Sujet de thèse IFSTTAR

English version
Fiche détaillée :

Titre : Impact des perturbations environnementales sur les capteurs à fibres optiques repartis

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

Directeur du laboratoire principal LINGUERRI Roberto  -

Spécialité de la thèse Capteurs à fibres optiques repartis; Analyse et traitement de données massives

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

Contexte global:
À ce jour, le progrès continu dans les technologies des capteurs repartis à fibres optiques (CRFO) pour les mesures des paramètre physiques (température, déformations mécaniques, vibrations mécaniques et acoustiques) a permis un déploiement de ces capteurs sur le terrain dans des domaines variées (génie civil, géotechniques, structures intelligentes, surveillance des : éoliennes, pipelines,…)[1-6]. Ces capteurs peuvent ainsi être particulièrement adaptés à l’instrumentation de zones difficiles d’accès ou situées dans des environnements contraignants, où les capteurs classiques ne fonctionnent plus correctement. Dans le cas des structures de génie civil complexes et de grandes dimensions, le réseau d’instrumentation par fibres optiques et la géométrie d’installation nécessitent de prendre en compte la compatibilité entre trois composants:
1.L’unité d’interrogation optoélectronique:
C’est le « cerveau » du réseau qui interroge les fibres optiques et traduit la réponse optique intrinsèque en mesures des déformations ou variations thermiques. Une seule acquisition permet d’obtenir un profil de déformation ou de température tout le long de la fibre optique, avec des dizaines de milliers de points de mesures. La technique d’interrogation est basée sur l’analyse en réflectométrie temporelle ou fréquentielle de la rétrodiffusion de l’onde optique modulée dans le cœur de la fibre optique. Ce «cerveau» est caractérisé principalement par les phénomènes de rétrodiffusion qu’il exploite (Rayleigh, Brillouin ou Raman), sa puissance et sensibilité de détection optique ainsi que sa capacité de traitement électronique. Ces caractéristiques permettront après calibration, suivant le type de fibre optique « capteur », de préciser la portée maximale, la résolution spatiale minimale, la sensibilité mécanique/thermique et enfin la fréquence d’acquisition.
2.Le câble à fibre optique «capteur» installé dans un milieu hôte:
Il est constitué d’une ou plusieurs fibres optiques intégrées dans un enrobage adapté aux matériaux composants du milieu hôte, du paramètre physique à mesurer et de la précision attendue, des contraintes de mise en place et des conditions de l’utilisation et de l’environnement [7-9]. Les différentes techniques de mesures reparties le long d’une fibre optique basées sur la réflectométrie optique exploitent la fibre optique comme un capteur uni-axial suivant son axe de symétrie [10-11]. Ce « neurone » est caractérisé principalement par sa géométrie, ses éléments mécaniques constituants, l’adhérence mécanique et la conductivité thermique entre les différents éléments du câble et leurs stabilités chimiques à long terme. Ou plus généralement par sa fonction de transfert mécanique/thermique.
3.Les câbles à fibres optique de connexion, ils relient le « cerveau » aux « neurones » : Ils peuvent contenir des commutateurs optiques pour distribuer le signal d’interrogation aux différents « capteurs », en fonction de la complexité de la structure à instrumenter. Ces fibres de connexion doivent garantir un transfert de signal optique sans dégradation entre l’unité d’interrogation optoélectronique et le câble capteur.
Cependant, la mise en pratique d’un réseau d’instrumentation efficace et durable des structures par des CRFOs dépends de l’objectif de cette instrumentation :
-Alerte sur l’état de santé structurel
-Détection, quantification, classification des anomalies (ex. les fissures) et le suivi de leur évolution
-Mesure des déformations/vibrations mécaniques/température avec une haute précision [6]
Cette mise en place fonctionne parfaitement dans les conditions de laboratoire, un environnement contrôlé à faibles perturbations extérieures ou environnementales, mais dès que le capteur est installé dans une infrastructure réelle avec des perturbations environnementales variées non-négligeables (mécaniques, thermiques et chimiques) les différentes mesures deviennent inexploitables et le réseau d’instrumentation est non fonctionnel.
Jusqu’à présent, la majorité des applications des capteurs à fibres optiques pour l’instrumentation des grandes structures ont été réalisé avec des faibles perturbations extérieurs et sur des durées limitées. Dans le cas général un travail de poste traitement des données acquises par la fibre optique nécessite un temps d’investigation non négligeable des données massives pour obtenir les informations utiles. Cette procédure devenue très complexe en présence des perturbations variées notamment l’instrumentation des grandes structures complexes et des paramètres variés. Pour ces raisons l’utilisation des capteurs à fibre optiques se limite jusqu’à nos jours à des cas spécifiques : mise en place linéaire des fibres optiques, faibles perturbations environnementales dans une durée limitée.
Le LISIS a développé son expertise pour délivrer une mesure précise du profil de déformation/variations thermiques ce qui permet une identification précoce des anomalies dans différentes types de structures et pour différentes applications [12-17].

