L’objectif de cette thèse était de développer un capteur de surpression aérienne utilisant la rétro-injection optique dans une diode laser. Dans le cadre des expériences de détonique, les capteurs de surpression aérienne utilisés par le CEA Gramat sont en grande majorité piézoélectriques. Le but était de réaliser un capteur optique qui s’affranchit des limites intrinsèques des capteurs piézoélectriques notamment en termes de bande passante et de perturbations électromagnétiques. Dans le cadre d’une étude initiale menée au sein du laboratoire de recherches correspondant LICUR, entre le LAAS-CNRS et le CEA Gramat, la faisabilité d’un capteur par rétro-injection optique pour caractériser une onde de choc avait été évaluée. L’approche est basée sur la connaissance fine de l’effet acousto-optique aux très hautes pressions et des effets thermodynamiques induits par l’onde de choc. Le capteur génère des franges interférométriques, liées à la rétro-injection optique, proportionnelles aux variations d’indice le long du faisceau laser de mesure. Cette thèse décrit le dimensionnement complet du système capteur. Elle s’est déroulée en travaillant parallèlement sur le développement de traitement du signal et sur la validation progressive en conditions de laboratoire et réelles du capteur à rétro-injection optique.
Les premiers essais ont démontré à la fois le fort potentiel de cette technologie et les difficultés inhérentes d’un capteur basé sur ce principe dont la détection des franges d’interférences à haute fréquence et la décorrélation de la mesure de pression à partir de l’indice de réfraction en prenant en compte les effets thermodynamiques. Ces essais ont été réalisés sur des moyens en laboratoire : enceinte miniature au LAAS et tube à choc dynamique au CEA Gramat. Ils ont permis de valider une première version du modèle acousto-optique (valable jusqu’à 20 bar) et de confronter la mesure de pression déduite avec les mesures temporelles obtenues via des capteurs piézoélectriques du commerce. Les expériences ont montré également que la forme du front de choc avait une influence sur la mesure optique. En effet, le capteur optique fait une intégration de l’indice optique le long du faisceau laser, il est donc nécessaire d’étudier l’influence du rayon de courbure afin d’obtenir la pression maximale du front de choc. Le traitement du signal produit par le capteur constitue également un point clé de cette thèse. La mise en place d’un algorithme, plus robuste que les précédents et basé sur un traitement par ondelettes, s’est avérée indispensable pour la détection des franges.
Le capteur optique développé a été également déployé en conditions réelles à bas niveau sur un tube à choc d’une dizaine de centimètres de diamètre et sur des expériences de détonation champ libre à l’extérieur avec des niveaux de pression de l’ordre de 5 bar. Les derniers essais ont démontré la capacité du capteur optique à mesurer le front de montée de l’onde de choc, ainsi que la robustesse de sa conception opto-mécanique vis-à-vis des niveaux de pression, de la boule de feu, du flash lumineux et des températures extrêmes durant les expériences (-10°C ; +40°C).
Enfin, une comparaison entre l’approche par rétro-injection optique et celle par l’interférométrie de Michelson fibrée a été menée, ces deux méthodes étant théoriquement capables de mesurer une variation de l’indice optique due à une onde de choc. Il a été montré que l’interféromètre de Michelson pouvait mesurer l’indice de réfraction avec une meilleure résolution (~10⁻⁸) mais était plus sensible aux réglages d’alignement de la visée laser que le capteur à rétro-injection optique, qui est cependant limité pour le moment à une frange d’interférence en termes de résolution (~10⁻⁵). Le capteur à rétro-injection optique est bien plus compact qu’un interféromètre de Michelson fibré. |
The objective of this thesis was to develop an air overpressure sensor using optical feedback in a laser diode. In detonics experiments, the air overpressure sensors used by CEA Gramat are mostly piezoelectric. The purpose was to create an optical sensor that overcomes the intrinsic limitations of piezoelectric sensors, particularly in terms of bandwidth and electromagnetic disturbances. As part of an initial study conducted at the LICUR research laboratory—a collaboration between LAAS-CNRS and CEA Gramat—the feasibility of a sensor based on optical feedback for shock wave characterization was evaluated. The approach relies on a detailed understanding of the acousto-optic effect under very high pressures and the thermodynamic effects induced by the shock wave.
The sensor generates interferometric fringes, linked to optical feedback, that are proportional to the refractive index variations along the laser measurement beam. This thesis describes the complete design of the sensing system. It involved simultaneous work on signal processing development and the progressive validation of the optical feedback sensor under both laboratory and real conditions.
The first tests demonstrated both the strong potential of this technology and the inherent challenges of a sensor based on this principle, particularly the detection of high-frequency interference fringes and the decorrelation of pressure measurements from refractive index changes while accounting for thermodynamic effects. These tests were carried out using laboratory setups: a miniature chamber at LAAS and a dynamic shock tube at CEA Gramat. They validated a first version of the acousto-optic model (valid up to 20 bar) and allowed comparison of the derived pressure measurements with time-resolved data obtained using commercial piezoelectric sensors. The experiments also showed that the shape of the shock front influences the optical measurement. Indeed, the optical sensor integrates the optical index along the laser beam, making it necessary to study the influence of the curvature radius to determine the maximum pressure of the shock front.
The signal processing aspect of the sensor is also a key point of this thesis. The implementation of a more robust algorithm than previous versions, based on wavelet processing, proved essential for fringe detection.
The developed optical sensor was also deployed under real conditions at low levels in a shock tube of about ten centimeters in diameter, and during open-field detonation experiments with pressure levels around 5 bar. The final tests demonstrated the optical sensor's capability to measure the rising front of the shock wave, as well as the robustness of its opto-mechanical design with respect to pressure levels, fireball effects, bright flash, and extreme temperatures during the experiments (-10°C to +40°C).
Finally, a comparison was made between the optical feedback approach and that of fibered Michelson interferometry, as both methods are theoretically capable of measuring variations in the optical index due to a shock wave. It was shown that the Michelson interferometer could measure the refractive index with higher resolution (~10⁻⁸) but was more sensitive to laser beam alignment adjustments than the optical feedback sensor, which is currently limited to a single interference fringe in terms of resolution (~10⁻⁵). However, the optical feedback sensor is significantly more compact than a fibered Michelson interferometer.
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