Détection par fibre optique

Un capteur de déformation à fibre optique, ou jauge de déformation optique, est une fibre optique utilisée pour détecter ou identifier une déformation grâce à une procédure dite de « mesure distribuée de déformation » utilisant un réflectomètre optique (Optical Time Domain reflectometer, OTDR) spécialisé. Ces capteurs sont utilisés pour mesurer les changements optiques afin de détecter une déformation sur une fibre optique lorsque des zones le long de la fibre de verre s’étirent et modifient le verre, la déformation finissant par entraîner sa rupture. À la différence des jauges de déformation électrique classiques, un capteur de déformation à fibre optique passif n’exige pas d’alimentation constante et n’est pas soumis aux interférences électromagnétiques qui peuvent produire du bruit au sein d’un système de jauge de déformation électrique. Un bruit qui peut rendre vos mesures illisibles.

Grâce à cet avantage, ces capteurs sont moins onéreux à l’utilisation et peuvent être utilisés dans des environnements physiques difficiles tout en demeurant des appareils de mesure fiables et incroyablement sensibles aux changements de déformation. Ils détectent la déformation en envoyant une impulsion optique le long de la fibre afin de mesurer la déformation sur le verre. Ces mesures peuvent être prises périodiquement à l’aide d’un OTDR DTSS (Distributed Temperature and Strain Sensor, ou « capteur distribué de température et de déformation ») lors d’une session de mesure sur le terrain, ou de manière régulière et automatisée à l’aide d’un OTDR DTSS permanent et monté en rack. La fibre optique est légère et bon marché, et elle offre une couverture complète une fois reliée aux appareils testés sur de nombreux sites.

Un capteur de déformation à fibre optique peut être utilisé pour détecter une déformation en divers points (par exemple le long d’un pipeline, sur un câble de télécommunications, sous terre, le long d’un pont ou encore sur une grande éolienne) tout en préservant les infrastructures et les activités humaines, et sans dommage au niveau environnemental. Les procédures de mesure sonore établissent toutes un référentiel de déformation lors de l’installation d’un capteur de déformation à fibre optique et les mesures évoluent avec le temps, permettant à une alarme automatique de déclencher des notifications de risques dès lors qu’un seuil de tolérance spécifique est dépassé.

Un capteur acoustique à fibre optique est une technologie avancée de détection par fibre optique. À la différence des capteurs traditionnels qui font des mesures à des points spécifiques, la mesure acoustique distribuée (DAS) surveille en permanence toute la longueur d'un câble en fibre optique. La fibre optique elle-même devient un élément distribué de détection, ce qui lui permet de détecter et de récupérer des informations sur les perturbations vibratoires dans la zone entourant des infrastructures critiques sur de longues distances.

En utilisant un appareil portable tel que les plateformes OneAdvisor 800/1000 de VIAVI avec une capacité DTS ou DTSS, un technicien peut se rendre directement sur le terrain pour prendre des mesures sur les fibres optiques. Ou, avec un ONMSi et un interrogateur à fibre optique (FTH-FOS) monté en rack et une capacité DTS ou DTSS, un NOC peut surveiller des fibres à distance à l’aide de tracés périodiques mis en place pour lancer une alarme si quelque chose diffère du tracé de référence initial.

En utilisant une solution montée en rack, telle que l’interrogateur à fibre optique VIAVI avec capacité de mesure acoustique (DAS), les propriétaires/exploitants de pipelines et les opérateurs de réseau de transport d'énergie (TSO) et autres peuvent installer une solution de surveillance et d’alarme en temps réel. Ils peuvent ainsi détecter, identifier et localiser les perturbations vibratoires susceptibles de représenter une menace pour les systèmes, et donner l’alerte.

Les détecteurs à fibre optique sont beaucoup moins onéreux et beaucoup moins fastidieux à installer et à utiliser en tant que riche source de points de données. Les fibres optiques présentes dans le câble constituent le capteur distribué et il s’agit d’un matériel peu coûteux, léger et facile à fixer ou à intégrer à un objet testé.

Les fibres optiques constituent des capteurs distribués extrêmement fiables qui n’exigent pas un courant électrique constant pour produire des données. De plus, elles ne craignent pas les interférences électromagnétiques et de radiofréquences. Dans le passé, les principales sources de données concernant la déformation et la température étaient des capteurs lourds, câblés et électriques dont l’installation nécessitait une importante intervention humaine.

