Institut d'Électronique du Solide et des Systèmes

Antoine Lebrun

Description

Niveau: Supérieur
Institut d'Électronique du Solide et des Systèmes THESE présentée pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE STRASBOURG Spécialité : Optronique et Systèmes Ecole Nationale Supérieure de Physique de Strasbourg Par Antoine LEBRUN Soutenue le 15 Juin 2011 devant la commission d'examen : M. B. SERIO Examinateur - Directeur de thèse M. P. AMBS Rapporteur M. E. BIGLER Rapporteur M. J.-J. HUNSINGER Examinateur M. P. MEYRUEIS Examinateur M. P. PFEIFFER Examinateur Membre invité : M. A. CHAKARI 1 Modélisation et conception d'un capteur de vibrations à fibre optique par analyse polarimétrique : application à la sismologie

• transducteur capacitif


• docteur de l'universite de strasbourg spécialité


• risques sismiques sur l'infrastructure


• détection par méthode interférométrique


• présidence du jury de thèse


• distribution des ondes sismiques


• professeur pierre


• hunsinger examinateur

Sujets

• Hunziker
• Chakari
• Pfeiffer
• Lebrun

Informations

• Publié par: profil-nechor-2012
• Publié le: 01 juin 2011
• Nombre de lectures: 67
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Institut d’Électronique du Solide et des Systèmes
THESE
présentée pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE STRASBOURG
Spécialité : Optronique et Systèmes
Ecole Nationale Supérieure de Physique de Strasbourg
Modélisation et conception d'un capteur de
vibrations à fibre optique par analyse
polarimétrique : application à la sismologie
Par
Antoine LEBRUN
Soutenue le 15 Juin 2011 devant la commission d'examen :
M. B. SERIO Examinateur - Directeur de thèse
M. P. AMBS Rapporteur
M. E. BIGLER Rapporteur
M. J.-J. HUNSINGER Examinateur
M. P. MEYRUEIS Examinateur
M. P. PFEIFFER Examinateur
Membre invité :
M. A. CHAKARI
12Remerciements
L'auteur souhaite adresser ses remerciements aux personnes suivantes pour leur contribution
respectives à ces travaux de thèse :
– Dr Bruno Serio et Dr Ayoub Chakari, mes directeurs de thèse qui m'ont portés pendant
toutes ces années jusqu'à la fin des travaux, à travers toutes les difficultés et les pièges, un
très grand merci à eux,
– Le Professeur Emmanuel Bigler pour avoir accepté la présidence du jury de thèse,
– Le Professeur Pierre Ambs pour son retour très apprécié sur la rédaction du mémoire,
– Le Professeur Patrick Meyrueis, directeur du laboratoire LSP,
– Dr Pierre Pfeiffer et Dr Jean-Jacques Hunsinger, pour tous leurs conseils et leurs aides lors
de cette dernière étape de thèse et leur intérêt à ces travaux,
– Toute l'équipe administrative de l'ENSPS.
– Merci à tous mes collègues qui m'ont supporté avec patience et dont les discussions
passionnantes et les avis m'ont fait garder un esprit ouvert et curieux.
– Un grand merci à tous mes amis et à ma famille pour m'avoir poussé jusqu'à la soutenance et
qui n'ont jamais relâché leur vigilance; je peur leur dire maintenant : ça y est, c'est fait !
– Enfin, je remercie Émilie pour toute l'aide et le soutien qu'elle m'a apporté au cours de ces
dernières années de thèse, et pour toute l'affection qu'elle m'a témoigné.
34Sommaire
Introduction........................................................................................................................................9
Chapitre 1 Étude bibliographique des vibrations sismiques et des capteurs de vibrations.....13
1.1 Métrologie et sources des vibrations dans le sol......................................................................13
1.1.1 Objectifs scientifiques de l'étude des vibrations du sol....................................................13
1.1.2 Risques sismiques sur l'infrastructure et impact social...................................................15
1.1.3 Fondements de la sismologie ..........................................................................................17
1.1.4 Modèle de la structure interne de la Terre.......................................................................19
1.1.5 Origine de la formation des ondes sismiques...................................................................21
1.2 Les différents types d'ondes sismiques rencontrées.................................................................23
1.2.1 Ondes de volume..............................................................................................................23
1.2.2 Ondes de surface..............................................................................................................26
1.2.3 Distribution des ondes sismiques.....................................................................................26
1.2.4 Qualification de l'intensité et de la magnitude d'un séisme.............................................28
1.3 Principes des sismomètres.......................................................................................................29
1.3.1 Principe du sismomètre à masse inerte............................................................................29
1.3.2 Sismomètres à courte période et longue période.............................................................32
1.3.3 Sismomètres non linéaire.................................................................................................33
1.3.4 VASE, Outil d'extraction et de visualisation des sismogrammes....................................34
1.4 État de l'art des capteurs de vibrations.....................................................................................37
1.4.1 Transducteur mécanique..................................................................................................37
1.4.2 Accéléromètre piézo-électrique.......................................................................................38
1.4.3 Accéléromètre piézo-résistif............................................................................................38
1.4.4 Transducteur opto-électronique.......................................................................................39
1.4.5 Transducteur électro-dynamique......................................................................................39
1.4.6 Transducteur capacitif .....................................................................................................40
1.5 Capteurs de vibrations à fibres optiques..................................................................................41
1.5.1 Classification : capteurs intrinsèques et extrinsèques......................................................41
1.5.2 Capteur à fibre optique monomode et multimode...........................................................42
1.5.2.a Capteur à modulation de phase.................................................................................43
1.5.2.b Capteur à modulation d'état de polarisation.............................................................43
1.5.3 Détection du retard de phase ...........................................................................................44
1.5.3.a Détection par méthode interférométrique.................................................................44
1.5.3.b Interféromètre Fabry-Perot.......................................................................................45
51.5.3.c Détection par mesure spectrale.................................................................................46
1.5.3.d Détection par mesure polarimétrique.......................................................................47
1.5.4 Principe général des capteurs à fibre optique pour des mesures en mécanique..............49
1.5.4.a Capteur de pression à fibre optique monomode.......................................................49
1.5.4.b Capteur de déplacement à l'échelle micrométrique..................................................51
1.5.4.c Hydrophone par interférométrie...............................................................................52
1.6 Conclusion de l'étude bibliographique.....................................................................................53
Chapitre 2 Modélisation d'un capteur de vibration à fibre optique par modulation de
polarisation...................................................................................................................56
2.1 Principe du sismomètre............................................................................................................56
2.2 Modélisation de la propagation de la lumière dans une fibre optique à saut d'indice.............58
2.2.1 Définition d'un guide de lumière à saut d'indice..............................................................58
2.2.2 Distribution du champ électrique dans la fibre................................................................60
2.2.3 Approche simplifiée des modes dans un guide d'onde à saut d'indice.............................61
2.2.4 Équation de propagation des ondes électromagnétiques en espace libre.........................64
2.2.5 Approximation scalaire....................................................................................................66
2.2.6 Quantités transportées par une onde électromagnétique..................................................67
2.2.7 Étude de la propagation de la lumière dans un guide d'onde cylindrique .......................68
2.2.7.a Approche ondulatoire ..............................................................................................68
2.2.7.b Considération sur la polarisation..............................................................................72
2.2.8 Modélisation de la propagation lumineuse polarisée ......................................................73
2.2.8.a Définition de la polarisation.....................................................................................74
2.2.8.b Formulation de l'état de polarisation........................................