Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Modélisation et caractérisation de capteurs à fibre optique continus

Laboratoire principal - Référent principal COSYS - SII  -  CHAPELEAU Xavier      tél. : +33 240845963

Directeur du laboratoire principal DUMOULIN Jean  -

Spécialité de la thèse Capteur à fibre optique continu et instrumentation

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

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE RENNES 1

Ecole doctorale Mathématiques, STIC

Directeur de thèse prévu ZHANG Qinghua  -  INRIA  -  I4S

Co-directeur de thèse prévu BOURQUIN Frédéric  -  Ifsttar  -  COSYS

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Les technologies de mesures de déformation réparties ou continues par fibre optique connaissent un essor important depuis plus d’une décennie. Elles sont en effet de plus en plus utilisées pour des applications de monitoring de structures de génie civil.

De par leur grande portée de mesure (plusieurs kilomètres) et une résolution spatiale de l’ordre du mètres, les technologies basées sur la rétrodiffusion Brillouin (BOTDA, BOTDR) sont bien adaptées pour surveiller des structures de grandes dimensions. A l’inverse, la technologie basée sur la mesure de la rétrodiffusion Rayleigh par OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) permet d’obtenir des profils de déformation spatialement très résolus (longueur de jauge et pas d’échantillonnage de seulement quelques millimètres sur plusieurs dizaines de mètre de fibre optique). Des gradients de déformation très localisés (sur quelques centimètres) peuvent ainsi être mesurés et surveillés comme par exemple ceux induits par la présence d’une singularité (fissure) ou par une géométrie particulière ou encore par un assemblage hétérogène. Néanmoins, des études récentes montrent que ce type de mesure répartie dépend de la fonction de transfert mécanique du capteur à fibre optique. Etant donné qu'il est constitué d’un empilement de différents revêtements, la déformation existant le long de la fibre optique (à l’extérieur de la dernière couche de revêtement) se transfert progressivement (spatialement) jusqu’au cœur de la fibre qui est l’élément sensible du capteur à fibre optique [1, 2]. Cela peut alors conduire à sous-estimer les valeurs des gradients de déformation comme montré dans [3]. La prise en compte de la fonction de transfert du capteur à fibre optique est donc primordiale pour interpréter correctement des mesures de gradients de déformation très localisés.

Différents modèles analytiques ont montré que la fonction de transfert est décrite par une équation différentielle, dont la solution dépend de manière non linéaire d’un paramètre caractéristique appelé "strain-lag parameter". Il prend compte la géométrie et les propriétés mécaniques des différents constituants du capteur à fibre optique [3, 4, 5, 6, 7]. L’estimation de ce paramètre peut être obtenu par des méthodes d’optimisation non linéaires, minimisant l'erreur entre la mesure du capteur et la sortie du modèle [3]. Néanmoins, cette approche est peu robuste et nécessite que l'approximation initiale soit déjà suffisamment proche de la solution optimale. En outre, des travaux antérieurs sur la mesure d’ouverture de fissure ont montré les limites des modèles analytiques de la fonction de transfert, notamment pour les capteurs à fibre optique dit « robustes ». Ces derniers sont constitués de plusieurs revêtements ayant des propriétés mécaniques très différentes [4,8] et ils ont généralement un diamètre assez grand (supérieur à 2mm). Ces caractéristiques invalident certaines hypothèses simplificatrices utilisées pour établir les modèles analytiques existants.

