Détection par fibre optique

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 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 la détection distribuée par fibre optique.

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 et la contrainte à l’aide de techniques de détection distribuée de type Raman et Brillouin.

Fiber Optic Sensing


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

  • Détecter et localiser n’importe quelle zone sensible le long de votre câble d’alimentation.
  • Détecter et localiser toute contrainte excessive sur le câble optique pour agir avant qu’il ne casse.

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

Fiber Optic Sensing

Comment la détection par fibre optique fonctionne-t-elle ?

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 ou de contrainte doivent influencer la source optique à l’intérieur du câble d’une manière pouvant être mesurée, afin de fournir des données exploitables.

On parle de « diffusion de Rayleigh » lorsque les photons de lumière sont renvoyés dans des directions aléatoires après avoir été en contact avec des particules à l’intérieur d’une fibre. 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 le volume, la longueur d’onde et la position de la lumière rétrodiffusée vers le détecteur déterminent l’ampleur et la position des événements d’atténuation se produisant au sein d’une fibre optique.

De même, la diffusion Raman produit des changements liés à la température au sein des 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 n’importe quel point de la fibre optique.

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.

Détection distribuée par fibre optique

Les diffusions Raman et Brillouin sont utilisées efficacement dans la détection par fibre optique distribuée (Distributed Fiber Sensing, DFS). La diffusion Raman est utilisée pour la détection de température distribuée (Distributed Temperature Sensing, DTS) et la diffusion Brillouin pour la détection de température et de contrainte distribuée (Distributed Temperature and Strain Sensing, DTSS). Ces mesures ne sont pas influencées par la perte optique de la fibre. Elles peuvent donc être utilisées pour surveiller avec exactitude la température et la contrainte 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. 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.

Les composants et l’infrastructure développés pour les fibres optiques de communication, y compris la fibre monomode et les coupleurs, convenaient tout aussi bien aux infrastructures de détection par fibre optique. L’immunité contre les stimuli électriques, la longue portée et la résistance à la corrosion constituaient des attributs supplémentaires avantageux dans le cadre de la détection par fibre optique. Bien que les premiers systèmes de détection par fibre optique intrinsèques aient été développés dans les années 1970, il a fallu attendre le début des années 1990 pour que l’utilisation de la détection par fibre optique distribuée se généralise et soit exploitée pour mesurer la température, la contrainte, la pression, l’acoustique et d’autres aspects. À la fin des années 1990, le marché du pétrole et du gaz fut l’un des premiers à prendre conscience des incroyables avantages liés à l’utilisation d’un système de détection de température distribuée par fibre optique.

C’est aussi à cette période que fut développé le réseau de Bragg sur fibre qui utilise une structure à fibre modifiée avec des « miroirs » optiques microscopiques placés sur toute la longueur de la fibre optique. Même si cette découverte s’est faite accidentellement lors d’une série d’expériences sur la lumière argon-ion, elle s’est par la suite avérée utile pour certains types de détection par fibre optique.

Le réseau de Bragg fait office de filtre ; il réfléchit les longueurs d’onde sélectionnées et permet aux autres de passer. La longueur d’onde réfléchie peut également varier en fonction de la température, de la contrainte ou de la pression, afin qu’une signature spécifique soit créée pour chaque réseau dans la fibre optique. Bien que ce modèle ait été utilisé avec succès dans de nombreux secteurs, il exige une construction de fibre optique spécifique et une analyse de longueur d’onde à très haute résolution, ce qui représente un coût prohibitif pour certaines applications de détection distribuée par fibre optique.

En 2017, l’organisation à but non lucratif Fiber Optic Sensing Association (FOSA, ou association de détection par fibre optique) a été créée afin d’éduquer les personnes concernées dans les secteurs publics, gouvernementaux et industriels sur les avantages de la détection par fibre optique. En se basant sur ses nombreux avantages actuels et potentiels, la FOSA produit du contenu éducatif qui soutient l’utilisation de la détection par fibre optique en vue d’influencer des sujets aussi variés et importants que l’activité sismique, le trafic d’êtres humains et les transports. Cette association et son équipe de direction ont su offrir une visibilité à la technologie révolutionnaire de détection par fibre optique.


Quelles sont les applications de la détection distribuée par fibre optique ?

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 : la fibre peut être utilisée pour la surveillance d’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, 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. 

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

  • Détection des mouvements du sol 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 d’incidents critiques sur un réseau optique de télécommunication
  • Détection et localisation de toute zone sensible le long d’un câble d’alimentation
Hotspots and leakage

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

La gamme de détection par fibre optique de VIAVI inclut :

  • La détection de température distribuée par fibre optique (DTS) basée sur la technologie de réflectométrie Raman
  • La détection de température et de contrainte distribuée (DTSS) basée sur la technologie de réflectométrie Brillouin

Comment inspecter régulièrement une infrastructure ?

En utilisant un appareil portable, tel que la plateforme MTS-8000 de VIAVI avec un module DTS ou DTSS, la personne chargée de l’inspection peut se rendre directement sur le terrain pour prendre des mesures sur les fibres optiques.  Ou, avec un ONMSi et un OTU (Optical Test Unit) monté en rack et un module DTS ou DTSS, les fibres optiques peuvent être surveillées à l’aide de tracés périodiques mis en place pour lancer une alarme si quelque chose diffère du tracé de référence. 

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.
DTSS MTS Strain

Fiber Sensor Under Test

  • 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.

Brillouin Spectra

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 signaleront une dégradation de service causée par une rupture de la fibre optique, mais 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.

Fiber Optic Sensing       Fiber Optic Sensing

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.

Fiber Optic Sensing

Quel avenir pour la détection par fibre optique ?

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.


 

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