Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Développement d’un capteur à fibre optique distribué basé sur une nouvelle conception de réflectométrie optique

Laboratoire principal - Référent principal COSYS - IMSE  -  KHADOUR Aghiad      tél. : +33 181668388

Directeur du laboratoire principal LINGUERRI Roberto  -

Spécialité de la thèse Optoelectonique, Photoniques, Instrumentation par fibres optiques

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu KHADOUR Aghiad  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - IMSE

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Les capteurs distribués à fibres optiques basés sur les phénomènes de rétrodiffusion dans la fibre optique (Rayleigh, Brillouin, et Raman) [1], sont la solution idéale pour la surveillance des réseaux à fibres optiques. Ils peuvent être intégrés au sien même de différents types des structures (composites, métalliques ou cimentaires…) [2-4]. Ils permettre de suivre l’évolution dans le comportement de ces structures et alerter en cas d'anomalie.
Les techniques de détection et de quantification des phénomènes de rétrodiffusion dans les fibres optiques reposent sur deux configurations : réflectométrie optique résolue en temps OTDR [5] ou la réflectométrie optique résolue en fréquence –OFDR [6]. On va s’intéresser dans cette thèse au phénomène de rétrodiffusion Rayleigh, avec la configuration OFDR pour réaliser les mesures de déformation et/ou température. La configuration OFDR a montré une attractivité pour ses performances dès les années 90, notamment pour sa résolution spatiale millimétrique et submillimétrique [7], et sa marge dynamique [8]. L’évolution des solutions de capteurs basés sur la configuration OFDR pour la mesure de la rétrodiffusion Rayleigh est en accélération constante. Il est possible actuellement de réaliser des mesures dynamiques des contraintes mécaniques et thermiques [9] et même des mesures des ondes acoustiques [10]. Des nouveaux travaux montrent des systèmes avec une grande portée et une faible dépendance à la cohérence de la source laser [11, 12, 13, 14].
Pour mesurer les déformations mécaniques ou les variations thermiques que la fibre subit, il faut réaliser la détection en utilisant l’hétérodynage optique, entre deux ondes rétrodiffusées, l’une dans la fibre optique et l’autre dans une fibre de référence. Cette configuration est appelée réflectométrie optique cohérente résolue en fréquence C-OFDR. La solution actuelle pour obtenir les déformations et/ou la température, avec une résolution spatiale maximale limitée par la plage d’accordabilité de la source laser, se déroule en cinq étapes :
-Obtenir la réponse de la fibre.
-Appliquer une transformée de Fourrier (FFT) pour trouver la distribution de la dérivée de la réflectivité tout au long de la fibre.
-Choisir une résolution spatiale et découper la longueur de la fibre en segments.
-Appliquer une transformée de fourrier inverse (IFFT) pour chaque segment individuellement.
-Réaliser une ‘corrélation croisée’ pour chaque segment, entre deux états de la fibre pour obtenir le profil de déformation.
Le laboratoire IMSE a travaillé depuis quelques années à travailler sur l’aspect de développement des capteurs basés sur la rétrodiffusons Brillouin [13,14]

Objectifs de la thèse :
Il s’agit de concevoir, modéliser le fonctionnement, réaliser et caractériser un nouveau système pour mesurer les déformations et/ou les variations thermiques et franchir les limites du système basé sur la technologie OFDR. Ces limites sont liées principalement aux performances de la source laser : stabilité, largeur de raie spectrale et plage d’accordabilité.
La solution proposée dans cette thèse est de combiner les deux techniques OTDR et OFDR. A travers l’utilisation d’un laser accordable en fréquence autour 1,55μm, avec une modulation temporelle. L’objectif est de franchir les limites liées aux performances de la source laser, en conservant une résolution spatiale élevée et une portée équivalente aux systèmes OTDR.
Profil et compétences recherchées
-Motivé avec un gout affirmé pour la modélisation, le travail expérimental et l’analyse des donnés acquises lors de ce travail.
-Être à l’aise avec la programmation et modélisation (connaissance en Matlab).
Le doctorant sera intégré au Laboratoire COSYS / IMSE.
Objectifs de valorisation des travaux de recherche du doctorant :
-Nous viserons des publications dans des journaux scientifiques internationales à fort impact et communications dans des conférences.
-Un brevet pour une valorisation industrielle de la solution développée dans la thèse.
Collaboration nationale et internationale
-Une collaboration avec Telecom Sud Paris et III-V lab est envisagé pour la source laser.
-Une collaboration avec l’école polytechnique de Milan est programmé à travers le laboratoire international associé LIA SENSIN-CT.