En plus de nécessiter une source d’alimentation, les capteurs électromagnétiques peuvent se détacher, être encombrants et s’avérer d’un coût prohibitif. Sur les sites où l’électricité n’est pas facilement disponible ou présentant des problèmes de corrosion, de vibrations ou d’interférences électromagnétiques, ces capteurs ne sont pas pratiques. Les entrées ou sorties d’ondes électriques ou radio affectent leurs données de mesures. Les ponts dont la sécurité doit être surveillée constituent des candidats parfaits à la mise en place d’une solution économique de contrôle par capteur à fibre optique. Les fibres optiques d’une telle solution peuvent être intégrées ou activement attachées au pont de manière rétroactive afin de détecter la déformation et les risques de panne avant même que le pont ne cesse de fonctionner. Du moment que la fibre optique ne subit pas de pliage excessif, elle peut être installée sous forme sinusoïdale, permettant ainsi de multiplier les points de données sur une surface. Un réflectomètre optique détecte les microcourbures et les macro-courbures, et il peut servir à optimiser la déformation et les courbures lors de l’installation du capteur par fibre optique lorsqu’une application donnée requiert une fibre soumise à une légère déformation.

La détection par fibre optique peut fournir de nombreux types de données via la réflectométrie optique (OTDR), notamment des données sur l’acoustique, la déformation, la température et les propriétés de transmission de la lumière indiquant des mouvements ou des courbures et ruptures de la fibre optique. Ces données peuvent être obtenues tout le long d’une ou plusieurs fibres optiques et non plus seulement au niveau des sites discrets et dispersés sur lesquels sont placés les capteurs. Par exemple, utiliser un réflectomètre optique pour mesurer ces éléments permettra de déterminer les variations de température par gradient sur une longue portion de fibre optique. Il est aussi possible de voir où commence et où se termine une déformation en forme d’allongement de la fibre optique. Dans les télécommunications, la déformation doit être évitée. Mesurer les déformations protège donc le réseau et permet de réduire et réparer proactivement la déformation sur les câbles. Si l’on souhaite surveiller un pont, la déformation subie par le capteur à fibre optique permet d’identifier les mouvements affectant le pont, notamment l’affaissement, le serrement ou la déformation causés par la séparation des plaques du pont.

Prenons l’exemple de mesures thermiques réalisées dans un bâtiment qui exige une plage de températures bien spécifique, comme un datacenter, une centrale nucléaire ou une banque du sang. Des capteurs thermostatiques électrifiés traditionnels sont installés à différents endroits et effectuent régulièrement des relevés de points discrets. Les capteurs de température électroniques coûtent cher et exigent une alimentation électrique constante. Que se passe-t-il lorsqu’il manque un capteur sur un site ou qu’un capteur tombe en panne suite à une coupure d’électricité, à des températures extrêmes ou à des interférences électromagnétiques ? La température n’est pas régulée de manière optimale et des zones froides et chaudes apparaissent. Un filet de capteurs à fibre optique, formé d’un ou plusieurs câbles de fibre optique, peut être déployé dans tout le bâtiment pour obtenir des relevés sur des zones continues. Le filet de fibre optique peut fournir davantage de points de données, pour une meilleure couverture, un prix moindre et une plus grande fiabilité. Il suffit d’une impulsion optique émise par un réflectomètre laser pour interroger le capteur à fibre optique et l’appareil peut être alimenté par batterie pendant plus d’une journée en cas de coupure de courant.

De plus, la mesure acoustique distribuée (DAS) fournit des informations sur les fréquences sonores et les vibrations le long d'une fibre optique de détection, fournissant ainsi des informations continues et dynamiques en temps réel sur les perturbations vibratoires qui se produisent dans l'environnement autour de vos structures. La capacité de détection des menaces s’en trouve améliorée. Il devient possible de détecter et de localiser rapidement des menaces externes spécifiques, qu’il s’agisse de violations du périmètre de sécurité ou de travaux de construction imprévus (par exemple, creusement manuel ou mécanique), sans oublier les risques ou événements environnementaux. Les informations critiques nécessaires pour identifier et localiser les menaces, ce qui est essentiel pour réagir rapidement et protéger vos systèmes, sont ainsi disponibles.

Les câbles de communication sont omniprésents. On en trouve dans les environnements souterrains, sous-marins et aériens les plus rudes et inhospitaliers au monde, des lieux où la glace, le vent, les mouvements sismiques, l’érosion, les vagues, le vandalisme et l’erreur humaine contraignent ou rompent sans cesse des câbles, causant alors des interruptions et des dégradations de service. Les câbles sont parfois endommagés accidentellement durant l’installation. Soumis à une déformation excessive, un câble risque de se rompre et sa durée de vie, considérablement réduite, peut passer de 35/40 ans à quelques mois seulement.