L'objectif de la thèse est tout d’abord de développer une nouvelle modélisation analytique de la fonction de transfert en se basant sur de nouvelles hypothèses valides pour les câbles optiques robustes. Le développement du nouveau modèle devra aussi être indépendant de la forme du champ de déformation qui s’exerce le long du capteur. Ensuite, il s’agira de mettre au point une méthodologie robuste d’estimation d’un vecteur qui regroupe les paramètres caractéristiques de la fonction de transfert. Pour cela, on exploitera des observateurs adaptatifs qui sont des algorithmes permettant d’estimer les paramètres d’équations différentielles [9,10]. Le modèle d'équation différentielle devra être transformé de manière appropriée afin de garantir la convergence globale de ces algorithmes. Ces développements algorithmiques devront s’accompagner d’un travail experimental de validation qui nécessitera de trouver la meilleure configuration d’essai adéquat à la méthode d’estimation du vecteur caractéristique de la fonction de transfert de cables optiques. La validation de la méthode s'effectuera par la réalisation d’essais sur des éprouvettes instrumentées avec différents types de câbles optiques robustes. Il est important de souligner qu’il n’existe à ce jour aucune norme ou référentiel permettant de qualifier la fonction de transfert mécanique de câbles optiques. Les travaux de cette thèse permettront donc de répondre à cette problématique en apportant une nouvelle méthodologie rigoureuse et robuste de caractérisation de la fonction de transfert valide pour une large variété de cables optiques. En plus de ces travaux, différentes approches pourront également être étudiées pour résoudre le problème inverse consistant à corriger les mesures de déformation de l’effet de la fonction de transfert.

Le travail sera réalisé à l’Université Gustave Eiffel - campus de Nantes dans le laboratoire COSYS/SII-I4S. La direction de thèse sera assurée par Frédéric Bourquin (Ingénieur Général des Ponts des Eaux et Forêts, Dr, HdR, Université Gustave Eiffel) et Qinghua Zhang (Directeur de Recherche, HdR, Inria) avec Xavier Chapeleau comme superviseur. Le doctorant sera inscrit à l’Ecole doctorale MSTIC (Université Gustave Eiffel) et il fera partie de l’équipe I4S (équipe commune Université Gustave Eiffel et Inria, https://team.inria.fr/i4s/).

En termes de valorisation, il est envisagé de réaliser à minima deux articles dans des revues internationales à comité de lecture ainsi qu’une conférence internationale avec acte.

Mots-clefs : Capteur à fibre optique continu, fonction de transfert mécanique, modélisation, essais

Bibliographie
1. Jean-Marie Hénault. Approche méthodologique pour l’évaluation des performances et de la durabilité des systèmes de mesure répartie de déformation : application à un câble à fibre optique noyé dans le béton. PhD thesis. Université Paris-Est, 2013.
2. J.-M. Hénault, M. Quiertant, S. Delepine-Lesoille, J. Salin, G. Moreau, F. Taillade, K. Benzarti. Quantitative strain measurement and crack detection in RC structures using a truly distributed fiber optic sensing system. Construction and Building Materials, 37, pp. 916–923, 2012.
3. X. Chapeleau, A. Bassil. A general solution to determine strain profile in the core of distributed fiber optic sensors under any arbitrary strain fields. Sensors, 21(16), 5423, 2021.
4. Antoine Bassil. Distributed Fiber Optics Sensing techniques for Crack Monitoring of Concrete Structures. PhD thesis. Ifsttar/Université de Nantes, 2019.
5. A. Bassil, X. Chapeleau, D. Leduc and O. Abraham. Concrete Crack Monitoring using a Novel Strain Transfer Model for Distributed Fiber Optics Sensors. Sensors, 20(8), pp. 2220, 2020.
6. F. Ansari and Y. Libo. Mechanics of bond and interface shear transfer in optical fiber sensors. Journal of engineering mechanics 124(4), pp. 385–394, 1998.
7. L. Alj, M. Quiertant, A. Khadour, Q. Grando, B. Terrade, J.-C. Renaud, K. Benzarti. Experimental and Numerical Investigation on the Strain Response of Distributed Optical Fiber Sensors Bonded to Concrete: Influence of the Adhesive Stiffness on Crack Monitoring Performance. Sensors, 20, 5144, 2020.
8. A. Bassil, X. Chapeleau, D. Leduc, O. Abraham. Quantification of cracks in reinforced concrete structures using distributed fiber optic sensors. EWSHM 2018, 9th European Workshop on Structural Health Monitoring, Manchester (UK), July 2018.
9. Qinghua Zhang. Adaptive observer for multiple-input-multiple-output (MIMO) linear time varying systems. IEEE Trans. on Automatic Control, 47(3):525-529, 2002.
10. Qinghua Zhang. Adaptive Kalman Filter for Actuator Fault Diagnosis. Automatica, 93:333-342, July 2018.

