La détection acoustique distribuée (DAS) repose sur la diffusion de la lumière dans les fibres optiques pour détecter les perturbations de la fibre elle-même sur toute sa longueur. Comme le signal de diffusion est faible, des efforts continuent d'être faits pour améliorer la sensibilité de la DAS, ainsi que sa résolution spatiale et sa portée maximale. À cette fin, des méthodes de détection cohérente sont couramment utilisées. Ces méthodes sont très exigeantes en ce qui concerne la longueur de cohérence et la stabilité de la source laser. Des sources laser stables, à largeur de raie étroite et à faible bruit de fréquence sont donc nécessaires pour améliorer la sensibilité du DAS tout en permettant une détection sur de longues distances.
Le DAS s'est avéré utile dans une variété d'applications telles que la détection de périmètre, la surveillance de l'état des structures, la surveillance sismique, etc. Parce qu'il est immunisé contre les interférences électromagnétiques et qu'il peut être mis en œuvre dans les réseaux de fibres existants, son expansion vers des utilisations plus larges est inévitable. Il est donc essentiel de mettre au point des sources lumineuses peu coûteuses, de faible encombrement et d'une excellente stabilité. Nous présentons ici les capacités du LXM de l'indie en tant que candidat pour les systèmes DAS cohérents.
Principes de la détection acoustique distribuée
Lorsqu'elle traverse une fibre optique, la lumière rencontre des défauts tels que des points de contrainte ou des inhomogénéités dans le verre et subit une diffusion de Rayleigh. Bien que la majeure partie de la lumière diffusée sorte immédiatement de la fibre, une petite partie est recapturée et se dirige vers un détecteur qui est généralement installé à l'entrée de la fibre. Il est alors possible de détecter ce signal de diffusion de Rayleigh (figure 1).
La forme d'onde du signal de Rayleigh est liée à la distribution des défauts le long de la fibre. Ainsi, le signal de Rayleigh d'une fibre non perturbée est unique et reproductible. Cependant, toute perturbation de la fibre, telle que des signaux acoustiques, peut avoir un impact sur le signal de Rayleigh. Ce sont ces écarts qui sont détectés et interprétés par le DAS. En faisant correspondre soigneusement le modèle de Rayleigh au temps de vol sur la longueur de la fibre, il est possible d'attribuer une position à chaque perturbation.
Les techniques DAS peuvent être divisées en deux grandes catégories, bien que plusieurs avancées récentes reposent sur une combinaison de ces techniques1,2,3. La première catégorie est la réflectométrie optique dans le domaine temporel (OTDR). Une impulsion est lancée dans la fibre et le signal de Rayleigh qui en résulte est détecté en continu à l'entrée de la fibre. La résolution spatiale de ce système est inversement proportionnelle à la durée de l'impulsion. Comme les impulsions sont courtes (typiquement des dizaines à des centaines de nanosecondes) et que la puissance de crête de l'impulsion doit être limitée pour éviter des effets non linéaires indésirables dans la fibre, le signal de Rayleigh obtenu pour toute position donnée dans la fibre est assez faible. C'est pourquoi les techniques OTDR bénéficient de schémas de détection cohérents pour augmenter leur sensibilité.4.
La deuxième catégorie est la réflectométrie optique dans le domaine de la fréquence (OFDR). Dans ce cas, la lumière n'est pas pulsée mais balayée en fréquence. Le signal de Rayleigh est mélangé de manière cohérente avec une référence locale et la note de battement qui en résulte est détectée. La fréquence de la note de battement étant proportionnelle à la position d'origine du signal de diffusion de Rayleigh, il est possible de récupérer des informations spatiales. L'un des principaux avantages de l'OFDR est que l'énergie totale lancée dans la fibre est beaucoup plus importante. En effet, comme la source laser est continue plutôt que pulsée, un rapport signal/bruit plus élevé peut être atteint tout en évitant les problèmes de puissance de crête.
