Modélisation et conception d'un capteur de vibrations à fibre optique par analyse polarimétrique : Application à la sismologie

Concept and modeling of a vibration fiber-optic sensor by polarimetric analysis : Application to seismology

• Auteur / Autrice : Antoine Lebrun
• Direction : Bruno Serio, Ayoub Chakari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes sismiques

Fibres optiques

Capteurs (technologie)

Résumé

De nombreuses approches à la détection sismiques ont été proposées, de l'utilisation d'accéléromètres pour la mesure des vibrations du sol aux actuateurs électrodynamiques. Nous présentons ici le développement d'un transducteur polarimétrique utilisant une fibre optique monomode pour la mesure de vibrations pour des fréquences sub-acoustiques typiques en sismologie. La partie mécanique de notre transducteur uni-axial repose sur le principe d'un oscillateur avec masse et ressort. Une section de fibre est coincée entre le socle du transducteur et la masse sismique, générant une contrainte verticale sur cette fibre dont l'effet élasto-optique produit une biréfringence dans la fibre de même fréquence que la force appliquée. Nous couplons à ce transducteur une diode laser fibrée travaillant à 632 nm ainsi qu'un polariseur. La modulation de polarisation induite est mesurée en sortie de fibre et permet d'obtenir l'information sur le signal sismique. Le modèle physique de ce sismomètre inertiel est considéré comme étant un ensemble masse-ressort avec frottements visqueux. Les données expérimentales ont permit de mesurer une sensibilité du capteur de 1,78 g/V pour les fréquences comprises entre 1 et 20 Hz en accord avec les sismomètres courte période. Le niveau de bruit du capteur est de 0,48 μm/s²/√Hz, obtenu en comparant avec un vélocimètre Doppler étalonné. La bande de fonctionnement du capteur est déterminée par sa fréquence de résonance, modulée par les contraintes appliquées sur le ressort et la fibre et est réglable entre 20 Hz et 600 Hz sur ce prototype. Ces mesures permettent de conclure à la preuve de concept de ce capteur comme sismomètre courte période.

Numerous approaches to seismic detection have been proposed, using either accelerometers to measure the ground acceleration or geophones based on electro-dynamic actuator velocimeters. In this document, we present the design and the development of a polarimetric transducer using a single-mode optical fiber for low level and low frequency vibration measurements such as those encountered in seismology. The mechanical part of our one-dimensional seismic sensor is based on a spring-mass device. A small section of the fiber is squeezed between a substrate connected to the ground and the sprung mass. The resulting force acts along a vertical direction onto a small section of the optical fiber. The elasto-optic effect induces stress birefringence which varies temporally with the frequency of the applied force. We used a polarized and single-mode laser diode source to couple light in the fiber. The induced polarization modulation measured at the output of the fiber gives information of the seismic signals. The physical model of the developed inertial seismometer has been considered as a mass-and-spring system with viscous damping. Experiments show that the sensor has a sensitivity of 1,78 g/V which is enough to detect powerful seismic wave for frequencies lower than 20 Hz. The noise level has been measured by comparison with a Doppler velocimeter to be 0,48 μm/s²/√Hz. The bandpass of the fiber-optic sensor is determined by the value of the oscillator's main frequency. It can be modulated in this setup by constraints on the spring between 20 Hz and 600 Hz. In conclusion, the polarimetric sensor proves to be a correct first version seismometer in the low period band.