Références
[1] R. Alan, "Distributed optical-fibre sensing," Measurement Science and Technology, vol. 10, no. 8, p. R75, 1999.
[2] K. Bremer et al., "Fibre Optic Sensors for the Structural Health Monitoring of Building Structures," Procedia Technology, vol. 26, pp. 524-529, 2016.
[3] L. Zeni et al., "Brillouin optical time-domain analysis for geotechnical monitoring," Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, vol. 7, no. 4, pp. 458-462, 8// 2015.
[4] P. Klikowicz, M. Salamak, and G. Poprawa, "Structural Health Monitoring of Urban Structures," Procedia Engineering, vol. 161, pp. 958-962, 2016.
[5] K. I. Aoyama, K. Nakagawa, and T. Itoh, "Optical-Time Domain Reflectometry in a Single-Mode Fiber," (in English), Ieee Journal of Quantum Electronics, vol. 17, no. 6, pp. 862-868, 1981.
[6] W. Eickhoff and R. Ulrich, "Optical frequency domain reflectometry in single-mode fiber," Applied Physics Letters, vol. 39, no. 9, pp. 693-695, 1981.
[7] J. P. v. d. Weid, R. Passy, G. Mussi, and N. Gisin, "On the characterization of optical fiber network components with optical frequency domain reflectometry," Journal of Lightwave Technology,
vol. 15, no. 7, pp. 1131-1141, 1997.
[8] S. Venkatesh and W. V. Sorin, "Phase noise considerations in coherent optical FMCW reflectometry," Journal of Lightwave Technology, vol. 11, no. 10, pp. 1694-1700, 1993.
[9] S. T. Kreger et al., "Optical frequency domain reflectometry: principles and applications in fiber optic sensing," 2016, vol. 9852, pp. 98520T-98520T-10.
[10] L. Shiloh and A. Eyal, "Sinusoidal frequency scan OFDR with fast processing algorithm for distributed acoustic sensing," Optics Express, vol. 25, no. 16, 2017.
[11] B. Wang, X. Fan, S. Wang, J. Du, and Z. He, "Millimeter-resolution long-range OFDR using ultra-linearly 100 GHz-swept optical source realized by injection-locking technique and cascaded FWM process," Optics Express, vol. 25, no. 4, pp. 3514-3524, 2017/02/20 2017.
[12] Z. Ding et al., "Long Measurement Range OFDR Beyond Laser Coherence Length," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 25, no. 2, pp. 202-205, 2013.
[13] Bingjian Li et al “A Signal Processing Algorithm Proposed for OFDR Distributed Sensing System to Enhance Its Performance” 2019 J. Phys.: Conf. Ser. 1237 022169 [Ajouter au projet Citavi par ISBN] DOI 10.1088/1742-6596/1237/2/022169 [Ajouter au projet Citavi par DOI]
[14] Q. Wang, et al, "Low-Cost OFDR Distributed Fiber Sensing Enabled by Fiber with Enhanced Rayleigh Backscattering," in Conference on Lasers and Electro-Optics,” OSA Technical Digest (Optica Publishing Group, 2021), paper ATh2S.7.
[15] Développement d'une source VECSEL bifréquence pour la mesure de l'effet Brillouin dans les fibres optiques, L. Chaccour, ED SIE, 2016
[16] Étude d’un système de surveillance de structure par fibre optique reposant sur l’effet Brillouin, M. Salhi, ED MSTIC, 2020

