Capteurs optiques sans contact

Les thématiques de recherche du GSII concernant les capteurs optiques pour des mesures de vitesses et déplacements mécaniques sans contact s’articulent autour des études suivantes :

  • ANR HIPERSIS ;
  • FUI MIRZA ;
  • Projet LINES (ANR RiskNat) ;
  • Contrats industriels.

Projet LINES (ANR RiskNat)

Présentation du projet

La catastrophe sismique du 25 Avril dernier, au Népal,  nous rappelle douloureusement notre vulnérabilité face aux grands tremblements de terre.  Bien que la sismicité historique de la région rendait envisageable un séisme d’une telle magnitude (M=7.8), relativement modeste au regard du séisme maximal possible dans cette région du méga-chevauchement Himalayen (M>8.5, 20 fois plus énergétique), personne ne l’avait vu venir. A-t-il été précédé de  phénomènes précurseurs, microséismes ou déformations du sol, signe d’une possible déstabilisation de la faille, qui aurait pu donner une alerte? Il est trop tôt pour le dire, et les sismogrammes et les positions GPS des stations locales vont être analysés rétrospectivement avec grande attention…

Rappelons cependant ici que la prédiction sismique à court terme, sur la base de tels phénomènes transitoires, est nécessairement de type probabiliste, car les zones de failles qui s’activent pendant plusieurs jours ou plusieurs mois avec des essaims de microséismes et/ou des glissements lents vont rarement être suivis d’une grande rupture sismique – et heureusement! Cependant, ces processus d’activation transitoires sont en fait, par eux-mêmes, importants à étudier, car ils peuvent caractériser  le degré de blocage (et donc de potentiel sismogène) de la zone qu’ils éclairent.

 Mesurer  au mieux ces mouvements transitoires renseigne donc  sur l’état de la faille, et sur son potentiel de  déstabilisation. Les détecter et les analyser s’avère donc une des clés pour progresser sur ces questions de prédictions. Cependant, en raison de leur très faible niveau de signal, leur suivi en temps réel demande des instruments sismologiques et géodésiques de très haute résolution, et en grand nombre.  Dans ce contexte, toute innovation technologique améliorant la finesse et  la robustesse de tels capteurs, tout en réduisant leur coût, est un vecteur de progrès.

 Le projet LINES, soutenu entre 2009 et 2013 par l’ANR Risknat, a précisément pour objectif de développer de tels instruments, basés sur des mesures optiques. Il associe des Laboratoires de Recherche publics et privés, associant compétences en géophysique (Geoscience  Montpellier),  opto-électronique  (OSE-LAAS, Toulouse), traitement du signal (ESEO, Angers), et sismologie (IPGP, Paris).  L’originalité des instruments LINES – inclinomètres et sismomètres – est de réaliser des mesures extrêmement précises de vibration ou d’inclinaison, par interférométrie laser, et de déporter le système de contrôle (laser, détecteur, PC) à l’autre bout de la fibre qui peut mesurer plusieurs kilomètres de long. Dans une version industrielle, un tel  système permettra à moindre coût des mesures déportées par de longs câbles optiques en forage profond et/ou haute températures, en fond de mer, dans des régions à risque où  les instruments commerciaux existants ont un coût d’installation et de maintenance rédhibitoire.

 Les prototypes du projet LINES (un sismomètre, un inclinomètre pendulaire de forage, et un inclinomètre longue base) testés au Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel (LSBB), montrent  d’excellentes performances, avec une  stabilité et une  résolution supérieure à celle des meilleurs appareils commerciaux. Leur valorisation est en cours, soutenus par des partenaires du Pôle de Compétitivité AVENIA et les SATTs. En sus des applications à la surveillance des aléas naturels (séismes, volcans, mouvements de terrain), les capteurs de LINES devraient avoir des applications importantes dans le secteur des geo-industries (gaz, pétrole, géothermie, stockage  souterrain,…).

Apport du GSII dans le projet LINES

Le Groupe Signal Image et Instrumentation (GSII) de l’ESEO intervient dans le projet LINES sur différents aspects allant de la modélisation des signaux interférométriques générés par les différents instruments jusqu’à l’implémentation des algorithmes de traitement du signal temps réel pour un fonctionnement des capteurs sur site souterrain.

