Sujet ESYCOM

ESYCOM
LISIS
Sujet de thèse transverse
Étude d’un système de surveillance de structures bas coût par fibres optiques,
reposant sur l’effet Brillouin et analyse des paramètres influents par méthode statistique
Contexte de l’étude
L’utilisation de capteurs distribués à fibres optiques délivrant une information en chaque point de la
fibre constitue un outil majeur des stratégies de surveillance de structures à grande échelle en
génie civil.
Le phénomène de diffusion Brillouin spontanée (ou stimulée), dans le domaine des capteurs à
fibres optiques, fait l’objet d’une forte investigation scientifique depuis les années 1990 [1].
Les solutions industrielles proposées reposent sur l’analyse spectrale de l’onde de Stokes
rétrodiffusée tout le long de la fibre. Ainsi, un dispositif B-OTDR (Brillouin Optical Time-Domain
Reflectometer) peut réaliser une mesure du décalage de la fréquence Brillouin (de l’ordre de
11GHz autour de 1.55µm) avec une résolution spatiale métrique et une sensibilité des mesures de
déformation et de température respectivement de l’ordre de 10µm/m et 0.5°C [2], mais pour un
coût élevé (de l’ordre de 100k€) ce qui limite leur utilisation.
Les différents travaux antérieurs et actuels réalisés par I’Ifsttar [3-5] et les compétences en
modélisation électrique des composants optiques et optoélectroniques au sein de l’Esycom [6]
permettront d’étudier un système bas coût à hautes performances. Ce système repose sur
l’utilisation d’une diode laser bi-mode à la longueur d’onde de 1,55 µm. Des études d’optimisation
sur les paramètres de ce laser seront menées afin d’analyser les performances du système.
D’autre part, une méthode de post-traitement sur les spectres rétrodiffusés sera développée afin
d’améliorer la résolution spatiale, le long de la fibre optique, liée aux effets de bruit du système.
Objectifs de la thèse :
Il s’agit de concevoir et caractériser un système bas coût innovant pour la détection des variations
de température ou de déformation dans un bâtiment, de résolution à l’état de l’art, reposant sur la
mesure du décalage du spectre Brillouin vers les basses fréquences (<1GHz).
L’intérêt de l’approche de modélisation des transducteurs électro-optiques et fibre optique est de
pouvoir simuler le système d’optique hétérodyne et de mener à bien son optimisation en fonction
de différents paramètres. Cet axe sera mené conjointement au sein d’Esycom-Le Cnam
(modélisation) et de l’Ifsttar (caractérisation). Le modèle électrique du laser bi-mode sera
développé en s’appuyant sur les études précédentes réalisées à Esycom pour des lasers
monomodes DFB. Pour ceci, des caractérisations optique et électrique de la source seront
menées à l’Ifsttar. Le modèle de la fibre optique existant (dispersion chromatique, effet nonlinéaire) sera complété pour prendre en compte les phénomènes inélastiques de l’effet Brillouin et
doit être de type distribué afin d’avoir la position spatiale de la variation de température ou de
déformation. Cet aspect sera mené par l’équipe d’Esycom.
A l’issue de la modélisation, le système sera simulé et validé par l’expérimentation avec une
solution d’hétérodynage optique à base d’un laser DFB. Cela consiste à mélanger le signal de
rétrodiffusion Brillouin avec un oscillateur local optique (OLO) pour détecter le signal Brillouin à
une fréquence d’environ 11 GHz. Le système avec le laser bi-mode sera ensuite étudié par
simulation. Un levier supplémentaire sera mené pour une optimisation du système reposant sur
l’étude des différents paramètres influents et leurs impacts sur les performances du système par le
développement d’une approche statistique, au sein d’Esycom Université Paris Est Marne La Vallée
[7].
La fin de thèse portera sur la validation expérimentale du système avec le laser bi-mode dont la
fréquence de battement pourra être accordée de sorte d’être proche de la fréquence Brillouin. Une
LISIS
étude sur le système final de certains paramètres déterminés, comme l’état de la polarisation du
signal optique injecté dans la fibre optique, sera comparée avec des résultats de mesures pour
réaliser une détection distribuée dynamique du spectre Brillouin innovante et à l’état de l’art. De
même, des méthodes de post-traitement sur les spectres de Brillouin seront développées afin
d’améliorer le rapport signal à bruit après détection et ainsi augmenter la résolution spatiale du
système.
Le doctorant sera intégré aux différentes équipes (Esycom-Le Cnam localisé à Paris 3ème, Ifsttar et
Esycom Université Paris Est Marne La Vallée localisés à Champs sur Marne) collaborant sur ce
sujet au rythme de l’évolution de sa thèse.
Le financement de cette thèse est une allocation de l’école doctorale MSTIC de Paris-Est, qui peut
être couplée à un complément lié une charge annuelle d’enseignement de 64 heures.
Contacts :
Anne-Laure Billabert: [email protected] (maître de conférences HDR ESYCOM)
Aghiad Khadour : [email protected] (chargé de recherché Ifsttar/LISIS)
Shermila Mostarshedi : [email protected] (maître de conférences ESYCOM)
Sali Faci : [email protected] (maître de conférences ESYCOM)
Catherine Algani : [email protected] (professeur des universités ESYCOM)
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
T. Horiguchi, T. Kurashima, and M. Tateda, "Tensile Strain Dependence of Brillouin Frequency
Shift in Silica Optical Fibers," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 1, pp. 107-108, 1989.
A. Motil, A. Bergman, and M. Tur, "[INVITED] State of the art of Brillouin fiber-optic distributed
sensing," Optics and Laser Technology, vol. 78, pp. 81-103, Apr 2016.
V. Lanticq, "Mesure répartie de température et de déformations par diffusion Brillouin : de la fibre
optique au capteur pour le génie civil," Thèse, École Doctorale d’Informatique, Télécommunications
et Électronique de Paris, Telecom ParisTech, 2009.
Y. Yan, "Modélisation du spectre Brillouin dans la fibre optique soumise à des déformations,"
Master 2, Université Pierre et Marie Curie, Paris VI, 2014.
A. Khadour and J.-L. Oudar, "Un dispositif tout-optique à bas-cout pour la réalisation des mesures
distribué dynamiques des spectres Brillouin des fibres optiques à la base du laser bifréquence,"
France Patent, 2015.
W-E.Kassa, A-L.Billabert, S.Faci, C.Algani, « Electrical Modeling of Semiconductor Laser Diode
for Heterodyne RoF System Simulation », IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 49, Issue 10,
23 july 2013, pp. 894 – 900.
P. Kersaudy, S. Mostarshedi, B. Sudret, O. Picon, & J. Wiart, "Stochastic analysis of scattered field
by building facades using polynomial chaos," IEEE Trans. Antennas Propagation, pp. 6382-6393,
Vol. 62, No. 12, 2014.