Objectifs scientifiques
L’objectif de la thèse est d’étudier et valider le concept d’un CRFO « intelligent »: Nous cherchons à développer une méthode de traitement massif des mesures obtenus par les fibres optiques dans des structures réelles avec une géométrie complexe, qui subissent des perturbations environnementales variées. Les principaux résultats attendus sont un profil précis des déformations mécaniques et des variations thermiques, un diagnostique automatique d’ouverture des fissures en contact avec la fibre optique et l’identification des microfissurations.
Pour cela nous envisageons deux approches à étudier dans des conditions de laboratoire :
a-Une approche de calcul optique:
Travailler sur le traitement de signal optique pour améliorer la qualité de signal et traduire les informations acquises. Une analyse du réseau de l’instrumentation est à développer en prenant en compte les paramètres de l’unité d’interrogation optoélectronique, les câbles de connexion et les capteurs. Nous allons exploiter principalement la technique de réflectométrie fréquentielle qui repose sur la rétrodiffusion Rayleigh. Cette technique permet d’avoir accès aux données intrinsèque de la fibre optique avec une résolution spatiale millimétrique, notamment l’évolution de la polarisation de la lumière dans la fibre lors de sa propagation.
b-Une approche expérimentale:
Différents échantillons de ‘béton-armé : milieu hôte’ seront réalisés et instrumentés par fibres optiques. Des câbles à fibre optique sont à installer à cœur pendant la fabrication et d’autres seront installés en surface après la fabrication. Une instrumentation conventionnelle sera également mise en place. Des perturbations extérieures mécaniques seront introduites via des composants piézoélectriques, des variations thermiques cycliques, puis une dégradation mécanique contrôlée des échantillons.
Par la suite, des algorithmes seront développés pour obtenir des profils de déformation en fonction de la température du milieu hôte, identifier les fissurations et les microfissurations. Le développement d’une fonction de transfert mécanique et thermique des câbles à fibres optiques est à étudier durant cette phase.
Dans une deuxième phase nous travaillerons principalement sur la structure des blocs à différents échelles. Ce qui va permettre d’éprouver et valider le concept du capteur à fibres optiques reparti « intelligent » développé.

Le travail de la thèse s’attachera donc à :
-Une analyse détaillée puis une synthèse de l’état de l’art du domaine d’étude. En particulier, nous ferons la distinction entre les différents concepts des capteurs intelligents, leur niveau de maturité, les spécificités de leur implémentation technologique, leur performances attendues.
-Réaliser des travaux de modélisation visant à approfondir la compréhension du problème lié à l’impact de chaque composant dans un réseau d’instrumentation par fibre optique reparti et développer ensuite les outils numériques de conception et d’optimisation les plus pertinents.
-Définir avec l’encadrement l’étude expérimental à réaliser afin de démontrer la fiabilité des outils numérique recherchés.
-Mener une étude de fusion des informations mesurées par les capteurs à fibres optiques et les capteurs traditionnels, analyser les résultats expérimentaux et éliminer l’impact des perturbations sur les mesures réalisées.
-Étudier de transformer les données perturbées acquises en informations utiles.