Dans les deux cas, les méthodes de détection cohérente exigent que le signal reste cohérent avec l'oscillateur local après sa propagation sur la longueur de la fibre et en sens inverse. Cela limite la portée maximale de détection, qui doit être inférieure à la moitié de la longueur cohérente de la source laser. La grande longueur de cohérence offerte par les lasers à largeur de raie étroite permet donc des applications DAS à longue portée.
En outre, la détection des perturbations repose sur des mesures comparatives entre le signal de diffusion de Rayleigh en temps réel et un signal de référence acquis précédemment. Toute dérive lente de la fréquence peut affecter le modèle de diffusion de Rayleigh non perturbé et rendre la comparaison peu fiable, ce qui entraîne une perte du rapport signal/bruit et une moindre sensibilité du système DAS. La source laser doit donc répondre à une exigence supplémentaire : son bruit de fréquence doit être minimal aux basses fréquences de Fourier.
Pour ces raisons, les sources laser qui offrent un faible bruit de fréquence et une grande longueur de cohérence, telles que les lasers à largeur de raie étroite, sont essentielles pour les applications DAS.
Les solutions d'indiepour le DAS
L'expertise d'indieen matière de conception de diodes laser à rétroaction distribuée (DFB) et d'électronique de réduction du bruit de fréquence se retrouve dans le LXM-U, un module laser à largeur de raie étroite et rentable. Le LXM-U est le seul laser qui combine le bruit à basse fréquence traditionnellement associé aux lasers à fibre (figure 2) avec le bruit à faible intensité inhérent aux lasers à semi-conducteur (SCL) (figure 3). En fait, le LXM-U présente un bruit de fréquence nettement plus faible (jusqu'à deux ordres de grandeur) que les lasers à fibre DFB dans la région d'intérêt à basse fréquence du DAS (la fenêtre de fréquence d'un événement DAS typique, qui s'étend jusqu'à 50 kHz, est ombrée en gris dans la figure 2).
Contrairement aux lasers à cavité externe, la stabilité du mode optique du LXM-U ne dépend pas d'un alignement critique entre le milieu à gain et un résonateur. La stabilité éprouvée des diodes laser DFB est donc conservée et la réduction du bruit de fréquence ne se fait pas au détriment de la stabilité. La petite taille de la diode confère également un avantage par rapport aux cavités plus longues des lasers à fibre, qui sont connues pour être sensibles aux perturbations mécaniques (figure 4).
Grâce à sa robustesse, à sa stabilité mécanique et à une largeur de bande instantanée typique inférieure à 0,08 kHz5le LXM-U est bien adapté aux applications DAS cohérentes à haute sensibilité et à longue portée. Le LXM-S est également disponible, une version libre du LXM sans réduction du bruit de fréquence et donc idéale pour les applications DAS à faible portée. Pour les applications OFDR, de meilleures résolutions spatiales sont obtenues avec des balayages de fréquence plus importants de la source laser modulée. Le LXM-S à fonctionnement libre offre des balayages de fréquence jusqu'à 8 GHz6ce qui le rend bien adapté aux applications OFDR à faible portée et à haute résolution. Par ailleurs, la capacité de balayage de fréquence de 200 MHz du LXM-U à verrouillage de fréquence est compatible avec l'architecture OFDR à longue portée, qui s'avère prometteuse pour des applications telles que la surveillance des câbles sous-marins, par exemple7. En résumé, les solutions LXM offrent une grande souplesse en matière de taux de balayage et d'amplitude, ce qui permet de les adapter à un large éventail d'applications.
