Qu’est-ce que la détection par fibre optique ?

La détection par fibre optique utilise les propriétés physiques de la lumière qui traverse une fibre optique afin de détecter des changements de température, de contrainte, de vibration (acoustique) et d’autres paramètres. Cette technologie utilise la fibre optique comme un capteur pour créer des milliers de points de détection continus le long de la fibre optique. C’est ce que l’on appelle les mesures réparties par fibre optique, une technologie dans laquelle la fibre optique même sert de capteur à fibre optique distribuée.

Les appareils qui mesurent la fibre optique sont généralement appelés des « interrogateurs optiques ». L’objectif est d’utiliser une fibre optique standard ou spécifique pour en mesurer la température, la contrainte ou la vibration à l’aide de techniques de mesures réparties par fibre optique utilisées par la diffusion de type Raman, Brillouin ou Rayleigh.

En utilisant un interrogateur de détection par fibre optique, il est notamment possible de :

• Détecter et localiser n’importe quelle zone sensible le long d’un câble d’alimentation.
• Détecter et localiser toute contrainte excessive sur le câble optique de télécommunications afin d’intervenir avant qu’il ne casse.
• Détecter des interférences de tiers sur des pipelines ou des interconnexions de datacenters (DCI).

Voici quelques exemples d’applications de la détection par fibre optique :

• Surveillance de l’usure
• Blocage des fuites et lignes d’écoulement
• Surveillance des réservoirs
• Récupération d’huile thermique

• Détection de fuites
• Surveillance des mouvements de terrain

• Détection et localisation des zones sensibles
• Intensité admissible (coefficient thermique en temps réel…)
• Réseau intelligent

• Détection de fissures
• Gestion et conception d’infrastructure
• Barrage, digue
• Zones sismiques

• Surveillance des câbles optiques enterrés
• Surveillance des câbles aériens
• Identification de fibre optique soumise à une contrainte excessive
• Vieillissement de la fibre optique

Un câble optique peut servir de passerelle de communication entre une station de test et un détecteur externe. C’est ce que l’on appelle la détection extrinsèque. Cependant, lorsque la fibre même fait office de système de détection par fibre optique, on parle alors de détection intrinsèque.

L’avantage de ce type de technologie de détection par fibre optique, c’est qu’il n’est pas nécessaire de disposer d’interfaces discrètes entre la fibre optique et les détecteurs externes, ce qui réduit la complexité et les coûts. Pour cela, des stimulations externes telles des fluctuations de température, de contrainte ou de vibrations (ondes acoustiques) doivent influencer l’émission lumineuse acheminée à l’intérieur du câble d’une manière pouvant être mesurée, afin de fournir des données exploitables.

Le phénomène dans lequel des photons lumineux sont diffusés de manière aléatoire par le matériau de la fibre optique s’appelle la diffusion de Rayleigh. Ce principe s’est avéré utile dans différentes techniques de tests de la fibre optique, notamment dans le cadre des tests de réflectométrie optique (OTDR), car l’intensité, la longueur d’onde et la position de la lumière rétrodiffusée vers le détecteur déterminent l’ampleur et la position des événements d’atténuation et de réflexion se produisant au sein d’une fibre optique.

De la même manière, la diffusion Raman produit des changements induits par la température dans les photons rétrodiffusés vers la source dans le cadre du déplacement de Stokes. En mesurant la différence entre l’intensité de la lumière rétrodiffusée dans les bandes Stokes et anti-Stokes, la température peut être déterminée de manière précise à tout emplacement le long de la fibre.

La diffusion Brillouin est un phénomène semblable dans lequel la longueur d’onde de la lumière rétrodiffusée est influencée par la température externe et la stimulation acoustique de manière prévisible. Ces données, une fois associées aux données générales sur la température au même point, peuvent être utilisées pour déterminer de manière précise la contrainte subie par la fibre optique et analysées afin de définir les zones où la fibre est affectée.

La diffusion Rayleigh cohérente peut être utilisée pour détecter les vibrations et les ondes acoustiques. Le changement de phase de la lumière est sensible aux vibrations et aux ondes acoustiques auxquelles est soumis le câble de fibre optique. En analysant ces changements de phase, il est possible d’identifier l’emplacement et l’intensité des vibrations sur toute la longueur de la fibre optique.

Détection distribuée par fibre optique

Les diffusions Raman et Brillouin sont utilisées efficacement dans la détection distribuée par fibre optique (Distributed Fiber Sensing, DFS). La diffusion Raman est utilisée pour la détection de température distribuée (Distributed Temperature Sensing, DTS), la diffusion Brillouin pour la détection de température et de contrainte distribuées (Distributed Temperature and Strain Sensing, DTSS) et la diffusion Rayleigh pour la détection acoustique distribuée (Distributed Acoustic Sensing, DAS). Ces mesures peuvent être utilisées pour surveiller avec précision la température, la contrainte et les vibrations sur des dizaines de kilomètres.