Tout le développement a été réalisé sous LabVIEW FPGA sur flexRIO dans un premier temps pour réaliser le prototypage. Les algorithmes ont ensuite été optimisés pour pouvoir être implémentés sur une solution matérielle PC moins coûteuse (LabVIEW et C).

Principe physique des 3 capteurs développés

Inclinomètre de forage

L’inclinomètre de forage a été conçu de toutes pièces dans le cadre du projet LINES. Il a pour fonction de mesurer localement les déformations terrestres. Il repose sur le principe du pendule dont la position de l’extrémité est mesurée au moyen de trois capteurs optiques, comme le montre la figure 1. Le modèle théorique, ses modes d’oscillation propres ainsi que la calibration de l’appareil ont été développés dans le cadre de la thèse de Patrick Chawah.

Figure1 – principe de base de l’inclinomètre de forage

A titre d’exemple, la figure 2 présente les résultats typiques obtenus

Figure 2 – estimation de la position (abscisse et ordonnée) de l’extrémité du pendule en nm. La période d’oscillation propre du pendule est d’environ 0.6 Hz.


Figure 3 – estimation de la position (abscisse et ordonnée) de l’extrémité du pendule en nm lors du passage des ondes du séisme de Grèce le 19/09/2012 18h04 TU, M=4.6

L’inclinomètre longue base

La mécanique de l’inclinomètre longue base a été développée par Frédéric Boudin [Boudin F. et al.,  2008, A silica long base tiltmeter with high stability and resolution. Rev. Sci. Inst., 79, 034502]. L’inclinomètre longue base est constitué d’un tube horizontal d’une longueur de 200 mètres environ et reliant deux pots. L’ensemble contient de l’eau dont on mesure la hauteur dans chacun des deux pots afin d’estimer l’inclinaison sur la distance de l’instrument. Dans le cadre du projet Lines, l’inclinomètre a été équipé de deux mesures optiques pour chacun des pots, comme le montre la figure 4. L’amortissement mécanique étant très faible, la bande passante est relativement faible et permet à l’instrument de mesurer avec précision les marées terrestres sur lesquelles s’ajoutent des évènements épisodiques tels que les séismes par exemple.

Figure 4 : principe de l’inclinomètre longue base.
Figure 5 – à gauche : observation de la marée terrestre à l’aide de la mesure optique (courbe du haut) et erreur calculée avec une mesure LVDT (courbe du bas). A droite : effet du séisme de Sumatra, 11 avril 2012, M=8.7.
Figure 6 – comparaison des niveaux de bruit obtenus avec l’interféromètre optique et avec une mesure de déplacement par capteur LVDT.

Le sismomètre

Le sismomètre développé dans le cadre du projet Lines est construit à partir d’un sismomètre unidimensionnel : le L22 de Sercel. La mesure de la vitesse de déplacement de la masse mobile du sismomètre par phénomène d’induction a été remplacée par une mesure du déplacement lui-même par le capteur optique. La figure 7 présente de façon schématique le montage expérimental. Dans ces conditions, nous pouvons descendre très bas en fréquence, le sismomètre devient ainsi sensible aux inclinaisons du sol. La mesure est effectuée sur la bande allant de 0Hz à plus de 10kHz. Nous montrons que le sismomètre Lines a un signal basse fréquence correct jusqu’à au moins 50 s de période, ce qui est impossible à obtenir avec une sortie électrique sur le même capteur, en raison du très faible signal électrique associé.

Figure 7 – principe expérimental utilisé pour le sismomètre.

Le sismomètre est en place au LSBB depuis avril 2012 et a été testé dans différentes configurations, en augmentant par exemple la fréquence d’enregistrement à 10kHz. Les résultats obtenus sont comparés aux données délivrées par un STS2 installé à proximité. A titre d’exemple, les figures 8, 9 montrent la cohérence des mesures.

Figure 8 – Mesures effectuées après le séisme de Sumatra (11 avril 2012, M=8.7), comparaison des vitesses mesurées par le STS2 (courbe du haut) et le sismomètre Lines (courbe du bas). Les données sont filtrées dans la bande 100 s à 1 s.
Figure 9 – zoom.

 

Partenariat ENSEIIHT

Depuis une dizaine d’année, le GSII collabore étroitement avec l’École Nationale d’Électrotechnique, d’Électronique, d’Informatique, d’Hydraulique et des Télécommunications (ENSEEIHT) dans la conception et réalisation de capteurs optiques.

 

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