Titre : PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE PHYSIQUE DE CONDITIONS ENVIRONNEMENTALES ET OPÉRATIONNELLES

Domaine technique

[0001] L’invention relève du domaine de mesure physique de conditions environnementales et opérationnelles notamment dans le domaine de la surveillance de la température et de la déformation de pièces telles que des pièces structurales aéronautiques en utilisant une technologie à base de fibre optique. L’invention concerne en particulier la mesure simultanée de la température et de la déformation de ces pièces.

Technique antérieure

[0002] Il est connu de réaliser des mesures de température ou de déformation au moyen de dispositifs à fibre optique et réseaux de Bragg. Ces mesures utilisent soit deux lignes de fibre optique collées sur la même zone structurale ou pièce, chaque ligne comportant un réseau de Bragg. Pour ces mesures, soit les réseaux de Bragg sont spatialement proches l’un de l’autre de manière à ce que cette proximité permette aux deux réseaux de Bragg de ressentir la même variation de température et la même déformation, soit on utilise une fibre équipée de deux réseaux de Bragg l’un pour détecter la température l’autre les déformations mais dans ce cas les réseaux de Bragg sont distants l’un de l’autre et ne mesurent pas exactement les variations au même endroit.

[0003] Notamment pour mesurer des quantités physiques telles que la déformation et la température via la technologie fibre optique à base de réseaux de Bragg, il est traditionnellement prévu d’avoir deux lignes de fibre. Une possibilité est d’avoir une première fibre qui comporte un réseau de Bragg fixé à une structure hôte et est sensible à la déformation et à la température et une seconde fibre qui comporte un réseau de Bragg non-fixé à la structure hôte. Dans ce dernier cas, la seconde fibre peut être glissée dans un capillaire lui-même fixé sur la structure hôte et sensible à la température. Les deux fibres équipées chacune de son réseau permettent de discriminer l’effet de la température et de la déformation au niveau de la première fibre. [0004] Dans le cas d’un maillage M, une fibre comportera une pluralité M de réseaux de Bragg et sera sensible à la déformation aux M points du maillage alors que l’autre comportera une pluralité N de réseaux de Bragg et sera sensible à la température aux N points du maillage, M pouvant être égal à N.

[0005] Un autre exemple de dispositif comportant deux fibres chacune équipée d’un réseau est par exemple connu du document US 2014326078 A1. Dans ce document les fibres sont torsadées et les réseaux sont disposés à proximité l’un de l’autre. Dans ce cas, le nombre de réseaux est multiplié par deux dans le cas d’une utilisation pour le maillage d’une pièce.

[0006] Des dispositifs à une seule fibre existent comme décrit dans le document « Implémentation ofblind source séparation for optical fiber sensing » Qiang Li, Zhi

Wang, Zejia Huang, Kaili Guo, and Lanlan Liu, Optical Society of America APPLIED OPTICS Vol. 53, No. 9, 20 March 2014.

[0007] Dans ladite publication, les outils de séparation de sources sont définis dans le domaine temporel afin de discriminer la mesure de température et de la déformation en utilisant une seule ligne de fibre optique ayant deux réseaux de Bragg inscrits. Toutefois les mesures de température et de déformation ne se font pas au même endroit et perdent en précision.

Problème technique

[0008] Il est souhaitable de réduire le nombre de fibres utilisées notamment dans des structures complexes à surveiller et de pouvoir utiliser une seule fibre combinant des mesures de température et de déformation en des mêmes points sans non plus accroître le nombre de réseaux de Bragg portés par la fibre dans le cas d’un maillage.

Exposé de l’invention [0009] Dans cette optique, la présente demande propose un procédé de mesure de température et de déformation localisées.

[0010] Pour ce faire, la présente invention concerne un procédé de mesure de température et de déformation d’une pièce ou structure à partir d’une seule ligne de fibre optique ayant un seul réseau de Bragg, comportant les étapes suivantes : une interrogation de la fibre optique basée sur deux fréquences d’échantillonnage; l’une étant une fréquence basse ( f _{sl )} et l’autre étant une fréquence haute (f _sh), ladite fréquence basse f _si étant adaptée pour capter une dynamique lente correspondant à la variation de température, ladite fréquence haute f _sh étant adaptée pour capter une dynamique rapide correspondant à la dynamique vibratoire ;

Une brique algorithmique basée sur une technique de séparation aveugle de sources (SAS), comportant une analyse fréquentielle, une analyse multi-variée et les Statistiques d’Ordre Supérieur.