Les câbles à longue distance et sous-marins sont extrêmement importants, mais très difficiles à entretenir en cas de mauvais temps ou sur des terrains distants et dangereux. La mesure distribuée de déformation effectuée à l’aide d’un capteur à fibre optique permettra au propriétaire d’un câble réseau de tester sa fibre lors de l’installation, puis de surveiller les risques de déformation excessive et les changements de déformation d’une fibre noire en service afin de réduire les ruptures. La Mauritanie a récemment fait l’expérience d’une rupture de câble sous-marin qui a déconnecté d’Internet l’ensemble du réseau pendant deux jours. La raison en est qu’un chalutier avait accroché le câble reliant la côte africaine à l’Europe sur le fond de la mer et provoqué sa rupture. Si la déformation de ce câble avait été surveillée, une alarme se serait déclenchée quand le câble a été tiré, avant sa rupture. Et s’il avait rompu malgré tout, un réflectomètre classique de Rayleigh aurait été en mesure de localiser la rupture au mètre près, réduisant ainsi la durée de la panne. Les câbles à longue distance et sous-marins sont extrêmement importants, mais très difficiles à entretenir en cas de mauvais temps ou sur des terrains distants et dangereux. La mesure distribuée de déformation effectuée à l’aide d’un capteur à fibre optique permettra au propriétaire d’un câble réseau de tester sa fibre lors de l’installation, puis de surveiller les risques de déformation excessive et les changements de déformation d’une fibre noire en service afin de réduire les risques de rupture. La surveillance par mesure acoustique distribuée permettra de détecter les menaces imminentes telles que les filets de pêche ou les ancres de navires. La Mauritanie a récemment fait l’expérience d’une rupture de câble sous-marin qui a déconnecté d’Internet l’ensemble du réseau pendant deux jours. La raison en est qu’un chalutier avait accroché le câble reliant la côte africaine à l’Europe sur le fond de la mer et provoqué sa rupture. Si la déformation ou l’acoustique de ce câble avait été surveillée, une alarme se serait déclenchée lors de l’approche, avant qu’il ne soit tiré et qu’il ne rompe. Et s’il avait rompu malgré tout, un réflectomètre classique de Rayleigh aurait été en mesure de localiser la rupture au mètre près, réduisant ainsi la durée de la panne.

Prenons l’exemple d’un câble aérien supportant une charge de glace excessive. L’opérateur réseau peut surveiller les câbles et localiser les segments du réseau où le personnel habilité doit retirer la glace afin d’éviter une déformation excessive. Après avoir subi une déformation, le câble peut être testé par comparaison aux mesures de tolérance MAT afin d’être remplacé en priorité. Des réflectomètres portables avec capteur à fibre optique DTSS et des réflectomètres interrogateurs à fibre optique montés sur rack sont disponibles. 

La cause la plus courante de rupture de câbles est l’action de machines d’excavation (on parle de « backhoe attenuation », c’est-à-dire d’endommagement accidentel d’un câble par une excavatrice). Souvent, une fois la rupture localisée, le câble est réparé à l’aide d’épissures ou de connecteurs au point de cassure. Mais cela ne résout le problème que de manière temporaire, car la déformation appliquée lorsque l’excavatrice a sorti le câble du sol endommage généralement plusieurs mètres de câble, des deux côtés du point de rupture.

Le câble risque de casser à nouveau lors de sa réinstallation ou d’être trop dégradé pour fournir un service approprié. Les réparations répétées coûtent cher et créent des dégradations de service supplémentaires. En collectant des mesures distribuées de déformation à l’aide d’un réflectomètre optique avec capteur à fibre optique, avant et après le point de rupture, le technicien est en mesure de fournir des preuves scientifiques permettant de démontrer avec précision quelles sections du câble doivent être remplacées. Ces preuves peuvent être utilisées pour déterminer qui doit assumer les coûts des dommages. Cela permet également d’éviter la répétition de l’envoi d’équipes de maintenance et des interruptions de service pour les clients, ainsi que les réparations inutiles sur les sections de câble en bon état qui n’ont pas subi de dommages dus à la déformation.

Les zones sensibles électriques sur les câbles des centrales électriques peuvent engendrer des risques d’incendie mortels et endommager l’infrastructure. C’est probablement ce qui est arrivé en Californie (États-Unis), où un câble électrique présentant une zone sensible électrique ou tombé à terre est suspecté d’avoir mis le feu à une forêt. Des vies et des biens matériels ont été perdus et le fournisseur d’électricité fait aujourd’hui face à des poursuites et risque la faillite.

La détection par fibre optique à distance utilisant la mesure distribuée de température (DTS) est la seule option économiquement viable capable de surveiller ce type de problèmes, et elle coûte infiniment moins cher que les coûts liés à une telle catastrophe. Une fibre optique est placée le long de la ligne de transmission pour la surveiller à distance. Une alarme se déclenche lorsque le système de capteur à fibre optique détecte une hausse de température, une déformation ou une courbure pouvant indiquer la chute d’une ligne. En associant cette alarme à une analyse des résultats OTDR de Rayleigh, il devient possible de localiser précisément le problème en cas de changement graduel ou soudain de la position de la fibre optique en comparant un tracé de référence à un tracé constant et périodique. L’alarme peut ainsi déclencher une coupure de courant d’urgence et lancer une investigation sur les lignes de transmission. Étant donné que l’analyse de fibre optique effectuée à l’aide d’un capteur à fibre optique ne craint pas les interférences électromagnétiques, elle constitue la source de données idéale dans ces environnements à interférences électromagnétiques élevées.