ordre de 1 m. Le facteur limitant provient de la très faible intensité de la lumière diffusée utilisé par ces méthodes, ce qui rend complexe l’augmentation de la résolution spatiale. L’intensité de la rétro-diffusion de type Rayleigh est par contre plus impor- tante, ce qui permet d’avoir une mesure bien plus précise, de l’ordre du millimètre. Cependant, la portée de la mesure est bien plus limitée, jusqu’à une dizaine de mètres.
Les systèmes utilisés pour étudier ces ondes rétro-diffusées sont constitués d’un capteur à
A.2. Principe de la mesure et de son traitement 161
fibre optique (CFO), défini comme un dispositif dans lequel l’information est créée dans le che- min optique par réaction de la lumière à la grandeur à mesurer, avant d’être acheminée vers le récepteur optique par l’intermédiaire d’une ou plusieurs fibres optiques. Le système de mesure est en général constitué, en plus du capteur à fibre optique, d’une unité de traitement des données récupérées à travers la fibre optique. Cette unité peut émettre un signal (on parle de CFO ac- tif), qu’elle transmet au milieu via la fibre optique. L’unité d’interrogation/réception contenant les composants d’émission (laser, modulateurs) et de réception optique (détecteur, analyseur de signaux électriques) est généralement désignée par le terme « interrogateur ».
Les CFO actifs distribués utilisent soit la rétro-diffusion (linéaire ou non) de la lumière dans les fibres optiques (par exemple de type Rayleigh), soit des amplifications locales, par effets non linéaires (Raman ou Brillouin), d’une onde rétro-diffusée dite « sonde » par une onde incidente dite « pompe » . Un système de type OTDR (Optical Time Domain Réflectomètre) permet alors d’analyser cette lumière, successivement rétro-diffusée par toutes les portions de fibres qui de- viennent ainsi autant de transducteurs.
Plusieurs thèses ont été réalisées sur le sujet de ces systèmes de mesure, on peut notamment citer Lanticq [2009], Mamdem [2012] ou Henault [2013]. La technique utilisée dans cette thèse pour l’instrumentation des fibres optiques, développée à l’Ifsttar, est basée sur la rétro-diffusion de type Rayleigh.
Annexe B
Résultats des mesures des fibres
optiques pour une longueur d’interface de 50 mm
Cette annexe a pour but de rassembler les mesures réalisées par les fibres optiques sur diffé- rentes éprouvettes avec 50 mm de longueur d’interface.