(a) Acquisition de BGS. En mélangeant avec un micro-onde à balayage de fréquence, le BGS initialement observé dans le domaine fréquentiel peut être obtenu dans le domaine temporel à grande vitesse. (b) Acquisition de BFS. Le BGS est approximé par une forme d'onde sinusoïdale à une période et rectifié. Son retard de phase, qui correspond au BFS, est ensuite détecté à l'aide d'une porte logique OU exclusif (XOR) et d'un filtre passe-bas (LPF). La tension de sortie est en correspondance un à un avec le retard de phase dans la plage de 0 à 180°. Crédit : Institut de technologie de Tokyo
Un groupe de recherche comprenant des membres de l'Institut de technologie de Tokyo et de la Société japonaise pour la promotion de la science a développé un système de détection distribuée à fibre optique en temps réel pour la contrainte et la température. Le système nécessite une injection de lumière à partir d'une seule extrémité de la fibre et peut atteindre un taux d'échantillonnage de 100 kHz, une amélioration de plus de 5, 000 fois le tarif conventionnel.
La dégradation due au vieillissement et les dommages sismiques des infrastructures civiles posent un grave problème pour la société. Une technologie prometteuse pour surveiller l'état des structures est la détection par fibre optique. En incorporant de longues fibres optiques dans une structure, les distributions de contrainte et de température le long des fibres peuvent être détectées. Parmi les différents types de capteurs à fibre optique, Les capteurs de contrainte et de température distribués basés sur la diffusion Brillouin ont reçu beaucoup d'attention en raison de leur grande sensibilité et stabilité. En particulier, Réflectométrie optique de domaine de corrélation Brillouin (BOCDR), qui fonctionne sur la base du contrôle de corrélation d'ondes lumineuses continues, est connue pour être une technique de détection distribuée à accès unique à haute résolution spatiale ( <1cm). Cependant, le taux d'échantillonnage le plus élevé signalé pour BOCDR était de 19 Hz, d'où un temps total de mesure distribuée relativement long (de quelques dizaines de secondes à plusieurs minutes). Cherchant à remédier à cette lacune, les chercheurs Yosuke Mizuno et Kentaro Nakamura du Tokyo Institute of Technology, Neisei Hayashi, un membre de la Japan Society for the Promotion of Science de l'Université de Tokyo, et leurs collaborateurs ont récemment réussi à augmenter le taux d'échantillonnage du BOCDR à 100 kHz, plus de 5000 fois le taux précédent, permettant une mesure distribuée en temps réel. Leur étude est publiée dans le numéro de décembre 2016 de Lumière :science et applications .
Dans tous les capteurs Brillouin, la dépendance à la déformation et à la température du décalage de fréquence de Brillouin (BFS) est exploitée pour dériver la déformation et la température. En BOCDR conventionnel, le BFS est obtenu en effectuant un balayage en fréquence sur l'ensemble du spectre de gain de Brillouin (BGS) à l'aide d'un analyseur de spectre électrique. Ainsi, la vitesse de balayage de l'analyseur de spectre limite la fréquence d'échantillonnage à 19 Hz. En balayant plutôt le spectre de fréquences à l'aide d'un oscillateur commandé en tension, les chercheurs ont pu réaliser une acquisition à plus grande vitesse (Fig. 1(a)). Cependant, la dérivation du BFS du BGS limitait encore le taux d'échantillonnage. Pour accélérer encore le système, le BGS a été converti en une forme d'onde sinusoïdale synchrone à l'aide d'un filtre passe-bande, permettant au BFS d'être exprimé comme son retard de phase. Puis, utilisant une porte logique OU-exclusif et un filtre passe-bas, le retard de phase a ensuite été converti en une tension, qui a été mesurée directement (Fig. 1(b)).
Un taux d'échantillonnage de contrainte allant jusqu'à 100 kHz a été vérifié expérimentalement en détectant une contrainte dynamique de 1 kHz appliquée à une position arbitraire le long de la fibre. Lorsque des mesures distribuées ont été effectuées à 100 points avec une moyenne de 10 fois, un taux de répétition de 100 Hz a été vérifié en suivant une onde mécanique se propageant le long de la fibre (Fig. 2). Ainsi, les chercheurs ont été les premiers à réaliser une détection Brillouin distribuée en temps réel à accès unique. Une démonstration vidéo du système est disponible en ligne .
Structure schématique et photographie de la fibre à tester, et la variation temporelle mesurée de la distribution des contraintes. Crédit : Institut de technologie de Tokyo
Le système de détection devrait être utile pour surveiller la santé de diverses structures, allant des bâtiments et des ponts aux pales d'éoliennes et aux ailes d'avion. Le système a également des applications potentielles en robotique, agissant comme des "nerfs" électroniques pour détecter le toucher, Distorsion, et changement de température.