Mots-clefs: Capteur à fibre optique continu, fonction de transfert mécanique, modélisation, essais

Laboratoire principal - Référent principal	COSYS - SII - CHAPELEAU Xavier tél. : +33 240845963
Directeur du laboratoire principal	DUMOULIN Jean -
Spécialité de la thèse	Capteur à fibre optique continu et instrumentation
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE RENNES 1
Ecole doctorale	Mathématiques, STIC
Directeur de thèse prévu	ZHANG Qinghua - INRIA - I4S
Co-directeur de thèse prévu	BOURQUIN Frédéric - Ifsttar - COSYS
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Les technologies de mesures de déformation réparties ou continues par fibre optique connaissent un essor important depuis plus d’une décennie. Elles sont en effet de plus en plus utilisées pour des applications de monitoring de structures de génie civil. De par leur grande portée de mesure (plusieurs kilomètres) et une résolution spatiale de l’ordre du mètres, les technologies basées sur la rétrodiffusion Brillouin (BOTDA, BOTDR) sont bien adaptées pour surveiller des structures de grandes dimensions. A l’inverse, la technologie basée sur la mesure de la rétrodiffusion Rayleigh par OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) permet d’obtenir des profils de déformation spatialement très résolus (longueur de jauge et pas d’échantillonnage de seulement quelques millimètres sur plusieurs dizaines de mètre de fibre optique). Des gradients de déformation très localisés (sur quelques centimètres) peuvent ainsi être mesurés et surveillés comme par exemple ceux induits par la présence d’une singularité (fissure) ou par une géométrie particulière ou encore par un assemblage hétérogène. Néanmoins, des études récentes montrent que ce type de mesure répartie dépend de la fonction de transfert mécanique du capteur à fibre optique. Etant donné qu'il est constitué d’un empilement de différents revêtements, la déformation existant le long de la fibre optique (à l’extérieur de la dernière couche de revêtement) se transfert progressivement (spatialement) jusqu’au cœur de la fibre qui est l’élément sensible du capteur à fibre optique [1, 2]. Cela peut alors conduire à sous-estimer les valeurs des gradients de déformation comme montré dans [3]. La prise en compte de la fonction de transfert du capteur à fibre optique est donc primordiale pour interpréter correctement des mesures de gradients de déformation très localisés. Différents modèles analytiques ont montré que la fonction de transfert est décrite par une équation différentielle, dont la solution dépend de manière non linéaire d’un paramètre caractéristique appelé "strain-lag parameter". Il prend compte la géométrie et les propriétés mécaniques des différents constituants du capteur à fibre optique [3, 4, 5, 6, 7]. L’estimation de ce paramètre peut être obtenu par des méthodes d’optimisation non linéaires, minimisant l'erreur entre la mesure du capteur et la sortie du modèle [3]. Néanmoins, cette approche est peu robuste et nécessite que l'approximation initiale soit déjà suffisamment proche de la solution optimale. En outre, des travaux antérieurs sur la mesure d’ouverture de fissure ont montré les limites des modèles analytiques de la fonction de transfert, notamment pour les capteurs à fibre optique dit « robustes ». Ces derniers sont constitués de plusieurs revêtements ayant des propriétés mécaniques très différentes [4,8] et ils ont généralement un diamètre assez grand (supérieur à 2mm). Ces caractéristiques invalident certaines hypothèses simplificatrices utilisées pour établir les modèles analytiques existants. L'objectif de la thèse est tout d’abord de développer une nouvelle modélisation analytique de la fonction de transfert en se basant sur de nouvelles hypothèses valides pour les câbles optiques robustes. Le développement du nouveau modèle devra aussi être indépendant de la forme du champ de déformation qui s’exerce le long du capteur. Ensuite, il s’agira de mettre au point une méthodologie robuste d’estimation d’un vecteur qui regroupe les paramètres caractéristiques de la fonction de transfert. Pour cela, on exploitera des observateurs adaptatifs qui sont des algorithmes permettant d’estimer les paramètres