Système de détection acoustique distribuée

Dans les années 1980 l'US Navy invente un système de détection de la signature sonore de sous-marins grâce à des câbles à fibres optiques traînés derrière des navires[1].

À la toute fin du XX^e siècle, l'industrie pétrogazière doublait ses pipelines et ses forages avec de la fibre. Une lumière laser rétrodiffusée y détectait des variations anormales de température signifiant un problème de puits ou de rupture de conduite.

La fracturation hydraulique, utilise ensuite des fibres de forage informant l'opérateur du degré de fracturation de la roche et des petits séismes induits par l'injection de fluide de fracturation sous haute-pression dans la roche[1].

En 2015, des chercheurs utilisent l'une des fibres d'un câble de 15 kilomètres reliant deux centrales géothermiques d'Islande. Ils détectent ainsi des séismes lointains tout en localisant leurs sources sismique. Au même moment en Californie, sous Stanford ,une boucle de fibre de 2,5 kilomètres captait les tremblements de terre, mais aussi les vibrations du trafic, les bruits de pas, voire les vagues sur l'océan[1]. Puis en 2018, Un boîtier interrogateur connecté à une fibre posée par le Monterey Bay Aquarium Research Institute au large de la côte californienne, connectée à divers instruments sous-marins détecte un petit tremblement de terre tout en révélant à 10 km du littoral une zone de faille jusqu'alors inconnue[1].

Les fibres devraient permettre de mieux comprendre les mouvements sur Terre, et à moindre coût, car là où les sismomètres classiques doivent être espacés de plusieurs kilomètres, la fibre permet une mesure tous les 1 à 2 mètres le long du câble. Des câbles optiques ont ainsi été testés sur des objets géologiques dynamiques tels que des glaciers (dont le glacier du Rhône dans les Alpes suisses) ; des volcans (ex. : le Grímsvötn en Islande où le câble a enregistré en quelques mois plus de 1 800 micro-séismes, à moins de 10 kilomètres de la caldeira, soit plus de 10 fois le nombre repéré par le sismomètre en place) ; le pergélisol (à Fairbanks, en Alaska) ; et divers zones sismiques à risque. Et on espère grâce à eux pouvoir mieux prévoir les mouvements de glaciers et de pergélisols et les avalanches (d'autant que les câbles sont plus faciles à utiliser que les sismomètres traditionnels coûteux et difficiles à déployer dans les environnements très froids), le risque d'éboulis, de coulée de boue et d'éruption volcanique ou de tsunami (ainsi que les pressions changeantes des marées et des courants)[1]. Des câbles OceansOffshore réagissent des tempêtes, au trafic maritime et enregistrent des ondes acoustiques sondant les couches de températures océaniques, données utiles à la compréhension du dérèglement climatique. En ville, ils enregistrent des changements de trafic et de fréquentation par les piétons, par exemple corrélés aux dans le contexte pandémique[1].

En 2020, des chercheurs norvégiens ont réussi grâce à un nouveau type d'interrogateur à détecté des vibrations à 120 kilomètres du rivage, via un simple câble à fibre optique installé au large de Svalbard, détectant non seulement des tremblements de terre de la dorsale médio-atlantique, des tempêtes, des houles océaniques, mais aussi le trafic maritime ou encore les appels solitaires du Rorqual bleu ou du Rorqual commun.

Dans une fibre optique, des informations sont codées dans la lumière. Il se trouve que la silice constituant ces fibres contient toujours de petits défauts. Ces derniers se comportent comme de minuscules miroirs perturbant le flux de photons[1]. Les câbles de réseaux de télécommunications déjà posés contiennent généralement quelques fibres dites « sombres » (ou noires), surnuméraires et non utilisées. Elles peuvent être momentanément ou longuement utilisées par les chercheurs, sans perturber les communications transportées par le câble, par exemple pour capter les vibrations de piétons et de véhicules[1] ou des failles en train de s'activer. La fibre peut être utilisée à la manière d'un radar : des « interrogateurs » (ou box) y envoient une impulsion laser, puis enregistrent les anomalies de réflexions provenant des défauts échelonnés le long du câble. Chaque fois qu'une onde de pression externe comprime et traverse une section de la fibre, (d'un simple bruit de pas à un séisme), elle modifie la forme et la position les défauts de quelques nanomètres, ce qui induit un léger déphasage de la lumière réfléchie. En envoyant dans la fibre plusieurs milliers d'impulsions par seconde, il est possible de créer l'image d'une onde sismique traversant la fibre, jusqu'à 100 kilomètres voire plus de l'opérateur, et tout au long le long de la fibre[1].