Refs:
[1]R. Alan, Measurement Science and Technology, vol. 10, no. 8, p. R75, 1999
[2]Sensing Issues in Civil Structural Health Monitoring, F. Ansari, Springer Netherlands 2005
[3]K. Bremer et al., Procedia Technology, vol. 26, pp. 524-529, 2016.
[4]L. Zeni et al., Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, vol. 7, no. 4, pp. 458-462, 8. 2015
[5]P. Klikowicz et al., Procedia Engineering, vol. 161, pp. 958-962, 2016
[6]An Introduction to Distributed Optical Fibre Sensors, A. H. Hartog, CRC Press 2017
[7]F. Ansari and Y. Libo, Journal of Engineering Mechanics Vol. 124 Issue 4 Pages 385-394 (1998)
[8]V. Raman et al. Sensors 19 (3) 2019
[9]P. Marchand et al., Journal of Structural Engineering 145 (1), 04018225 (2019)
[10]A.Khadour, J. Waeytens, Ch.5 In: Eco-efficient Repair and Rehabilitation of Concrete Infrastructures, Elsevier Science, pp97-121 (2017)
[11]M. Drissi-Habti, et al., Sensors 17 (4) (2017)
[12]A. Tixier,Université de Grenoble 2013
[13]H. MOUZANNAR, Univ. de Lyon 2016
[14]D. A. Ho, Univ. de Lyon 2017
[15]V. RAMAN, EC de Nantes 2017
[15]J. G. De Sauvage, Univ. de Lyon 2018
[16]I. ALJ, Univ. Paris-Est 2020
[17]S. T. Kreger et al., V 9852, pp. 98520T-98520T-1

Mots-clefs: Capteurs repartis à fibres optiques, Capteur intelligent, traitement et analyse des données, anomalies, instrumentation des infrastructures à grande échelle

