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Jul 21, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13983 (2023) Citer cet article

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Nous présentons un capteur de déformation environnementale à fibre optique à longue portée basé sur l'annulation active du bruit de phase (PNC) dans la diffusion de fréquence métrologique. La détection PNC exploite les enregistrements d'une fréquence de compensation qui est généralement rejetée. Sans nécessiter d'appareils de mesure dédiés, il fonctionne de manière synchrone avec les services métrologiques, ce qui suggère que les réseaux métrologiques à phase stabilisée existants peuvent être utilisés sans effort comme capteurs environnementaux. La compatibilité de la détection PNC avec l'amplification en ligne permet d'interroger des câbles d'une longueur supérieure à 1 000 km, ce qui en fait un contributeur potentiel à la détection des tremblements de terre et à l'alerte précoce dans les océans. À l'aide de simulations de champs d'ondes d'éléments spectraux qui tiennent compte avec précision de la géométrie complexe des câbles, nous comparons les enregistrements observés et calculés de la fréquence de compensation pour un séisme de magnitude 3,9 dans le sud-est de la France et une liaison fibre optique de 123 km entre Berne et Bâle, en Suisse. La correspondance en phase et en amplitude indique que la détection PNC peut être utilisée de manière quantitative, par exemple pour la détection et la caractérisation des tremblements de terre.

Au cours de la dernière décennie, la détection acoustique distribuée (DAS) est devenue une technologie mature qui offre un échantillonnage spatial élevé et une large bande passante de fréquence allant de la plage MHz à kHz1,2. Il a ainsi ouvert diverses opportunités de recherche ayant une pertinence sociétale immédiate, par exemple dans l'imagerie sismique et la surveillance des structures et des réservoirs proches de la surface3,4,5,6,7, la détection et la caractérisation de la sismicité des volcans pour une éventuelle alerte précoce8,9, 10,11 et études de la structure et de la dynamique des glaciers et des calottes glaciaires12,13,14,15.

Parallèlement à la popularisation du DAS, de nouvelles approches de détection ont été développées pour surmonter deux de ses inconvénients : le coût élevé des unités DAS et la distance d'interrogation maximale, généralement de plusieurs dizaines de kilomètres, qui peut être étendue en utilisant des répéteurs, dans les cas où le câble est accessible. En exploitant la biréfringence dépendante de la déformation, il a été démontré que les changements de polarisation optique accumulés le long des câbles de télécommunication transocéaniques enregistrent les mouvements sismiques du sol16,17. Dans une étude antérieure, il a été démontré que les changements de phase optique dans les signaux laser ultrastables, transmis via des réseaux de métrologie ou de télécommunication de plusieurs centaines à des milliers de kilomètres de long, sont sensibles à un large éventail de signaux environnementaux, y compris les tremblements de terre18. Adoptant une approche conceptuellement similaire, un interféromètre à fibre hyperfréquence (MFFI) a été développé pour une fraction du coût des unités DAS commerciales19, rendant cette technologie attrayante pour les applications environnementales et liées aux risques naturels dans les pays à faible revenu. Une comparaison côte à côte du DAS et du MFFI a mis en évidence le potentiel de ce dernier pour la science quantitative20. Alors que les technologies basées sur la transmission de phase ne fournissent que des mesures de déformation intégrées spatialement, au lieu de mesures distribuées, un certain niveau de résolution spatiale peut être atteint soit grâce à l'utilisation de répéteurs entre les segments de fibre21, soit par une analyse des signaux en fonction du temps22. Les technologies de détection à fibre optique basées sur la polarisation ou la transmission de phase augmentent considérablement la couverture, en particulier dans les océans, avec des avantages évidents pour l'imagerie sismique, ainsi que pour l'alerte précoce aux tremblements de terre et aux tsunamis. Ils nécessitent cependant des équipements de mesure dédiés18,19 et éventuellement l’interruption du service pour lequel une fibre est censée être utilisée en priorité18.

Nous présentons ici une approche alternative à la détection de déformation par fibre optique à longue portée basée sur la suppression active du bruit de phase (PNC). Couramment utilisé pour stabiliser la diffusion des fréquences dans les réseaux de fibres métrologiques, le PNC produit des mesures de changement de phase optique en tant que produit secondaire qui est généralement mis au rebut ou surveillé uniquement pour la surveillance de l'état du système. Grâce à une comparaison avec des simulations de forme d'onde complète d'un séisme régional, nous démontrons que la PNC fournit des mesures quantitatives de la déformation du sol sans aucune interruption de la diffusion des fréquences métrologiques. Cela implique que les réseaux métrologiques existants peuvent être convertis en capteurs de déformation à longue portée sans coût ni effort supplémentaires.