Mots-clefs: Capteurs à fibres optiques, Mesures distribués, Rétrodiffusion Rayleigh, OFDR, OTDR

Laboratoire principal - Référent principal	COSYS - IMSE - KHADOUR Aghiad tél. : +33 181668388
Directeur du laboratoire principal	LINGUERRI Roberto -
Spécialité de la thèse	Optoelectonique, Photoniques, Instrumentation par fibres optiques
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	KHADOUR Aghiad - Université Gustave Eiffel - COSYS - IMSE
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Les capteurs distribués à fibres optiques basés sur les phénomènes de rétrodiffusion dans la fibre optique (Rayleigh, Brillouin, et Raman) [1], sont la solution idéale pour la surveillance des réseaux à fibres optiques. Ils peuvent être intégrés au sien même de différents types des structures (composites, métalliques ou cimentaires…) [2-4]. Ils permettre de suivre l’évolution dans le comportement de ces structures et alerter en cas d'anomalie. Les techniques de détection et de quantification des phénomènes de rétrodiffusion dans les fibres optiques reposent sur deux configurations : réflectométrie optique résolue en temps OTDR [5] ou la réflectométrie optique résolue en fréquence –OFDR [6]. On va s’intéresser dans cette thèse au phénomène de rétrodiffusion Rayleigh, avec la configuration OFDR pour réaliser les mesures de déformation et/ou température. La configuration OFDR a montré une attractivité pour ses performances dès les années 90, notamment pour sa résolution spatiale millimétrique et submillimétrique [7], et sa marge dynamique [8]. L’évolution des solutions de capteurs basés sur la configuration OFDR pour la mesure de la rétrodiffusion Rayleigh est en accélération constante. Il est possible actuellement de réaliser des mesures dynamiques des contraintes mécaniques et thermiques [9] et même des mesures des ondes acoustiques [10]. Des nouveaux travaux montrent des systèmes avec une grande portée et une faible dépendance à la cohérence de la source laser [11, 12, 13, 14]. Pour mesurer les déformations mécaniques ou les variations thermiques que la fibre subit, il faut réaliser la détection en utilisant l’hétérodynage optique, entre deux ondes rétrodiffusées, l’une dans la fibre optique et l’autre dans une fibre de référence. Cette configuration est appelée réflectométrie optique cohérente résolue en fréquence C-OFDR. La solution actuelle pour obtenir les déformations et/ou la température, avec une résolution spatiale maximale limitée par la plage d’accordabilité de la source laser, se déroule en cinq étapes : -Obtenir la réponse de la fibre. -Appliquer une transformée de Fourrier (FFT) pour trouver la distribution de la dérivée de la réflectivité tout au long de la fibre. -Choisir une résolution spatiale et découper la longueur de la fibre en segments. -Appliquer une transformée de fourrier inverse (IFFT) pour chaque segment individuellement. -Réaliser une ‘corrélation croisée’ pour chaque segment, entre deux états de la fibre pour obtenir le profil de déformation. Le laboratoire IMSE a travaillé depuis quelques années à travailler sur l’aspect de développement des capteurs basés sur la rétrodiffusons Brillouin [13,14] Objectifs de la thèse : Il s’agit de concevoir, modéliser le fonctionnement, réaliser et caractériser un nouveau système pour mesurer les déformations et/ou les variations thermiques et franchir les limites du système basé sur la technologie OFDR. Ces limites sont liées principalement aux performances de la source laser : stabilité, largeur de raie spectrale et plage d’accordabilité. La solution proposée dans cette thèse est de combiner les deux techniques OTDR et OFDR. A travers l’utilisation d’un laser accordable en fréquence autour 1,55μm, avec une modulation temporelle. L’objectif est de franchir les limites liées aux performances de la source laser, en conservant une résolution spatiale élevée et une portée équivalente