Laboratoire principal - Référent principal	COSYS - IMSE - KHADOUR Aghiad tél. : +33 181668388
Directeur du laboratoire principal	LINGUERRI Roberto -
Spécialité de la thèse	Capteurs à fibres optiques repartis; Analyse et traitement de données massives
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 Contexte global: À ce jour, le progrès continu dans les technologies des capteurs repartis à fibres optiques (CRFO) pour les mesures des paramètre physiques (température, déformations mécaniques, vibrations mécaniques et acoustiques) a permis un déploiement de ces capteurs sur le terrain dans des domaines variées (génie civil, géotechniques, structures intelligentes, surveillance des : éoliennes, pipelines,…)[1-6]. Ces capteurs peuvent ainsi être particulièrement adaptés à l’instrumentation de zones difficiles d’accès ou situées dans des environnements contraignants, où les capteurs classiques ne fonctionnent plus correctement. Dans le cas des structures de génie civil complexes et de grandes dimensions, le réseau d’instrumentation par fibres optiques et la géométrie d’installation nécessitent de prendre en compte la compatibilité entre trois composants: 1.L’unité d’interrogation optoélectronique: C’est le « cerveau » du réseau qui interroge les fibres optiques et traduit la réponse optique intrinsèque en mesures des déformations ou variations thermiques. Une seule acquisition permet d’obtenir un profil de déformation ou de température tout le long de la fibre optique, avec des dizaines de milliers de points de mesures. La technique d’interrogation est basée sur l’analyse en réflectométrie temporelle ou fréquentielle de la rétrodiffusion de l’onde optique modulée dans le cœur de la fibre optique. Ce «cerveau» est caractérisé principalement par les phénomènes de rétrodiffusion qu’il exploite (Rayleigh, Brillouin ou Raman), sa puissance et sensibilité de détection optique ainsi que sa capacité de traitement électronique. Ces caractéristiques permettront après calibration, suivant le type de fibre optique « capteur », de préciser la portée maximale, la résolution spatiale minimale, la sensibilité mécanique/thermique et enfin la fréquence d’acquisition. 2.Le câble à fibre optique «capteur» installé dans un milieu hôte: Il est constitué d’une ou plusieurs fibres optiques intégrées dans un enrobage adapté aux matériaux composants du milieu hôte, du paramètre physique à mesurer et de la précision attendue, des contraintes de mise en place et des conditions de l’utilisation et de l’environnement [7-9]. Les différentes techniques de mesures reparties le long d’une fibre optique basées sur la réflectométrie optique exploitent la fibre optique comme un capteur uni-axial suivant son axe de symétrie [10-11]. Ce « neurone » est caractérisé principalement par sa géométrie, ses éléments mécaniques constituants, l’adhérence mécanique et la conductivité thermique entre les différents éléments du câble et leurs stabilités chimiques à long terme. Ou plus généralement par sa fonction de transfert mécanique/thermique. 3.Les câbles à fibres optique de connexion, ils relient le « cerveau » aux « neurones » : Ils peuvent contenir des commutateurs optiques pour distribuer le signal d’interrogation aux différents « capteurs », en fonction de la complexité de la structure à instrumenter. Ces fibres de connexion doivent garantir un transfert de signal optique sans dégradation entre l’unité d’interrogation optoélectronique et le câble capteur. Cependant, la mise en pratique d’un réseau d’instrumentation efficace et durable des structures par des CRFOs dépends de l’objectif de cette instrumentation : -Alerte sur l’état de santé structurel -Détection, quantification, classification des anomalies (ex. les fissures) et le suivi de leur évolution -Mesure des déformations/vibrations mécaniques/température avec une haute précision [6] Cette mise en place fonctionne parfaitement dans les conditions de laboratoire, un environnement contrôlé à faibles perturbations extérieures ou environnementales, mais dès que le capteur est installé dans une infrastructure réelle avec des perturbations environnementales variées non-négligeables (mécaniques, thermiques et chimiques) les différentes mesures deviennent inexploitables et le réseau d’instrumentation est non fonctionnel. Jusqu’à présent, la majorité des applications des capteurs à fibres optiques pour l’instrumentation des grandes structures ont été réalisé avec des faibles perturbations extérieurs et sur des durées limitées. Dans le cas général un travail de poste traitement des données acquises par la fibre optique nécessite un temps d’investigation non négligeable des données massives pour obtenir les informations utiles. Cette procédure devenue très complexe en présence des perturbations variées notamment l’instrumentation des grandes structures complexes et des paramètres variés. Pour ces raisons l’utilisation des capteurs à fibre optiques se limite jusqu’à nos jours à des cas spécifiques : mise en place linéaire des fibres optiques, faibles perturbations environnementales dans une durée limitée. Le LISIS a développé son expertise