Dans ce contexte, le terme « distribué » fait simplement référence à une technologie de détection par fibre optique capable d’effectuer des mesures de manière continue sur toute la longueur de la fibre optique ou via un capteur à fibre optique distribuée. En fait, la fibre elle-même est le capteur. Puisque ces méthodes de détection par fibre optique sont totalement intrinsèques, la fibre optique de télécommunication standard peut être utilisée comme support si l’on prévoit que la température ne dépassera pas 100 °C et à condition que la fibre optique ne subisse pas d’interruption chimique ou mécanique excessive.

Évolution de la détection par fibre optique

Avant même que la fibre optique ne devienne une méthode de télécommunication dans les années 1970, son potentiel dans le cadre des applications de détection par fibre optique avait été compris. Le capteur photonique, un détecteur par fibre optique externe utilisé pour mesurer les vibrations sans contact, a été breveté en 1967. Au milieu des années 1980, les principes du gyroscope à fibre optique avaient déjà été établis. En effectuant le suivi du décalage de phase de la source optique laser contenue dans la fibre optique, il était possible d’obtenir des données rotationnelles précises.

Voici quelques applications pouvant être prises en charge par les interrogateurs de détection par fibre optique.

• Détection pour réseaux optiques : protéger, inspecter ou surveiller des réseaux de fibre optique
• Détection pour la surveillance de l’infrastructure : une fibre optique peut être utilisée pour la surveillance de l’infrastructure si elle fait office de sonde. Dans ce cas d’utilisation, il est possible de déployer une fibre optique le long d’une infrastructure cruciale, comme un pont, un pipeline, un point d’accès sécurisé/une ouverture de sécurité ou encore sur le mur d’un barrage afin de déclencher une alarme si la fibre subit une contrainte ou un mouvement soudain, ou si la température de la fibre expose l’infrastructure à un risque de dommage ou de défaillance. Elle peut servir à sécuriser des ouvertures telles que des portes ou des bouches d’égout en actionnant une alarme en cas d’ouverture forcée. 
• Protection de l’infrastructure : la détection acoustique peut être utilisée pour identifier ou localiser les menaces (intentionnelles et non intentionnelles) affectant des actifs critiques tels que des frontières, des chemins de fer, des câbles électriques et des pipelines dans le but de protéger l’infrastructure.

Les interrogateurs de détection par fibre optique de VIAVI permettent de nombreuses applications de surveillance d’infrastructure.

• Détection des mouvements du sol et des interférences de tiers le long d’un pipeline
• Détection des déformations mécaniques d’un pipeline
• Détection et localisation de fuites sur un pipeline, une digue, un barrage, etc.
• Détection et localisation de menaces et points de contrainte sur un réseau optique de télécommunications
• Détection et localisation d’avertissements de zone sensible thermique ou de proximité le long d’un câble d’alimentation

En utilisant un appareil portable, tel que la plateforme OneAdvisor avec capacité DTS ou DTSS, la personne chargée de l’inspection peut se rendre directement sur le terrain pour prendre des mesures sur les fibres optiques.  Sinon, il est possible d’utiliser  ONMSi et un testeur de fibre optique monté sur un châssis et disposant de la capacité DTS, DTSS ou DAS pour surveiller les fibres optiques sur le long terme et pour recevoir des alarmes en cas de détection de changements ou d’événements. 

Voici un exemple de DTSS de VIAVI :

• L’interrogateur DTSS de VIAVI est un réflectomètre optique Brillouin (BOTDR). Une courte impulsion lumineuse est envoyée dans la fibre optique utilisée comme détecteur optique. La lumière directe ainsi propagée génère une rétrodiffusion Brillouin à deux longueurs d’onde distinctes depuis n’importe quel point de la fibre optique.

• Les longueurs d’onde de la lumière Brillouin rétrodiffusée sont différentes de celles de la lumière incidente directe. Elles portent le nom de bandes « Stokes » et « anti-Stokes ». La différence de niveau et de fréquence des bandes Stokes et anti-Stokes de Brillouin fournit une image de la température et de la contrainte tout le long de la fibre.

Comment les tests de fibre optique permettent-ils de réduire le temps de réparation (MTTR) d’une infrastructure importante ou d’un réseau de fibre optique ?

La surveillance de la fibre optique actionne immédiatement une alarme dès qu’elle détecte un changement. Elle fournit également une carte de géolocalisation indiquant l’endroit précis où l’événement a été détecté sur la fibre optique. L’entreprise peut ainsi envoyer une équipe  inspecter la fibre optique ou effectuer à coup sûr les réparations nécessaires à l’endroit adéquat sans plus perdre de temps à localiser un problème sur la fibre. En savoir plus sur les tests de la fibre optique.

Les clients des fournisseurs de services de télécommunications et de datacenters locataires de fibre noire signaleront une dégradation de service causée par une rupture de la fibre optique alors que, souvent, en cas de rupture, le câble a été définitivement déformé d’un côté ou de l’autre du point de rupture ou du dommage. Prenons l’exemple typique d’une pelleteuse creusant à l’emplacement d’un câble. Le câble a été déplacé, étiré et déformé.  L’inspection de contrainte permettra à un technicien de déterminer avec exactitude quelles sections des câbles ont besoin d’être remplacées et au propriétaire des câbles en question de définir qui est responsable du dommage en se basant sur des preuves obtenues grâce à la détection par fibre optique DTSS.  Cette approche s’appliquera également aux dommages dus au mauvais temps et à des incidents tels que des chutes de branches sur des câbles aériens.