Ce procédé permet d’utiliser une seule fibre et un seul réseau tout en réalisant les mesures au même endroit pour une mesure simple et de réduire le nombre de fibres et de réseaux de Bragg tout en réalisant les mesures aux mêmes endroits lorsqu’une pièce est en cours d’utilisation/opération pour obtenir une cartographie des températures et des déformations d’une pièce ou d’une structure

[0011] Selon un mode de réalisation avantageux, la fréquence haute f _sh est un multiple de la fréquence basse f _{si .}

[0012] La fréquence haute f _sh peut être comprise entre quelques kHz et quelques centaines de kHz selon le type de vibrations ou de déformations à mesurer.

[0013] La fréquence basse f _si peut être comprise entre 1 Hz et / _sh /10 ce qui est notamment adapté pour mesurer des variations de température.

[0014] Selon un mode de réalisation particulier, la fréquence haute f _sh est un multiple de la fréquence basse f _si ce qui simplifie les calculs. [0015] L’analyse fréquentielle peut notamment comporter une transformée de Fourier.

[0016] Le procédé peut en outre comporter un algorithme d’optimisation dit de "point fixe’. [0017] Le procédé comporte avantageusement un retour dans le domaine temporel par le biais d’une transformée de Fourier inverse pour obtenir la ou les sources estimées.

[0018] La présente demande concerne en outre un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé de la demande selon l’une lorsque ce programme est exécuté par un processeur et un support d’enregistrement non transitoire lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme pour la mise en œuvre du procédé de la demande lorsque ce programme est exécuté par un processeur.

Brève description des dessins [0019] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

[0020] [Fig. 1] représente schématiquement une fibre optique pourvue d’un réseau de Bragg ; [0021] [Fig. 2] schématise une problématique de séparation aveugle de sources ;

[0022] [Fig. 3] schématise des étapes de procédé de la présente demande ;

Description des modes de réalisation

[0023] Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. [0024] La figure 1 représente schématiquement une fibre optique 1 pourvue d’un réseau de Bragg 2.

[0025] Lorsqu’un réseau de Bragg (Fiber Bragg Grating-FBG en anglais) est inscrit sur une ligne optique (FO), collée sur une zone structurale/pièce, il permet à la fois de capter les sollicitations de la température (condition environnementale) et de la déformation (condition opérationnelle). Toutefois, il n’est pas possible de discriminer l’influence de la température de l’influence de la déformation sans mesure additionnelle.

[0026] Dans l’art antérieur, dans le but de discriminer/mesurer les contributions desdites quantités physiques, il s’avère nécessaire d’avoir deux lignes de FO collées sur la même zone structurale/pièce, ayant chacune un réseau de Bragg proches spatialement l’un de l’autre de manière à ce que cette proximité permettrait aux deux réseaux de Bragg de ressentir la même variation de température et la même déformation : [0027] Soit :

[0028] Deux lignes de FO collées sur une zone structurale, ayant chacune un réseau de Bragg inscrit, l _Bi ,l _Bz , les longueurs d’ondes caractéristiques desdits réseaux de Bragg.

[0029] Lorsque la zone structurale/pièce est soumise simultanément à une variation de la température (condition environnementale), de l’état contrainte et dynamique vibratoire (condition opérationnelle), l'interaction opto-thermomécanique s’écrit de la façon suivante:

[0030] [Math. 1] [0031] [Math. 2] [0032] où :

[0033] Dl _Bi , Dl _Bz représentent la variation de la longueur d’onde des deux réseaux de Bragg l _Bi ,l _Bz , due aux conditions environnementale et opérationnelle,

[0034] e,DT représentent respectivement la déformation (allongement relatif) et la variation de la température,

[0035] a, h et p sont respectivement les coefficients de dilatation thermique, de thermo-optique et de photoélasticité, intrinsèques à la fibre,

[0036] {k _ei ,k _e2 } sont les paramètres de sensibilités à la déformation des deux réseaux de Bragg, [0037] (K _T1 ,K _T2 ) sont les paramètres de sensibilités à la température des deux réseaux de Bragg.

