développement d'un capteur de déplacement à fibre optique appliqué à l'inclinométrie et à la ...

181 Pages·2017·24.63 MB·French

by  Patrick Chawah

DÉVELOPPEMENT D’UN CAPTEUR DE
DÉPLACEMENT À FIBRE OPTIQUE APPLIQUÉ À
L’INCLINOMÉTRIE ET À LA SISMOLOGIE
Patrick Chawah
To cite this version:
PatrickChawah. DÉVELOPPEMENTD’UNCAPTEURDEDÉPLACEMENTÀFIBREOPTIQUE
APPLIQUÉ À L’INCLINOMÉTRIE ET À LA SISMOLOGIE. Géophysique [physics.geo-ph]. Univer-
sité Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2012. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00779335￿
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Submitted on 22 Jan 2013
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UNIVERSITÉ MONTPELLIER II
SCIENCES ET TECHIQUES DU LANGUEDOC
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ MONTPELLIER II
Discipline: Géosciences
École doctorale: SIBAGHE
rédigé par
P CHAWAH
ATRICK
D ’
ÉVELOPPEMENT D UN CAPTEUR DE
DÉPLACEMENT À FIBRE OPTIQUE APPLIQUÉ À
’
L INCLINOMÉTRIE ET À LA SISMOLOGIE
Jury
Francois BEAUDUCEL Physicien, IPGP, Paris, Rapporteur
Rodolphe CATTIN Professeur, UM2, Montpellier, Examinateur
Jean CHERY Professeur, UM2, Montpellier, Directeur de thèse
Jean-Pierre L’HUILLIER Professeur, ENSAM, Angers, Rapporteur
Mikhael MYARA Maitre de conférences, IES, Montpellier, Invité
Guy PLANTIER Professeur, ESEO, Angers, Co-directeur de thèse
Laurent SIMON Professeur, LAUM, Le Mans, Examinateur
ii
iii
Développementd’uncapteurdedéplacementàfibresoptiquesappliquéàl’inclinométrieetàlasismologie
Résumé:Le suivide ladéformationde lacroûteterrestredurantla phaseintersismiquepourla recherchedestransi-
toiresnécessitedesinstrumentspréciscapablesd’opérerpourdetrèslonguesdurées.LeprojetANR-LINESaviséle
développementdetroisnouveauxinstruments:unsismomètremono-axial,uninclinomètrehydrostatiqueàlonguebase
etuninclinomètredeforagependulaire.Cestroisinstrumentsprofitentd’uncapteurinterférométriquededéplacement
àlonguesfibresoptiquesdutypeFabry-PérotExtrinsèque(EFFPI).Leursarchitecturesmécaniquesetl’utilisationde
longuesfibrespermettentàcesinstrumentsgéophysiquesnouvellementfabriquésd’atteindrelesobjectifsfixés.
Le premier objectif de cette étude est de proposer des méthodes adaptées à l’estimation de la phase du chemin
optique dans les cavités Fabry-Pérot. Une modulation du courant de la diode laser, suivie par une démodulation ho-
modynedusignald’interférenceetunfiltredeKalmanpermettentdedéterminerlaphaseentempsréel.Lesrésultats
sontconvaincantspourdesmesuresdecourtesduréesmaisexigentdessolutionscomplémentairespourseprémunirdes
effetsdelavariationdesphénomènesenvironnementaux.
LecapteurEFFPIintégrédansl’inclinomètredeforageLINESluioffrel’opportunitéd’établirunemesuredifféren-
tielledel’oscillationdelamasselottependuléegrâceàtroiscavitésFabry-Pérot.LesismomètreLINESutiliseluiaussi
lecapteurdedéplacementEFFPI pourlamesuredudéplacementdesa bobine.Unedescriptiondel’architecturemé-
caniquedecesinstrumentsetuneanalysedesphénomènesdétectés(mouvementslents,marées,séismes,microséismes
...)fontpartiedecettethèse.
Motsclés:Interférométrielaser,modulationdelongueurd’onde,démodulationhomodynesynchrone,lissaged’ellipse,
filtre de Kalman, compensationde température,inclinomètrede forage,pendulesimple, mesure différentielle,dérive
lente,observationssismiques,sismomètre.
Developmentofanopticalfibersdisplacementsensorforapplicationsintiltmetryandseismology
Abstract: Monitoringcrustal deformationduring the interseismic phase when searching for earth transients requires
preciseinstrumentsabletooperateforverylongperiods.TheANR-LINESprojectaimedtodevelopthreenewinstru-
ments:asingle-axisseismometer,ahydrostaticlongbasetiltmeterandaboreholependulumtiltmeter.Thesethreeins-
trumentsbenefitofanextrinsicFabry-Pérotinterferometer(EFFPI)withlongopticfibersfordisplacementdetections.
