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As a complement to classical sensors, Distributed Optical Fiber Sensors now play a prominent role in several engineering fields and act as an antenna array. Depending of the devices used (Raman, Rayleigh, or Brillouin scattering), measurement record depend on temperature, strain, or pressure profile. As the wanted signal is often hidden by noise and other undesired sources, we can express the problem as a source separation problem. In this paper, we show that with the help of recent techniques based on data decomposition and source separation (PCA, ICA NMF techniques) from the virtual antenna, we can accurately identify water leakages from a noisy Raman spectra or a strain profile from Brillouin spectra with a spatial resolution of 1cm instead of 1 meter for classical devices.

Cet article traduit la volonté de deux maîtres d’ouvrages (ayant une compétence interne d’ingénierie conseils en géophysique), que sont SNCF Réseau et EDF, de mettre en commun leurs retours d’expériences pour améliorer la gestion des risques liés à l’aléa cavités souterraines sur des ouvrages de grands linéaires, en contexte ferroviaire ou hydraulique. Cette coopération a permis de valider plusieurs méthodes de diagnostic, par reconnaissance et auscultation, afin de détecter des cavités souterraines et de suivre leur évolution : dans deux contextes géologiques distincts (craie et marnes à gypse), les méthodes sismiques actives et passives basées sur les ondes de surface ont confirmé leurs performances théoriques, aussi bien pour des reconnaissances que de la surveillance en continu : (1) dans un contexte de cavités anthropiques dans la craie et hors nappe, les exemples présentés valident l’intérêt de certaines méthodes industrielles de reconnaissance (DCOS®, ParSeis®) et laissent espérer une industrialisation prochaine de plusieurs autres (SI active et passive), (2) dans le contexte de dissolution de gypse, ces mêmes méthodes utilisant le signal généré par les circulations ferroviaires se sont avérées très pertinentes pour assurer une surveillance en continu, via un monitoring 4D, du sol support de la plateforme ferroviaire. Le résultat de ce développement permettra de s’inscrire dans une démarche de maintenance prédictive vis-à-vis du risque fontis ; dans le contexte de dissolution de gypse, la mesure de déformation par fibre optique en place dans un remblai a démontré sa pertinence pour capter l’amorce de remontée d’un fontis, avant même l’apparition d’indice en surface. Enfin, il faut noter que les méthodes de reconnaissance et d’auscultation, présentées dans les deux premiers cas d’étude, pourraient favorablement être réalisées en utilisant une fibre optique comme celle exploitée dans le troisième cas d’étude, mais il faudrait un interrogateur optique différent de type DAS. Ceci est une perspective à laquelle s’intéressent les deux maîtres d’ouvrages.

International audienceDistributed optical fiber sensors have gained an increasingly prominent role in structural-health monitoring. These are composed of an optical fiber cable in which a light impulse is launched by an opto-electronic device. The scattered light is of interest in the spectral domain: the spontaneous Brillouin spectrum is centered on the Brillouin frequency, which is related to the local strain and temperature changes in the optical fiber. When coupled with an industrial Brillouin optical time-domain analyzer (B-OTDA), an optical fiber cable can provide distributed measurements of strain and/or temperature, with a spatial resolution over kilometers of 40 cm. This paper focuses on the functioning of a B-OTDA device, where we address the problem of the improvement of spatial resolution. We model a Brillouin spectrum measured within an integration base of 1 m as the superposition of the elementary spectra contained in the base. Then, the spectral distortion phenomenon can be mathematically explained: if the strain is not constant within the integration base, the Brillouin spectrum is composed of several elementary spectra that are centered on different local Brillouin frequencies. We propose a source separation methodology approach to decompose a measured Brillouin spectrum into its spectral components. The local Brillouin frequencies and amplitudes are related to a portion of the integration base where the strain is constant. A layout algorithm allows the estimation of a strain profile with new spatial resolution chosen by the user. Numerical tests enable the finding of the optimal parameters, which provides a reduction to 1 cm of the 40-cm spatial resolution of the B-OTDA device. These parameters are highlighted during a comparison with a reference strain profile acquired by a 5-cm-resolution Rayleigh scatter analyzer under controlled conditions. In comparison with the B-OTDA strain profile, our estimated strain profile has better accuracy, with centimeter spatial resolut ion