En OFDR, un autre paramètre important est que le balayage en fréquence de la source laser doit être linéaire dans le temps, de sorte que la fréquence de la note de battement entre la référence locale et le signal de retour reste strictement proportionnelle au temps de déplacement de ce dernier. Tout écart par rapport à cette relation linéaire entraîne une perte de sensibilité et de précision de la portée.8. La réponse de modulation de fréquence ultraplate des modules LXM permet d'atteindre des linéarités élevées dans une variété de modèles de modulation. Par exemple, nous avons démontré un chirp de fréquence de 8 GHz à un taux de modulation de 10 kHz et une non-linéarité inférieure à 0,01 % avec un LXM-S (figure 5), ce qui permet de développer des architectures DAS OFDR avec une résolution spatiale submétrique.
La figure 6 montre une démonstration rapide réalisée dans le laboratoire de l'indieà l'aide d'un équipement typiquement utilisé dans la recherche lidar à ondes continues modulées en fréquence (FMCW).9. Cette démonstration a été réalisée avec des balayages très linéaires de 1 GHz à un taux de répétition de 100 kHz.
Conclusion
Les modules lasers à largeur de raie étroite permettent d'obtenir des systèmes DAS cohérents et performants avec une sensibilité accrue et des portées spatiales plus longues. Pour soutenir les progrès continus des technologies DAS, le LXM est un module laser stable, robuste et compact, spécialement conçu pour un déploiement industriel. Par rapport aux lasers à fibre, le LXM-U à verrouillage de fréquence offre un PSDFN inférieur aux basses fréquences de Fourier, où les systèmes DAS sont particulièrement sensibles au bruit de fréquence. En outre, ses performances sont moins affectées par les perturbations mécaniques. Pour des applications telles que la réflectométrie optique dans le domaine des fréquences, les solutions LXM offrent également des balayages de fréquence fortement linéaires. Ces solutions offrent une grande flexibilité en termes de taux de balayage et d'amplitudes, ce qui permet une adaptation précise à une variété de cas d'utilisation. La disponibilité de lasers stables à largeur de raie étroite ne doit pas être sous-estimée en tant que moteur du développement des technologies DAS de la prochaine génération.
Produits apparentés
| Produits | |
|---|---|
| Module laser ultra-étroit - LXM | Voir le produit |
| Diode laser à rétroaction distribuée dans la bande C - LXC | Voir le produit |
- Muanenda Y., Recent Advances in Distributed Acoustic Sensing Based on Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometry. J. Sens, 2018, vol. 2018, pp. 1-16 ︎
- Rao Y, Wang Z, Wu H, Ran Z et Han B., Recent Advances in Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometry (Ф-OTDR). Photonic Sens, 2021, vol. 11, no. 1, pp. 1-30 ︎
- Ding Z, et al, Distributed Optical Fiber Sensors Based on Optical Frequency Domain Reflectometry : A review. Sensors, 2018, vol. 18, no. 4, p. 1072 ︎
- Muanenda Y., Recent Advances in Distributed Acoustic Sensing Based on Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometry. J. Sens, 2018, vol. 2018, pp. 1-16 ︎
- Largeur de raie instantanée lorentzienne obtenue en multipliant par π la DSP unilatérale du bruit de fréquence mesuré à 1 MHz. ︎
- La configuration standard LXM-S est spécifiée à une amplitude typique de 4 GHz pour un taux de modulation de 10 kHz, mais une amplitude de modulation étendue est disponible sur demande ︎
- Mazur M, et al, Advanced Distributed Submarine Cable Monitoring and Environmental Sensing using Constant Power Probe Signals and Coherent Detection. arXiv:2303.06528v1 [eess.SP] ︎
- Liang C, Bai Q, Yan M, Wang Y, Zhang H et Jin B., A Comprehensive Study of Optical Frequency Domain Reflectometry, IEEE Access, 2021, vol. 9, pp. 41647-41668 ︎
- Cardin V, et al, Narrow-linewidth semiconductor laser with highly-linear frequency modulation response for coherent sensing. Proc. SPIE 12905, Novel In-Plane Semiconductor Lasers XXIII, 129050F (2024) ︎