Theirmechanicalarchitecturesandtheirdisposaloflongfibershelpthesenewlymanufacturedgeophysicalinstruments
completetheirgoals.
Thefirstobjectiveofthisstudyistoproposeappropriatemethodsforestimatingthephaseoftheopticalpathinthe
Fabry-Pérotcavities.Amodulationofthelaserdiodecurrent,followedbyahomodynedemodulationoftheinterference
signalandaKalmanfilter,allowdeterminingthephaseinrealtime.Theresultsareconvincingwhiletakingshortperiods
measurementsbutrequireadditionalsolutionsforprotectionagainstenvironmentalphenomenavariations.
The EFFPI sensor integrated in the LINES borehole tiltmeter gives it the opportunity to establish a differential
measurementofthebob’soscillationthankstothreeFabry-Perotcavities.TheLINESseismometeralsousestheEFFPI
displacementsensortomeasureitscoil’sdisplacement.Adescriptionofthetwoinstruments’mechanicalstructuresand
ananalysisofthedetectedphenomena(slowmovements,tides,earthquakes,microseisms...)arepartofthisthesis.
Keywords: Laser interferometry,wavelength modulation,synchronoushomodynedemodulation,ellipse fitting, Kal-
manfilter,temperaturecompensation,boreholetiltmeter,simplependulum,differentialmeasurements,slowdrift,seis-
micobservations,seismometer.
LaboratoireGéosciences-CNRSUniversitédeMontpellier
PlaceEugèneBataillon-34095MONTPELLIERCEDEX5
Ecolesupérieured’électroniquedel’ouest-ESEO
10BoulevardJeanneteau-49107ANGERSCEDEX2
iv
Remerciements
En Octobre 2009 a débarqué à Angers un jeune étudiant Libanais timide, il est reparti en 2012
unjeunechercheurbeaucoupplusconfiantenlui-même.C’estavecémotionquejetiensàremercier
tousceux quiontcontribuéàlaréalisationdecetteévolution.
Je souhaiteremercier en premier lieu mon co-directeur de thèse, M. Guy Plantier, professeur et
responsable du département électronique et sciences physiques à l’école supérieure d’électronique
del’OuestESEOAngerspourm’avoiraccueilliauseindesonéquipe.J’espèreavoirétédignedela
confiancequ’ilm’avaitaccordéeetquecetravailestfinalementàlahauteurdesesespérances.Quoi
qu’ilen soit,j’aibeaucoup apprisàses côtés et jesuistrès honorédel’avoireu pourencadrant.
Les débuts ont été durs, je me souviens des premières réunions au cours desquelles je ne com-
prenais qu’un mot sur cinq, surtout dans le contexte géophysique. Les discussions étaient dans un
langage qui m’était complètement inconnu (inclinométrie, déformation terrestre, ...). Au travers de
mescoursséjoursàMontpellieretdesmailséchangés,c’estgrâceàmondirecteurdethèseM.Jean
Chéry, directeur de recherche CNRS et directeur du projet ANR-LINES, que j’ai commencé à ap-
privoiserpetitàpetitcedialectesicomplexedelascience.Avecpatienceilaréussiàmetransmettre
unpeu deses connaissances.Jeluiadressemagratitudepourtoutcela.
Je voudraisremercier les rapporteurs de cette thèseM. Francois Beauducel, Physicien àl’IPGP
deParis,etM.Jean-PierreL’Huillier,ProfesseurdesUniversitésdel’ENSAMAngers,pourl’intérêt
qu’ils ont porté à mon travail. J’associe à ces remerciements M. Laurent Simon, Professeur des
Universitésdu laboratoired’acoustiquedel’universitéduMaineLAUM,LeMans,et M.Rodolphe
Cattin, Professeur des Universités de l’université de Montpellier 2, pour avoir accepté d’examiner
montravail.
Mille fois merci à M. Anthony Sourice pour son attention de tout instant sur mes travaux, pour
ses conseils avisés et son écoute qui ont été prépondérants pour la bonne réussite de cette thèse.
Mille fois car c’est au moins le nombre de fois où je suis venu lui déranger pour le poser des
questionsen toutgenre.
Biensûr,atteindrecesobjectifsn’auraitpasétépossiblesansl’aidedetouslesmembresdupro-
jetANR-LINES.JesouhaitenotammentremercierM.FrédéricBoudindelafacultédegéosciences
de l’université de Montpellier 2, Mme Maha Suleiman, M. Michel Cattoen et M. Han-Cheng Seat
de l’ENSEEIHT, Toulouse, M. Pascal Bernard et M. Alexandre Nercessian de l’IPGP Paris, M.
v
vi
Stéphane Gaffet,M. DanielBoyer etM. AlainCavaillouduLSBB Rustrel.