Une impulsion laser cohérente est envoyée le long d'une fibre optique, et les sites de diffusion à l'intérieur de la fibre font que la fibre agit comme un interféromètre distribué avec une longueur de jauge approximativement égale à la longueur d'impulsion. L'intensité de la lumière réfléchie est mesurée en fonction du temps après transmission de l'impulsion laser. Ceci est connu sous le nom de réflectométrie optique cohérente dans le domaine temporel de Rayleigh (COTDR). Lorsque l'impulsion a eu le temps de parcourir toute la longueur de la fibre et de revenir, l'impulsion laser suivante peut être envoyée le long de la fibre. Les changements dans l'intensité réfléchie des impulsions successives de la même région de fibre sont provoqués par des changements dans la longueur du chemin optique de cette section de fibre. Ce type de système est très sensible à la fois aux variations de contrainte et de température de la fibre et les mesures peuvent être effectuées presque simultanément à toutes les sections de la fibre.

La détection acoustique distribuée repose sur la lumière rétrodiffusée par Rayleigh à partir de petites variations de l'indice de réfraction de la fibre. La lumière rétrodiffusée a la même fréquence que la lumière transmise. Il existe un certain nombre d'autres techniques de détection par fibre distribuée qui reposent sur différents mécanismes de diffusion et peuvent être utilisées pour mesurer d'autres paramètres. La diffusion Brillouin se produit en raison de l'interaction entre la lumière et les phonons acoustiques se déplaçant dans la fibre. Comme la lumière est diffusée par un phonon en mouvement, sa fréquence est décalée par effet Doppler d'environ 10 GHz. La lumière est générée à la fois au-dessus (décalage anti-Stokes) et en dessous ( décalage de Stokes ) de la fréquence optique d'origine. Les décalages d'intensité et de fréquence des deux composants dépendent à la fois de la température et de la contrainte et en mesurant les décalages, les valeurs absolues des deux paramètres peuvent être calculées à l'aide d'un système de détection de température et de contrainte distribuée (DTSS). La diffusion de Brillouin est beaucoup plus faible que la diffusion de Rayleigh et les réflexions d'un certain nombre d'impulsions doivent donc être additionnées pour permettre la réalisation des mesures. Par conséquent, la fréquence maximale à laquelle les changements peuvent être mesurés à l'aide de la diffusion de Brillouin est généralement de quelques dizaines de Hz. La diffusion Raman se produit lorsque la lumière est diffusée en interaction avec des vibrations moléculaires dans la fibre. Comme pour la diffusion Brillouin, des composants Stokes et anti-Stokes sont produits et ceux-ci sont décalés de la longueur d'onde de la lumière incidente de plusieurs dizaines de nanomètres. En mesurant le rapport d'intensité entre les composants Stokes et anti-Stokes, une valeur absolue de température peut être mesurée par un système de détection de température distribuée (DTS). Les décalages de longueur d'onde plus importants par rapport à la diffusion Brillouin signifient qu'il est plus facile de séparer la lumière Raman diffusée de la composante diffusée Rayleigh non décalée. Cependant, l'intensité du scatter Raman est encore plus faible que le scatter Brillouin et il est donc normalement nécessaire de faire la moyenne pendant plusieurs secondes voire minutes afin d'obtenir des résultats raisonnables. Par conséquent, les systèmes basés sur Raman ne conviennent que pour mesurer des températures variant lentement.

La sensibilité et la vitesse de la détection basée sur Rayleigh permettent une surveillance distribuée des signaux acoustiques sur des distances de plus de 100 km [4] de chaque source laser. Les applications typiques incluent

• la surveillance continue des pipelines pour détecter les interférences indésirables et les fuites ou les irrégularités de débit ;
• surveillance des câbles d'alimentation pour détecter les interférences indésirables et les défauts de câble[5]^,[6] ;
• surveiller le trafic (routes, chemins de fer et trains [7] ), les frontières et autres périmètres sensibles [8] pour détecter toute activité inhabituelle ; et même des applications de surveillance de puits de pétrole où la technologie permet de déterminer l'état du puits tout au long de sa longueur en temps réel. La capacité de la fibre optique à fonctionner dans des environnements difficiles rend la technologie particulièrement bien adaptée aux scénarios dans lesquels les systèmes de détection typiques sont inutilisables ou peu pratiques en raison des conditions environnementales. [9] La longue portée de la technologie permet également son utilisation dans la détection sismique. Un câble peut fournir une ligne continue de surveillance de l'activité sismique régionale et également détecter des tremblements de terre à des milliers de kilomètres. [10]

• Réflectomètre optique dans le domaine temporel
• Réflectomètre
• Réflectomètre temporel
• Réflectomètre optique temporel

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