(a) Principe de fonctionnement de la technique TE-?OTDR. La fibre testée est sondée par un peigne de fréquence optique avec un espacement des dents et un profil de phase spectrale aléatoire. La réponse impulsionnelle de la fibre est codée sur le signal rétrodiffusé généré par la propagation du peigne de sonde. Ce signal est battu avec un oscillateur local, qui est un autre peigne de fréquence optique avec le même profil de phase spectrale aléatoire. Le LO et le peigne sonde sont composés du même nombre de traits, mais l'interligne du LO est légèrement supérieur d'un certain montant. L'étage de détection consiste en un photodétecteur équilibré suivi d'un filtre passe-bas électrique. Le battement entre les lignes du peigne de sonde et les lignes voisines du peigne LO donne un peigne radiofréquence avec un espacement des dents qui est donné par . Cela implique une conversion descendante de la bande passante optique, étant le facteur de compression CF le rapport entre et . Alternativement, le processus ci-dessus peut être compris dans le domaine temporel comme une grande expansion temporelle du signal détecté. (b) Carte de température d'un point chaud de 2 cm de longueur mesurée par le schéma TE-OTDR. Une perturbation de 0,2 Hz est récupérée. (c) Carte de déformation dynamique autour d'une longueur de 4 cm obtenue au moyen du schéma TE-OTDR à plage étendue. Une perturbation de 5 Hz est récupérée dans ce cas. Crédit :Miguel Soriano-Amat, Hugo F. Martins, Vicente Duran, Luis Costa, Sonia Martin-Lopez, Miguel Gonzalez-Herraez et María R. Fernández-Ruiz
La détection par fibre optique distribuée (DOFS) est actuellement une technologie mature qui permet de « transformer » une fibre optique conventionnelle en un réseau continu de capteurs individuels, qui sont répartis sur sa longueur. Entre la panoplie de techniques développées dans le domaine des DOFS, ceux basés sur la réflectométrie optique sensible à la phase dans le domaine temporel (ΦOTDR) ont attiré beaucoup d'attention, principalement en raison de leur capacité à mesurer les perturbations de déformation et de température en temps réel. Ces caractéristiques uniques, ainsi que d'autres avantages des capteurs distribués (poids réduit, immunité électromagnétique et petite taille) font des capteurs ΦOTDR une excellente solution pour la surveillance de grandes infrastructures (comme les ponts et les pipelines), surtout si l'on considère que leur coût varie en fonction inverse du nombre de points de détection, et sa résolution peut atteindre quelques mètres.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , une équipe de scientifiques de l'Université d'Alcalá, L'Université Jaume I et le Conseil espagnol de la recherche (CSIC) présentent un nouvel interrogateur à fibre optique pour effectuer l'OTDR. Il est basé sur une technique interférométrique bien connue qui utilise deux peignes de fréquence optiques mutuellement cohérents. Ce nouvel interrogateur permet la détection de contrainte et/ou de température avec des résolutions à l'échelle du cm sur une portée allant jusqu'à 1 km (c'est-à-dire, il fournit> 104 points de détection répartis le long de la fibre optique). Au vu des résultats annoncés, cette approche ouvre la porte à des DOFS rentables dans les applications à courte portée et à haute résolution, tels que la surveillance de la santé de la structure des composants aérospatiaux et la surveillance de la production des puits de forage, qui à ce jour ont un coût prohibitif.
La technique présentée dans l'article, appelé ΦOTDR prolongé (TE-ΦOTDR), repose sur l'utilisation d'un peigne de fréquence optique ultra-dense intelligemment conçu pour sonder une fibre de détection. Un signal de retour faible est alors généré par la diffusion élastique subie par la lumière. Ce signal est détecté en le faisant interférer avec un deuxième peigne, qui a une bande passante et un codage de phase spectrale similaires à celui de la sonde, mais un espacement dentaire différent. Le résultat est une interférence multi-hétérodyne qui produit une « extension temporelle » des signaux détectés (voir Figure). Dans le domaine fréquentiel, ce processus peut être compris comme une « conversion vers le bas » de fréquence (une cartographie optique-électrique). Dans le schéma à double peigne développé pour DOFS, les deux peignes sont générés à partir du même laser à onde continue, grâce à un couple de modulateurs électro-optiques pilotés par un seul générateur de forme d'onde arbitraire.
Certaines caractéristiques remarquables de ce schéma sont :(i) la flexibilité dans la conception des peignes, qui permet à l'utilisateur d'atteindre les performances ciblées pour le capteur ; (ii) la bande passante de détection réduite (dans le régime sub-mégahertz pour une résolution centimétrique sur 200 mètres), qui est une conséquence de l'allongement de temps subi par les signaux détectés; et (iii) la capacité de maximiser la puissance injectée dans la fibre de détection. Cette dernière caractéristique est fondamentale pour réaliser une véritable détection distribuée, compte tenu de l'extrême faiblesse du phénomène de diffusion élastique. En introduisant un profil de phase aléatoire contrôlé dans les peignes générés, la puissance crête des signaux optiques peut être minimisée, tout en conservant une puissance moyenne élevée pour améliorer le rapport signal sur bruit du capteur. En outre, la phase codée est automatiquement démodulée lors de la détection, ne nécessitant aucun autre post-traitement.
"Le schéma de détection basé sur un schéma conventionnel à double peigne nous permet d'atteindre des résolutions à l'échelle du cm sur des portées de détection de quelques centaines de mètres, tout en gardant une cadence de mesure de quelques dizaines de hertz. Dans le journal, nous introduisons également une stratégie pour étendre considérablement la plage de détection sans réduire le taux d'échantillonnage acoustique. L'idée de base est d'utiliser deux peignes de fréquence avec un espacement des dents très différent, de sorte que les signaux temporels générés ont des périodes de rapport quasi-entier. Ce schéma, précédemment appliqué au domaine de la spectroscopie, permet de mesurer des fibres jusqu'à 1 km de longueur avec une résolution spatiale de 4 cm. Cela signifie 25, 000 points de détection individuels le long de la fibre. Cette amélioration des performances se fait au prix d'une certaine augmentation de la bande passante de détection (jusqu'à quelques mégahertz), ainsi que la complexité de l'algorithme de traitement, tout en conservant les avantages fondamentaux de la méthode."
"Les techniques présentées exposent une toute nouvelle arène d'opération pour les capteurs dynamiques basés sur ΦOTDR, qui était limité aux champs nécessitant une détection sur des dizaines de kilomètres et des résolutions à l'échelle du mètre pour apparaître comme une solution intéressante. Les résultats démontrés dans l'article sont une étape prometteuse pour concevoir un capteur distribué offrant une vitesse d'acquisition rapide, faible bande passante de détection et résolution spatiale nette, " ont-ils ajouté.