[0038] Sous forme matricielle, l’équation (1 ) s’écrit de la façon suivante :

[0039] [Math. 3] [0040] où la matrice T est appelée "wavelength shift matrix”

[0041] Connaissant la mesure émanant des 2 réseaux de Bragg, i.e. Dl _Bi , Dl _Bz , et des paramètres de sensibilités {k _ei ,K _e2 ,K _t1 ,K _T2 }, les quantités physiques e et DT peuvent être calculées en inversant la matrice T :

[0042] [Math. 4]

[0043] Cependant, lorsque les deux réseaux de Bragg sont proches spatialement l’un de l’autre, les paramètres de sensibilités à la déformation et à la température sont presque égaux : K _ei« K _e2b ί K _T1« K _T2 . Cela conduirait à une non-solution de l’équation (4). [0044] Ceci conduit à devoir écarter les réseaux ou à rendre l’une des fibres et son réseau insensible à l’un des paramètres à mesurer ce qui complique encore le positionnement des fibres.

[0045] La présente demande a pour but de s’affranchir d’une telle complexité.

[0046] Pour ce faire, la présente demande propose de mesurer simultanément la température et la déformation d’une zone structurale/pièce à partir d’une seule ligne de fibre optique ayant un seul réseau de Bragg.

[0047] L’invention fait appel en premier lieu à une brique de mesure d’acquisition de données (interrogateur optronique). Pendant cette acquisition, l’interrogateur mesure la longueur d’onde associée à la lumière réfléchie par la fibre optique à travers les réseaux de Bragg et la converti en une unité d’ingénierie (par exemple en Volt) afin qu’elle puisse être exploitée par une unité de traitement. Ladite brique est interrogée successivement selon deux fréquences d’échantillonnage: l’une étant une fréquence basse (notée f _si) et l’autre étant une fréquence haute (notée f _sh), comme représenté en figure 1 .

[0048] Selon l’invention, la fréquence basse f _si est adaptée pour capter une dynamique lente ce qui va mettre en valeur la variation de température qui est une donnée variant relativement lentement par rapport aux dynamiques vibratoires mécaniques alors que la fréquence haute f _sh est adaptée pour capter une dynamique plus rapide mettant en valeur la dynamique vibratoire et donc la déformation. Il convient aussi de noter qu e f _sh est un multiple de f _sl afin d’avoir le même nombre d’échantillons temporels en jouant aussi sur les durées d’acquisition. Cette approche permettrait d’éviter des erreurs de calcul dans la partie liée à l’analyse multi-variée. A titre indicatif, f _sh peut être comprise entre quelques kHz et quelques centaines de kHz. Quant à f _si , elle peut être comprise entre 1 Hz et f _sh/ 10 Le choix de ces fréquences peut dépendre de l’application choisie et de la différence de dynamique entre la variation de température et la fréquence vibratoire, les fréquences étant choisies pour être au moins le double de la fréquence de variation maximale à mesurer. [0049] L’invention fait appel en second lieu à une brique algorithmique basée sur une technique de séparation aveugle de sources (SAS), dont les outils font appels à l’analyse fréquentielle, l’analyse multi-variée et les Statistiques d’Ordre Supérieur afin de tirer profit de l’hypothèse d’indépendance statistique associée aux informations physiques de la température et la déformation.

[0050] Les Statistiques d’Ordre Supérieur (SOS) concernent les moments et cumulants d’ordre supérieur à 2. Elles sont utilisées en complément aux statistiques d’ordre 2 et donnent une description plus complète des données et de leurs propriétés. [0051] La combinaison de ces briques a pour but de de séparer la mesure de variation de la température et la mesure de déformation pour discriminer l’effet de la température de l’effet de la vibration.

[0052] Reprenant l’équation matricielle définie précédemment :

[0053] [Math. 5]

[0054] D’un point de vue traitement avancé du signal, le modèle défini à l’équation (5) est un problème de séparation aveugle de sources.

[0055] Le problème scientifique de la séparation de sources consiste à extraire un ensemble de signaux non observables, dits «signaux sources», à partir d’un ensemble de signaux observables comme schématisé en figure 2 où les signaux sources Si, S ₂ , ..., S _p sont mélangés à des bruits ou interférences Wi, W ₂ , ... , W _n pour donner des signaux mélangés Yi, Y ₂ , ...., Y _n qu’il y a lieu de traiter par un module de séparation des sources 10 pour obtenir des sources estimées S _] , S ₂ , ... , S _p . Ces observations proviennent de capteurs, par exemple: des microphones, des antennes, des caméras, des transducteurs piézoélectriques, etc... Dans le cadre de la présente demande, les signaux sources représentent la variation de la température et la déformation de la zone structurale/pièce et les signaux observables émanent d’un seul réseau de Bragg inscrit sur une ligne de FO, interrogé successivement avec une fréquence d’échantillonnage basse et haute éventuellement avec le même nombre d’échantillons temporels. En tenant compte du temps discret k et de la fonction de transfert du milieu, le modèle défini à l’équation (5) est un modèle de mélange, et s’exprime selon le modèle de convolution suivant :

