Protocole expérimental et calibration des données

1.3.1. Principe de calibration des données

La température est donc mesurée à partir de l’effet Raman, dans la mesure où la composante anti-Stokes du signal Raman rétrodiffusé dépend de la température du câble de fibre optique. Ainsi, le ratio entre l’intensité du signal Raman Stokes PS et l’intensité du signal

Raman anti-Stokes PaS, mesurées à la position z le long du câble de fibre optique, peut être utilisé

pour estimer la valeur de la température comme le montre l’Équation (1.1) (Hausner et al., 2011; Suárez et al., 2011).

Partie 1 - Ch. 1 – Mesures distribuées de température par fibre optique 27 𝑇 𝑧 = 𝛾 ln_𝑃𝑃𝑆 𝑧 𝑎𝑆 𝑧 + 𝐶 − ∆𝛼𝑧 (1.1)

La valeur de température dépend donc du ratio 𝑃𝑆 𝑧

𝑃_𝑎𝑆 𝑧 mais aussi de trois autres grandeurs : γ,

C et ∆α. La grandeur γ [°C] représente la différence d’énergie entre un photon à la longueur

d’onde du laser incident et un photon rétrodiffusé par diffusion Raman, tandis que le paramètre C [-] est un paramètre de calibration dépendant des propriétés du laser incident et de l’unité DTS elle-même. Enfin, la grandeur ∆α [m-1_{] correspond à l’atténuation}

différentielle entre les signaux Stokes et anti-Stokes au sein de la fibre en fonction de la distance z.

Bien qu’indépendantes les unes des autres, les trois grandeurs γ, C et ∆α ne sont pas constantes au cours du temps. Il est donc nécessaire de les estimer pour chaque temps d’intégration afin d’estimer la température. Pour cela, il suffit de connaître la température précise à trois endroits du câble de fibre optique. À partir des ratios 𝑃𝑆 𝑧

𝑃_𝑎𝑆 𝑧 mesurés le long de

trois sections de références, où la température est parfaitement connue, il est ainsi possible de définir les trois grandeurs inconnues et d’estimer la température partout ailleurs tout au long du câble à partir du seul ratio 𝑃𝑆 𝑧

𝑃_𝑎𝑆 𝑧 (Hausner et al., 2011).

1.3.2. Configuration des mesures

Afin d’avoir trois sections de référence le long du câble de fibre optique, Hausner et al. (2011) ont proposé plusieurs configurations possibles lors du déploiement du matériel de mesure, parmi lesquelles la « double-ended configuration ». Cette configuration, qui a été privilégiée lors de nos travaux, est celle qui permet d’obtenir les estimations de température les plus précises possibles (van de Giesen et al., 2012).

Le principe général de la configuration double-ended est présenté en Figure 1-3. La calibration des données se fait à l’aide de deux bains de calibration de température différente, au sein desquels des sections de câble de fibre optique sont installées en guise de sections de référence. Les câbles utilisés contenant plusieurs fibres optiques en leur sein, il est possible de fusionner deux de ces fibres à l’extrémité du câble utilisé. La fusion (splice) de ces fibres est faite de sorte à assurer la continuité du passage de la lumière d’une fibre de verre à l’autre. Ainsi, lorsqu’un signal lumineux est émis dans le câble, le splice terminal lui permet

28 d’effectuer un aller-retour en se propageant à l’aller dans une fibre et au retour dans une seconde. Un pulse de lumière permet donc d’investiguer deux fois la longueur totale du câble. Finalement, comme le montre l’exemple de la Figure 1-4, le profil de température mesuré avec cette configuration présente la température depuis l’unité jusqu’au splice terminal, « forward measurement », puis la température depuis le splice terminal jusqu’à l’unité DTS, « reverse measurement ». La seconde partie du profil est donc symétrique à la première (« mirror image »), sous condition que la calibration et le splice soient de bonne qualité. On dispose donc de quatre sections de référence, puisque la température est mesurée deux fois dans chaque bain de calibration, permettant ainsi la calibration des données. La température des bains de calibration doit être homogène afin que la température soit stable le long de chaque section de référence. Afin d’encadrer les températures mesurées tout au long du câble de fibre optique, il est préconisé d’avoir un bain de calibration froid et un bain de calibration chaud.

Figure 1-3. Principe général de la configuration « double-ended », mise en œuvre durant ces travaux de thèse [modifié depuis Hausner et al. (2011)].

De plus, comme le montre la Figure 1-3, les deux fibres de verre fusionnées sont chacune connectées à l’unité DTS. Le signal lumineux est donc envoyé alternativement dans chaque fibre, ce qui permet de compenser le phénomène d’atténuation du signal lumineux le long du câble affectant généralement la précision des mesures en fin de câble. Les températures estimées avec cette configuration sont donc plus précises sur toute la longueur du câble (Hausner et al., 2011; van de Giesen et al., 2012).

Partie 1 - Ch. 1 – Mesures distribuées de température par fibre optique

29 Figure 1-4: Exemple de profil de température mesuré avec une unité DTS lorsqu’un splice (fusion de deux fibres de verre) est réalisé à l’extrémité du câble utilisé.

1.3.3. Calibration des données

Une fois les sections de référence définies, la calibration peut se faire manuellement. Dans ce cas, l’unité DTS est utilisée seulement pour mesurer le ratio 𝑃𝑆 𝑧

𝑃𝑎𝑆 𝑧 et les températures

associées sont calculées manuellement à partir de l’Équation (1.1). Des procédures de calibration manuelle ont été proposées par Hausner et al. (2011) pour une configuration single-ended (pour laquelle la mesure se fait dans une seule fibre uniquement) et par van de Giesen et al. (2012) pour une configuration double-ended. Ces procédures ne sont pas présentées ici car elles n’ont pas été utilisées pour calibrer les données acquises lors des travaux présentés dans ce manuscrit.

En effet, les unités DTS utilisées permettent de calibrer en interne les données collectées et d’obtenir directement des mesures de température. Cela demande une configuration très précise des outils lors des mesures mais simplifie considérablement le traitement des données, dans la mesure où la calibration manuelle de celles-ci, et surtout en configuration double- ended, peut s’avérer particulièrement compliquée. La calibration des données de température par les unités DTS présente l’avantage de nécessiter seulement deux bains de calibration, car la grandeur ∆α est considérée comme stable dans l’espace (Suárez et al., 2011).

30 Dans le cas des travaux présentés ici, la calibration des données avec les unités DTS a été systématiquement d’assez bonne qualité pour s’abstraire de la calibration manuelle. En mesurant indépendamment la température dans les bains de calibration, mais aussi à différents endroits le long du câble, la qualité et la précision des mesures de température ont pu être vérifiées et validées à chaque expérience. Des détails sur les procédures de calibration et les précisions des mesures seront fournis pour chaque expérience présentée dans ce mémoire de thèse.