Solutions to B-OTDR limitations for structural health monitoring : improvement of the maximal measurement length and separation of temperature and strain

Cette thèse porte sur l’étude des systèmes de mesure répartie de la rétrodiffusion Brillouin dans une fibre optique, que l’on nomme B-OTDR et qui sont sensibles à la température et à la déformation de la fibre. Les solutions d'interrogateurs actuelles permettent l'instrumentation de grandes infrastructures. Cependant, il existe des limites, inhérentes au phénomène physique utilisé, qui ne permettent pas d'adresser certaines applications spécifiques. Ces limites portent sur la distance de mesure maximale accessible par ces interrogateurs mais également sur la décorrélation de la mesure des paramètres de température et de déformation. Nous avons donc cherché, au cours de cette thèse, à adresser des solutions à ces problématiques. Un nouveau système de ré-amplification optique, basé sur les technologies EDFA, a été mis au point. Associé à un système B-OTDR, cette solution nous a permis de réaliser une mesure distribuée de température sur 150 km de fibre avec une répétabilité de 1,5 °C. Cette avancée propose, à notre connaissance, les meilleurs résultats obtenus avec un tel système et nous permet d’envisager son déploiement pour la surveillance d’infrastructures du transport de l’énergie sur de longues distances. Nous avons dans un second temps conçu un nouvel interrogateur, utilisant la rétrodiffusion Brillouin, et permettant la décorrélation des mesures de température et de déformation sur une seule et unique fibre optique. Ce nouvel interrogateur, caractérisé et breveté durant cette thèse, a permis de réaliser une mesure indépendante de température et de déformation sur un câble spécifique inséré dans un puits de forage. Les résultats de ces mesures ont montré à la fois des variations de température et de déformation sur le câble, donnant des informations précieuses à l’opérateur du puits. Le nouvel interrogateur mis au point, permet une séparation de ces deux paramètres avec une répétabilité inférieure à 1 °C et 20 μm/m pour une distance de l’ordre du kilomètre. Pour des distances de l’ordre de la dizaine de kilomètres, la répétabilité de mesure est de 3 °C et 75 μm/m. Ce résultat fait l'état de l'art dans la séparation température/déformation par B-OTDR. Enfin, les différents travaux réalisés pour répondre à ces deux problématiques ont abouti au développement d’un prototype d’interrogateur qui laisse envisager une mesure simultanée de la température, de la déformation, des vibrations acoustiques et de la pression hydrostatique. Ce prototype conduit à des perspectives intéressantes pour une solution complète de surveillance d’infrastructures.This thesis deals with distributed optical fiber sensors, especially Brillouin sensors called B-OTDR that are sensitive both to temperature and strain. Some actual limitations due to the scattering phenomenon avoid deployment of this technology for some specific applications. These limitations are about the maximum length measured by the sensor but also the double sensitivity to strain and temperature. From our current B-OTDR sensor, we propose solutions to address these issues.A new re-amplification module using EDFA has been developed and characterized associated to a B-OTDR system. A 150 km distributed temperature measurement with 1,5 °C repeatability has been reached. This record performance let us consider a deployment for very long infrastructure monitoring for the energy transport. In another hand, we developed a new sensing device using Brillouin scattering and able to separate temperature and strain. This patented device has been characterized and used on a specific cable inserted in a well drilling. Results have shown a combination of strain and temperature variations on the cable that give very useful information to the well operator. We have reached a temperature repeatability of 1 °C and a strain repeatability of 20 μm/m for 1 km fiber. At 10 km, temperature repeatability has been evaluated to be 3 °C and strain to 75 μm/m. These results are to the state of art for temperature/strain separation using B-OTDR.These works have led to a new distributed measurement prototype that could address simultaneously temperature, strain, acoustic vibrations, and pressure sensing. Some interesting perspectives could result from these works to address a complete infrastructure monitoring using fiber optic sensing