pour délivrer une mesure précise du profil de déformation/variations thermiques ce qui permet une identification précoce des anomalies dans différentes types de structures et pour différentes applications [12-17]. Objectifs scientifiques L’objectif de la thèse est d’étudier et valider le concept d’un CRFO « intelligent »: Nous cherchons à développer une méthode de traitement massif des mesures obtenus par les fibres optiques dans des structures réelles avec une géométrie complexe, qui subissent des perturbations environnementales variées. Les principaux résultats attendus sont un profil précis des déformations mécaniques et des variations thermiques, un diagnostique automatique d’ouverture des fissures en contact avec la fibre optique et l’identification des microfissurations. Pour cela nous envisageons deux approches à étudier dans des conditions de laboratoire : a-Une approche de calcul optique: Travailler sur le traitement de signal optique pour améliorer la qualité de signal et traduire les informations acquises. Une analyse du réseau de l’instrumentation est à développer en prenant en compte les paramètres de l’unité d’interrogation optoélectronique, les câbles de connexion et les capteurs. Nous allons exploiter principalement la technique de réflectométrie fréquentielle qui repose sur la rétrodiffusion Rayleigh. Cette technique permet d’avoir accès aux données intrinsèque de la fibre optique avec une résolution spatiale millimétrique, notamment l’évolution de la polarisation de la lumière dans la fibre lors de sa propagation. b-Une approche expérimentale: Différents échantillons de ‘béton-armé : milieu hôte’ seront réalisés et instrumentés par fibres optiques. Des câbles à fibre optique sont à installer à cœur pendant la fabrication et d’autres seront installés en surface après la fabrication. Une instrumentation conventionnelle sera également mise en place. Des perturbations extérieures mécaniques seront introduites via des composants piézoélectriques, des variations thermiques cycliques, puis une dégradation mécanique contrôlée des échantillons. Par la suite, des algorithmes seront développés pour obtenir des profils de déformation en fonction de la température du milieu hôte, identifier les fissurations et les microfissurations. Le développement d’une fonction de transfert mécanique et thermique des câbles à fibres optiques est à étudier durant cette phase. Dans une deuxième phase nous travaillerons principalement sur la structure des blocs à différents échelles. Ce qui va permettre d’éprouver et valider le concept du capteur à fibres optiques reparti « intelligent » développé. Le travail de la thèse s’attachera donc à : -Une analyse détaillée puis une synthèse de l’état de l’art du domaine d’étude. En particulier, nous ferons la distinction entre les différents concepts des capteurs intelligents, leur niveau de maturité, les spécificités de leur implémentation technologique, leur performances attendues. -Réaliser des travaux de modélisation visant à approfondir la compréhension du problème lié à l’impact de chaque composant dans un réseau d’instrumentation par fibre optique reparti et développer ensuite les outils numériques de conception et d’optimisation les plus pertinents. -Définir avec l’encadrement l’étude expérimental à réaliser afin de démontrer la fiabilité des outils numérique recherchés. -Mener une étude de fusion des informations mesurées par les capteurs à fibres optiques et les capteurs traditionnels, analyser les résultats expérimentaux et éliminer l’impact des perturbations sur les mesures réalisées. -Étudier de transformer les données perturbées acquises en informations utiles. Refs: [1]R. Alan, Measurement Science and Technology, vol. 10, no. 8, p. R75, 1999 [2]Sensing Issues in Civil Structural Health Monitoring, F. Ansari, Springer Netherlands 2005 [3]K. Bremer et al., Procedia Technology, vol. 26, pp. 524-529, 2016. [4]L. Zeni et al., Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, vol. 7, no. 4, pp. 458-462, 8. 2015 [5]P. Klikowicz et al., Procedia Engineering, vol. 161, pp. 958-962, 2016 [6]An Introduction to Distributed Optical Fibre Sensors, A. H. Hartog, CRC Press 2017 [7]F. Ansari and Y. Libo, Journal of Engineering Mechanics Vol. 124 Issue 4 Pages 385-394 (1998) [8]V. Raman et al. Sensors 19 (3) 2019 [9]P. Marchand et al., Journal of Structural Engineering 145 (1), 04018225 (2019) [10]A.Khadour, J. Waeytens, Ch.5 In: Eco-efficient Repair and Rehabilitation of Concrete Infrastructures, Elsevier Science, pp97-121 (2017) [11]M. Drissi-Habti, et al., Sensors 17 (4) (2017) [12]A. Tixier,Université de Grenoble 2013 [13]H. MOUZANNAR, Univ. de Lyon 2016 [14]D. A. Ho, Univ. de Lyon 2017 [15]V. RAMAN, EC de Nantes 2017 [15]J. G. De Sauvage, Univ. de Lyon 2018 [16]I. ALJ, Univ. Paris-Est 2020 [17]S. T. Kreger et al., V 9852, pp. 98520T-98520T-1
Mots-clefs:	Capteurs repartis à fibres optiques, Capteur intelligent, traitement et analyse des données, anomalies, instrumentation des infrastructures à grande échelle

Liste des sujets

N'oubliez pas de contacter préalablement le référent ou le Directeur du laboratoire