d’équations différentielles [9,10]. Le modèle d'équation différentielle devra être transformé de manière appropriée afin de garantir la convergence globale de ces algorithmes. Ces développements algorithmiques devront s’accompagner d’un travail experimental de validation qui nécessitera de trouver la meilleure configuration d’essai adéquat à la méthode d’estimation du vecteur caractéristique de la fonction de transfert de cables optiques. La validation de la méthode s'effectuera par la réalisation d’essais sur des éprouvettes instrumentées avec différents types de câbles optiques robustes. Il est important de souligner qu’il n’existe à ce jour aucune norme ou référentiel permettant de qualifier la fonction de transfert mécanique de câbles optiques. Les travaux de cette thèse permettront donc de répondre à cette problématique en apportant une nouvelle méthodologie rigoureuse et robuste de caractérisation de la fonction de transfert valide pour une large variété de cables optiques. En plus de ces travaux, différentes approches pourront également être étudiées pour résoudre le problème inverse consistant à corriger les mesures de déformation de l’effet de la fonction de transfert. Le travail sera réalisé à l’Université Gustave Eiffel - campus de Nantes dans le laboratoire COSYS/SII-I4S. La direction de thèse sera assurée par Frédéric Bourquin (Ingénieur Général des Ponts des Eaux et Forêts, Dr, HdR, Université Gustave Eiffel) et Qinghua Zhang (Directeur de Recherche, HdR, Inria) avec Xavier Chapeleau comme superviseur. Le doctorant sera inscrit à l’Ecole doctorale MSTIC (Université Gustave Eiffel) et il fera partie de l’équipe I4S (équipe commune Université Gustave Eiffel et Inria, https://team.inria.fr/i4s/). En termes de valorisation, il est envisagé de réaliser à minima deux articles dans des revues internationales à comité de lecture ainsi qu’une conférence internationale avec acte. Mots-clefs : Capteur à fibre optique continu, fonction de transfert mécanique, modélisation, essais Bibliographie 1. Jean-Marie Hénault. Approche méthodologique pour l’évaluation des performances et de la durabilité des systèmes de mesure répartie de déformation : application à un câble à fibre optique noyé dans le béton. PhD thesis. Université Paris-Est, 2013. 2. J.-M. Hénault, M. Quiertant, S. Delepine-Lesoille, J. Salin, G. Moreau, F. Taillade, K. Benzarti. Quantitative strain measurement and crack detection in RC structures using a truly distributed fiber optic sensing system. Construction and Building Materials, 37, pp. 916–923, 2012. 3. X. Chapeleau, A. Bassil. A general solution to determine strain profile in the core of distributed fiber optic sensors under any arbitrary strain fields. Sensors, 21(16), 5423, 2021. 4. Antoine Bassil. Distributed Fiber Optics Sensing techniques for Crack Monitoring of Concrete Structures. PhD thesis. Ifsttar/Université de Nantes, 2019. 5. A. Bassil, X. Chapeleau, D. Leduc and O. Abraham. Concrete Crack Monitoring using a Novel Strain Transfer Model for Distributed Fiber Optics Sensors. Sensors, 20(8), pp. 2220, 2020. 6. F. Ansari and Y. Libo. Mechanics of bond and interface shear transfer in optical fiber sensors. Journal of engineering mechanics 124(4), pp. 385–394, 1998. 7. L. Alj, M. Quiertant, A. Khadour, Q. Grando, B. Terrade, J.-C. Renaud, K. Benzarti. Experimental and Numerical Investigation on the Strain Response of Distributed Optical Fiber Sensors Bonded to Concrete: Influence of the Adhesive Stiffness on Crack Monitoring Performance. Sensors, 20, 5144, 2020. 8. A. Bassil, X. Chapeleau, D. Leduc, O. Abraham. Quantification of cracks in reinforced concrete structures using distributed fiber optic sensors. EWSHM 2018, 9th European Workshop on Structural Health Monitoring, Manchester (UK), July 2018. 9. Qinghua Zhang. Adaptive observer for multiple-input-multiple-output (MIMO) linear time varying systems. IEEE Trans. on Automatic Control, 47(3):525-529, 2002. 10. Qinghua Zhang. Adaptive Kalman Filter for Actuator Fault Diagnosis. Automatica, 93:333-342, July 2018.
Mots-clefs:	Capteur à fibre optique continu, fonction de transfert mécanique, modélisation, essais

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