Je souhaite encore remercier les collègues à l’ESEO Angers, M. Alain Le-Duff, M. Romain
Feron, M. Mathieu Feuilloy, M. Sébastien Aubin et M. Sjoerd Op’t Land ainsi que les collègues à
l’UM2notammentM.MarcDaignières et M.StephaneMazzotti.
Mes derniers mots (avant les scientifiques), je les adresse à mes parents et mes trois sœurs au
Liban. Merci àvous d’avoirsupportémon éloignementet mon peu de disponibilitéau cours de ces
troisdernièresannées.Ungrandmerciàmesonclesetmestantesquim’onttoujoursépaulétoutau
longdemathèse, sansquirien n’aurait étépossible.
vii
viii
Table des notations principales
λ,λ Longueurd’ondeinstantanéeet longueurd’ondepropredu laser
0
β Coefficient demodulationdelalongueurd’onde
ι, ι Courants électriquestraversantladiodelaser
0 m
Φ Phasedu signalinterférométrique
D DimensiondelacavitéFabry-Pérot
d Déplacement delacible
d Déplacement réduitdelacible
r
n Indicederéfraction du milieudelacavitéFabry-Pérot
m , m Modulationsdelalongueurd’ondeet delaphase
λ
m , m Modulationsdephasecorrespondant àlamodulationBF et HF
1 2
M , M Amplitudesdes modulationsdephase
0 0
1 2
F , F Fréquences desmodulations
m m
1 2
K,K , K , K Modulationsdel’amplitudedusignalinterférométriqueet deses composantes
BF m m
1 2
s,s , s , s Signal desortiedelaphotodiodeet sescomposantes
u p h
A , A , B ,B , ϕ, α Paramètres delacourbedeLissajouselliptique
I Q I Q
a,b, c, d, e, f Coefficients del’écriturepolynômialedel’ellipsedeLissajous
T , T Températures deladiodelaseret delacavitéFabry-Pérot
DL FP
KTλ Sensibilitéthermiquedelalongueurd’onde
α Coefficient dedilatationlinéaire
L
L Laplacien
E ,E , E Energiepotentielletotale,
p pF pP
énergiepotentielledeflexionet énergiepotentielledepesanteur
E Energiecinétique
c
Λ Inclinaisondusolpar rapportau repère Galiléen
Θ Angled’oscillationdu pendule
dς Longueurinfinitésimaled’unélément d’unepoutre
dς Section élémentaired’unepoutre, perpendiculaireàlalignemoyenne
xy
R etR Rayons decourburedelapoutre
c ′c
υ Anglederotationdedeux sectionsdelapoutre
σ Contraintedansun pointdelapoutre
ix
e Allongementd’unelignedelapoutre
E ConstantedeHooke
M Momentdeflexion
y
J Momentquadratiqueparrapport àl’axedes y
Gy
F , F ,F Forcedepesanteuret sesprojectionsdans lerepère du pendule
P Px Pz
L Longueurdelatigedu pendule
ℓ DistanceducentrederotationQ au centred’inertiedusystèmependulé
R Rayon degiration
k Raideurdu ressortspiral
r
k Constantedefrottement
f
m , m , m Massedelatige, masseducylindrependuléet massetotaledel’ensemblependulé
tige cyl tot
M , M Centre d’inertiedelatigeet du cylindrependulé
tige cyl
dm Masseélémentaireappartenant àl’ensembledu pendule
r Distancedelamasseélémentaireà l’axederotation
m
J ,J , J , J Momentsd’inertieducylindreet delatige
c t c/Q t/Q
J Momentd’inertiedu systèmependuléparrapport àl’axederotation
Q
~r Mouvementdu centred’inertiedu pendule
ℓ
~ρR Vecteurdirecteurdu centredegirationdanslerepère fixe
W Travaildelaforcedepesanteur
P
v Vitessedu pendule
R ,C ,C Nombre,coefficient et constantedeReynolds
e Re R′e
ρ, ρ Massevolumiquedufluideet dupyrex
a t
D Diamètremoyendelaplusgrandedimensiondusystèmependulé
h ,r Hauteuret rayondu cylindreàl’extrémitédelatige
c c
r Rayon delatigeen pyrex
t
Ω , Ω , Ω Pulsationspropresdu systèmependuléidéal, fléchi et amorti
p p p
1 0
f et f Fréquences propresdu systèmependuléidéal et fléchi
p p
1 0
εΩ Déviationdelapulsationpropredupendulecauséeparlaflexiondelatige
ξet ξ Amortissementvisqueuxet amortissementmesuré
′
Q Facteurdequalitédu pendule
N , P,E Pressionsatmosphériquesetco-indicederéfraction
n
F Forced’amortissementdu mouvementdanslesismomètreL22 deSercel
L22