Le problème le plus courant, mais aussi l’un des plus difficiles à diagnostiquer, est celui d’un câble réseau ayant subi une contrainte excessive. La fibre optique affectée se retrouve étirée de manière définitive, ce qui la fragilise et peut potentiellement modifier ses propriétés de transmission optique. L’image ci-dessous représente un test de contrainte mettant en relief trois pics de contrainte via la DTSS. Les trois zones de cette fibre optique sont compromises, mais un test de réflectométrie optique de Rayleigh classique ne révélera pas ce problème. Grâce à ces pics, vous savez que la fibre a besoin d’être remplacée.

La technologie de détection par fibre optique offre une solution puissante pour la surveillance et la maintenance de l’infrastructure des services publics d’électricité. En utilisant des fibres optiques intégrées dans les câbles d’alimentation, les services publics disposent d’une surveillance continue et en temps réel des paramètres clés, et ils peuvent intervenir proactivement pour prévenir les dommages et éviter des réparations coûteuses.

Les lignes électriques sont exposées à diverses contraintes environnementales et opérationnelles susceptibles de générer une surchauffe, une contrainte mécanique et des pannes potentielles. Les fibres optiques installées le long des lignes électriques peuvent servir à surveiller la température, la contrainte et les vibrations en temps réel. Par exemple, la détection de zones sensibles peut signaler les zones dans lesquelles l’isolation se dégrade ou qui sont en situation de surcharge. En identifiant ces problèmes de manière précoce, les services publics peuvent planifier des interventions de maintenance ciblées avant qu’un problème mineur n’évolue en panne majeure, évitant ainsi des coupures de courant et minimisant les coûts de réparation.

Un autre avantage majeur de la détection par fibre optique est sa capacité à localiser avec précision les défauts le long des lignes électriques. Les méthodes traditionnelles de détection des défauts sont parfois lentes et coûteuses. Elles exigent souvent une inspection manuelle exhaustive à l’aide de camions, d’hélicoptères ou de drones. La détection par fibre optique permet d’identifier et de localiser rapidement les défauts causés par des dommages physiques, des facteurs environnementaux ou des anomalies opérationnelles. Cette capacité de localisation rapide des défauts permet aux entreprises de réagir promptement, ce qui réduit la durée des pannes et améliore la fiabilité de la distribution d’électricité.

Étant donné les nombreux résultats positifs obtenus grâce à la détection par fibre optique dans différents secteurs, on peut sans trop de risque supposer que l’efficacité et la rentabilité des produits existants continueront de s’améliorer parallèlement au développement de nouvelles applications. La FOSA a exploré en détail bon nombre de ces possibilités, notamment l’utilisation de la détection par fibre optique dans les « villes connectées », dans l’intégration de l’Internet des objets (IdO) et dans de nombreuses utilisations innovantes de la fibre optique conçues spécifiquement pour des environnements difficiles.

La détection de forme de fibre optique (Fiber optic shape sensing, FOSS) est une nouvelle procédure permettant d’obtenir en temps réel des données de localisation précises sur de longues portées et dans des géométries complexes. En intégrant ou en attachant la fibre optique à l’objet étudié, des structures telles que des éoliennes, des tunnels et des gratte-ciels peuvent voir leur facteur de forme, leur température, leur pression et d’autres paramètres être contrôlés et surveillés de manière ininterrompue.

Cette même capacité de détection de forme peut être utilisée pour explorer le corps humain à des fins diagnostiques dans le cadre du développement d’appareils médicaux nouveaux et innovants. La détection par fibre optique peut être utilisée pour effectuer le suivi d’instruments chirurgicaux, compléter l’imagerie et même diagnostiquer des maladies vasculaires. À mesure que la sécurité périphérique prend de l’importance, l’utilisation approfondie de la technologie de détection par fibre optique peut mener au déploiement de « barrières » de fibre optique capables d’identifier les intrusions sans barrières physiques encombrantes.

Même si les immenses avancées en termes de communication et de transfert de données, rendues possibles grâce à la fibre optique, sont désormais largement reconnues, la vaste gamme de capacités de détection distribuée par fibre optique offertes par ces mêmes composants de base est peut-être moins connue aujourd’hui. Dans une société de plus en plus connectée, la demande en termes de surveillance, de sécurité et de réduction des délais de réaction va continuer de croître. Une utilisation créative de la détection par fibre optique peut aider à répondre à ces demandes croissantes.

Quels sont les types d’interrogateurs de détection par fibre optique proposés par VIAVI ?

La gamme de produits de détection par fibre optique de VIAVI inclut :

• La détection de température distribuée (DTS) basée sur la technologie de réflectométrie Raman
• La détection de température et de contrainte distribuée (DTSS) basée sur la technologie de réflectométrie Brillouin
• La détection acoustique distribuée (DAS) basée sur la technologie de rétrodiffusion Rayleigh