[0056] [Math. 6] y(k) = T(k) * s(k)

[0057] où comme représenté dans la figure 3: [0058] [Math. 7]

[0059] est le vecteur 100 de mesures observable à l’instant k émanant du réseau de Bragg, dont l’interrogation a été faite selon deux fréquences d’échantillonnage : basse f _sl et haute f _sh ,

Si(k) [0060] s(k) = est le vecteur de sources à l’instant k, reflétant la mesure s ₂ (k) émanant de la variation de la température et de la déformation.

[0061] T(k) est la matrice de mélange reflétant la réponse impulsionnelle du milieu, i.e. fonction de transfert de la pièce structurale à surveiller.

[0062] Dans le but de résoudre le problème de séparation : estimer le vecteur de sources s connaissant uniquement le vecteur de mesures y, nous définissons les étapes suivantes reprises en figure 3 qui représente un exemple de procédé de la demande à partir de sources mélangées 100.

[0063] Les différentes étapes nécessaires pour résoudre le problème de séparation de sources sont : (/) le passage des signaux mesurés du domaine temporel au domaine fréquentiel ;

(//) l’utilisation d’un outil des Statistiques d’Ordre Supérieur afin de tirer profit de l’indépendance des sources et poser la fonction objective et un algorithme d’optimisation basé sur le "point fixe” afin trouver une matrice de mélange permettant se séparer les 2 signaux sources dans le domaine fréquentiel ;

(Z//) le passage des signaux sources dans le domaine temporel par le biais de la transformée de Fourier inverse pour obtenir les sources estimées s(k).

[0064] Etape N°1 : Passage dans le domaine fréquentiel afin de transformer le produit de convolution en une multiplication par une transformée de Fourier 200:

[0065] [Math. 8] o = tc no [0066] où :

[0067] Y(f) e € est la transformée de Fourier du vecteur de mesures (vecteur complexe),

[0068] S(f) e C est la transformée de Fourier du vecteur de sources que nous cherchons à déterminer, [0069] T est la matrice de mélange.

[0070] Etape N°2 :

[0071] Utilisation des outils suivants selon trois sous-étapes:

[0072] - Algèbre linéaire 300 appliquée aux nombres complexes,

[0073] - Statistiques d’Ordre Supérieur afin de mettre en œuvre l’hypothèse de l’indépendance statistique des sources 400,

[0074] - algorithme d’optimisation dit de "point fixe” 450 pour trouver la matrice de séparation (notée W).

[0075] Ces sous-étapes permettent d’estimer le vecteur de sources dans le domaine fréquentiel (notée S(f)) 500: [0076] [Math. 9]

[0077] Reprenant le modèle de mélange dans le domaine fréquentiel : [0078] [Math. 11]

Y(f) = T x S(f) [0079] Le modèle de séparation est défini par :

[0080] [Math. 12]

S(f) = WY(f)

[0081] où W est la matrice de séparation.

[0082] On définit une fonction objective notée J _G (w) basée sur les Statistiques d’Ordre Supérieur :

[0083] [Math. 13]

J _G (w) = E{G(|w ^H y| ² )}

[0084] où :

[0085] E est l’opérateur d’espérance mathématique. [0086] Trouver la matrice W en maximisant la fonction objective :

[0087] maximise par rapport à w _j

[0088] sous contrainte E{(w _k ^H x)(w _j ^H x) ^* } = ô _jk

[0089] où:

[0090] [Math. 14]

_ fl pour j = k ) ^k (0 pour j ¹ k

[0091] Etape n° 3 :

[0092] Passage dans le domaine temporel par le biais de la transformée de Fourier inverse 600 pour obtenir les sources estimées s(k) 700 : [0093] [Math. 10]

[0094] où :

[0095] N est le nombre de points fréquentiels utilisés dans le calcul de la transformée de Fourier inverse : N = T x f _sh , avec T représente la durée d’acquisition.

[0096] n est l’indice de fréquence.

[0097] Ceci permet ainsi de trouver les estimations 800.de la déformation s(v) et de la température s(t) avec les indices de fréquence correspondants. Application industrielle

[0098] L’invention peut trouver à s’appliquer notamment à la surveillance de pièces ou de structures d’aéronefs, de lanceurs spatiaux ou autres systèmes où la température et les vibrations ont une influence sur le fonctionnement des systèmes.