aux systèmes OTDR. Profil et compétences recherchées -Motivé avec un gout affirmé pour la modélisation, le travail expérimental et l’analyse des donnés acquises lors de ce travail. -Être à l’aise avec la programmation et modélisation (connaissance en Matlab). Le doctorant sera intégré au Laboratoire COSYS / IMSE. Objectifs de valorisation des travaux de recherche du doctorant : -Nous viserons des publications dans des journaux scientifiques internationales à fort impact et communications dans des conférences. -Un brevet pour une valorisation industrielle de la solution développée dans la thèse. Collaboration nationale et internationale -Une collaboration avec Telecom Sud Paris et III-V lab est envisagé pour la source laser. -Une collaboration avec l’école polytechnique de Milan est programmé à travers le laboratoire international associé LIA SENSIN-CT. Références [1] R. Alan, "Distributed optical-fibre sensing," Measurement Science and Technology, vol. 10, no. 8, p. R75, 1999. [2] K. Bremer et al., "Fibre Optic Sensors for the Structural Health Monitoring of Building Structures," Procedia Technology, vol. 26, pp. 524-529, 2016. [3] L. Zeni et al., "Brillouin optical time-domain analysis for geotechnical monitoring," Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, vol. 7, no. 4, pp. 458-462, 8// 2015. [4] P. Klikowicz, M. Salamak, and G. Poprawa, "Structural Health Monitoring of Urban Structures," Procedia Engineering, vol. 161, pp. 958-962, 2016. [5] K. I. Aoyama, K. Nakagawa, and T. Itoh, "Optical-Time Domain Reflectometry in a Single-Mode Fiber," (in English), Ieee Journal of Quantum Electronics, vol. 17, no. 6, pp. 862-868, 1981. [6] W. Eickhoff and R. Ulrich, "Optical frequency domain reflectometry in single-mode fiber," Applied Physics Letters, vol. 39, no. 9, pp. 693-695, 1981. [7] J. P. v. d. Weid, R. Passy, G. Mussi, and N. Gisin, "On the characterization of optical fiber network components with optical frequency domain reflectometry," Journal of Lightwave Technology, vol. 15, no. 7, pp. 1131-1141, 1997. [8] S. Venkatesh and W. V. Sorin, "Phase noise considerations in coherent optical FMCW reflectometry," Journal of Lightwave Technology, vol. 11, no. 10, pp. 1694-1700, 1993. [9] S. T. Kreger et al., "Optical frequency domain reflectometry: principles and applications in fiber optic sensing," 2016, vol. 9852, pp. 98520T-98520T-10. [10] L. Shiloh and A. Eyal, "Sinusoidal frequency scan OFDR with fast processing algorithm for distributed acoustic sensing," Optics Express, vol. 25, no. 16, 2017. [11] B. Wang, X. Fan, S. Wang, J. Du, and Z. He, "Millimeter-resolution long-range OFDR using ultra-linearly 100 GHz-swept optical source realized by injection-locking technique and cascaded FWM process," Optics Express, vol. 25, no. 4, pp. 3514-3524, 2017/02/20 2017. [12] Z. Ding et al., "Long Measurement Range OFDR Beyond Laser Coherence Length," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 25, no. 2, pp. 202-205, 2013. [13] Bingjian Li et al “A Signal Processing Algorithm Proposed for OFDR Distributed Sensing System to Enhance Its Performance” 2019 J. Phys.: Conf. Ser. 1237 022169 [Ajouter au projet Citavi par ISBN] DOI 10.1088/1742-6596/1237/2/022169 [Ajouter au projet Citavi par DOI] [14] Q. Wang, et al, "Low-Cost OFDR Distributed Fiber Sensing Enabled by Fiber with Enhanced Rayleigh Backscattering," in Conference on Lasers and Electro-Optics,” OSA Technical Digest (Optica Publishing Group, 2021), paper ATh2S.7. [15] Développement d'une source VECSEL bifréquence pour la mesure de l'effet Brillouin dans les fibres optiques, L. Chaccour, ED SIE, 2016 [16] Étude d’un système de surveillance de structure par fibre optique reposant sur l’effet Brillouin, M. Salhi, ED MSTIC, 2020
Mots-clefs:	Capteurs à fibres optiques, Mesures distribués, Rétrodiffusion Rayleigh, OFDR, OTDR

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