Commande des systèmes d'optique adaptative pour les communications optiques en espace libre

High-Performance Adaptive Optics Control in Strong Turbulence Scenarios for Free Space Optical Communications

• Auteur / Autrice : Joana Sofia Do sul da mota torres
• Direction : Caroline Kulcsar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 10/12/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - DLR Institut für Kommunikation und Navigation
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Sihem Tebbani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elena Masciadri, Carlos Correia, Szymon Gladysz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elena Masciadri, Carlos Correia
• DOI : 10.70675/9471b2edz2586z46c5zad17z7c8129a07794

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications optiques en espace libre

Commande linéaire

Filtrage de Kalman

Optique adaptative

Turbulence atmosphérique

Mots clés libres

Communications optiques en espace libre

Commande par retour d'état

Optique adaptative

Turbulence

Free space optical communications

Adaptive optics

Turbulence

Control

Résumé

Les communications par satellites devenant limitées par la saturation du spectre radio, les communications en espace libre (FSOC) apparaissent comme la solution pour les prochaines générations de systèmes de télécommunications spatiaux.Les FSOC permettent des liaisons satellitaires plus sûres et à plus haut débit. Cependant, leurs performances sont limitées par la turbulence atmosphérique, qui déforme le faisceau laser et induit des variations de phase et d'amplitude au niveau du récepteur, réduisant le débit de données. L'optique adaptative (OA), utilisée depuis longtemps en astronomie pour atténuer les effets de la turbulence, emploie des miroirs déformables (DM) pour corriger celle-ci en temps réel à l'aide de mesures d'analyseurs de front d'onde (WFS) filtrées par un algorithme de contrôle. L'OA a été proposée pour les FSOC afin d'améliorer la robustesse des liaisons optiques, mais les boucles d'OA peuvent devenir instables sous forte et rapide turbulence, typique des opérations diurnes. Les techniques de contrôle optimal basées sur des modèles stochastiques peuvent alors anticiper le comportement de la turbulence et améliorer les performances des FSOC.Cette recherche vise à concevoir, simuler et mettre en œuvre des régulateurs linéaires quadratiques gaussiens (LQG), déjà validés avec succès en astronomie. Les modèles et schémas de contrôle sont adaptés aux FSOC, ciblant les liaisons en orbite basse (LEO). Les profils de turbulence atmosphérique pour une liaison LEO diurne correspondant aux pires conditions au-dessus de la station optique au sol (OGS-OP) du DLR à Oberpfaffenhofen sont utilisés pour simuler les régulateurs LQG à trois élévations. Les simulations incluent les effets de diffraction dus à la propagation de la turbulence afin d'obtenir des effets de scintillation réalistes, et les fonctions de structure de von Kármán sont utilisées pour obtenir les statistiques de turbulence. Le système est décrit par une base zonale avec une phase suréchantillonnée par un facteur deux à l'aide d'une moyenne pondérée sur les bords des sous-pupilles. Dans ce cadre, nous étudions l'impact de la modélisation de la scintillation, de la fréquence de boucle et de l'élévation d'observation sur les performances de l'OA en comparant un contrôleur intégrateur classique et un contrôleur LQG.Le suréchantillonnage des points de phase par un facteur deux a permis d'améliorer les performances de 34,5 % par rapport à une grille suivant la géométrie de Fried. La robustesse des régulateurs LQG face à des erreurs dans le modèle d'élévation a également été évaluée. Les résultats montrent une grande résistance aux imprécisions du modèle, avec des performances systématiquement supérieures à celles de l'intégrateur. Le meilleur régulateur LQG a réduit de manière significative le taux d'erreur binaire, permettant un débit plus élevé avec moins de post-traitement, et a amélioré le taux de clé secrète (SKR) jusqu'à 70 % dans des conditions de faible altitude, forte turbulence et scintillation. Les effets de la scintillation ont été évalués plus en détail pour les liaisons LEO en comparant une propagation géométrique et physique du spectre à 2 et 5 kHz. La propagation physique a introduit plus d'événements d'évanouissement, dégradant la performance globale et démontrant quantitativement le rôle critique de la scintillation dans la simulation FSOC. Cependant, le régulateur LQG à 2 kHz s'est montré plus performant que l'intégrateur à 5 kHz, atténuant efficacement les fluctuations d'intensité. Enfin, une première tentative d'atténuation de la scintillation à l'aide d'une stratégie de remplacement des mesures dégradées a été menée. Bien que peu concluants, les résultats indiquent que les configurations dynamiques méritent d'être approfondies.En somme, ces travaux montrent que le contrôle prédictif LQG renforce la stabilité et le débit des liaisons FSOC-AO, soutenant la communication quantique européenne et les missions futures.

Current satellite communication is limited by the highly saturated radio frequency spectrum. Free Space Optical Communication (FSOC) enables higher-throughput data links to satellites. However, its performance is limited by atmospheric turbulence, which distorts the laser beam and induces scintillation at the receiver, reducing data rates. Adaptive optics (AO), widely used in astronomy to mitigate turbulence effects, employs Deformable Mirrors (DMs) for real-time correction using measurements from Wavefront Sensors (WFSs) and a control algorithm. AO has been proposed for FSOC to enhance link robustness, but AO loops can become unstable under rapidly varying turbulence typical of daytime operations. Optimal control techniques based on stochastic models can anticipate turbulence behaviour and improve FSOC performance.This research aims to design, simulate, and implement high-performance AO control strategies, starting from Linear Quadratic Gaussian (LQG) regulators successfully tested in astronomy. Models and control schemes were adapted for FSOC, with emphasis on low-Earth orbit (LEO) links. Diffraction effects were included for accurate simulation. A zonal-based approach was chosen, naturally encoding frozen flow as wind translation. Theoretical covariances from the von Kármán structure function were used to generate auto-regressive turbulence models. A predictive control library was developed in Python and integrated into DLR's ELSiE simulator. The phase grid was oversampled by a factor of two using weighted averaging across subaperture edges. A horizontal testbed link was used in preliminary simulations comparing tuned LQG regulators with a tuned integrator. Under identical conditions, coupling efficiency dropped by 56.4% for the integrator and 69.8% for the LQG controller when scintillation was included.These results provide the first quantitative evidence of the critical role of scintillation in FSOC simulations. Atmospheric turbulence profiles for a worst-case daytime LEO link over DLR's Oberpfaffenhofen Optical Ground Station (OGS-OP) were used to simulate LQG regulators at three elevations. Oversampling phase points by a factor of two improved performance by 34.5% compared to a simplified Fried geometry grid. The robustness of LQG regulators to elevation model mismatch was also evaluated. Results show high resilience to model inaccuracies, consistently outperforming the integrator. The best LQG regulator significantly reduced the bit error rate (BER), enabling higher throughput with less post-processing, and improved the secret key rate (SKR) by up to 70% under low-elevation, strong-turbulence, and scintillation conditions. Scintillation effects were further assessed for LEO links by comparing geometric and angular spectrum propagation at 2 and 5 kHz. Physical propagation introduced more fade events, degrading overall performance, yet the LQG regulator at 2 kHz outperformed the integrator at 5 kHz, effectively mitigating intensity fluctuations. Finally, an initial attempt to mitigate scintillation using a degraded-measurement replacement strategy was conducted. Although inconclusive, the results indicate that dynamic configurations warrant further investigation.Overall, this work demonstrates that FSOC-AO systems using predictive LQG control can substantially enhance link stability and throughput, supporting Europe's secure quantum communication infrastructure and enabling higher data rates for next-generation missions such as HyDRON and EAGLE-1.