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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 HAL Id: tel-00779335 https://theses.hal.science/tel-00779335 Submitted on 22 Jan 2013 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. 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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
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