Mesure d’écoulement à haute résolution par boucle à décalage de fréquence bidirectionnelle – MECHOUI

Le consortium formé par Thales Research & Technology (TRT), le Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (LIPhy) et l’Unité de Mécanique de l’ENSTA Paris propose un nouveau système d’interrogation de capteur à fibre optique distribué, capable d’offrir une haute résolution spatiale de mesure et une large bande passante d’analyse. Cet instrument unique en termes de performances sera évalué dans le cadre de la caractérisation d’écoulements et l’analyse dynamique de décrochage, qui présentent des gammes de fréquences et d’amplitude de pression caractéristiques des écoulements aérodynamiques et aéro-acoustiques.
La brique de base est une boucle à décalage de fréquence (BDF) bidirectionnelle, qui se situe au cœur des travaux du LIPhy depuis près de 10 ans. Ce type de source permet de générer deux trains d’impulsions optiques couvrant un spectre de quelques dizaines de GHz et dont la cadence et la dispersion peuvent être précisément contrôlées. De plus, l’architecture bidirectionnelle permet de réaliser l’opération de compression d’impulsion d’une manière analogique tout optique à une cadence ajustable en recombinant sur un détecteur les deux trains d’impulsions émis par la BDF.
En injectant un des trains d’impulsions dans une fibre optique « capteur », les caractéristiques spectrales de la source permettent d’envisager une mesure distribuée par rétrodiffusion optique sur quelques mètres avec une résolution spatiale sub-centimétrique. Par ailleurs, la recombinaison du train d’impulsions rétrodiffusé avec le second train émis par la BDF sur une photodiode réalise la compression d’impulsion de toute la bande spectrale du peigne de fréquences. Cette opération est réalisée à une fréquence déterminée par la différence de cadence entre les deux trains d’impulsions générés par la BDF. On peut donc réaliser une image du capteur au kHz, avec un système d’acquisition de faible bande passante.
Ces paramètres ainsi que le caractère faiblement invasif de la fibre optique, font de l’interrogateur et de la fibre un système de mesure particulièrement bien adapté à la caractérisation d’écoulements hydro- et aérodynamiques. Nous espérons ainsi être en mesure de réaliser des cartographies résolues de champ de pression pariétale sur des objets à échelle réduite testés en tunnel hydraulique et en soufflerie.
Les compétences nécessaires à ce projet sont réunies dans le consortium de MECHOUI. Tout d’abord, le LIPhy apportera son savoir-faire unique dans le dimensionnement, la modélisation, et la réalisation de BDF bidirectionnelles pour fournir un interrogateur optique adapté aux besoins de l’application, sous forme d’un démonstrateur transportable. Cet interrogateur sera associé à un capteur à fibre optique distribué de haute sensibilité. Toute l’expérience de TRT sera mise à contribution pour optimiser le signal rétrodiffusé par la fibre (à travers un choix de fibre et un conditionnement du signal optique), ainsi que le niveau de bruit à la détection. Par ailleurs, le signal de compression d’impulsion sera traité numériquement pour fournir une image de toute la longueur du capteur distribué avec un temps de rafraichissement inférieur à la ms. Enfin, le capteur sera intégré dans différentes maquettes pour valider les capacités de la BDF bidirectionnelle dans des mesures d’écoulement hydro-, aérodynamiques, et aéro-acoustiques, grâce aux moyens de tests et l’expertise fournis par l’ENSTA Paris.