Thèse en cours

Commande des systèmes d'optique adaptative pour les communications optiques en espace libre
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Auteur / Autrice : Joana sofia Do sul da mota torres
Direction : Caroline Kulcsar
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Génie électrique
Date : Inscription en doctorat le 07/12/2020
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....)
Equipe de recherche : Imagerie et Information
référent : Faculté des sciences d'Orsay

Résumé

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La communication optique en espace libre (FSOC) permet des liaisons de données à haut débit vers les satellites. Cependant, les performances des systèmes FSOC sont affectées par la turbulence atmosphérique, qui déforme le faisceau laser et induit une scintillation au niveau du récepteur. Cela limite le débit de données potentiellement disponible pour ce type de liaison [Fidler, 2010]. Se tourner vers l'optique adaptative (OA) apparaît comme une solution intéressante. En effet, l'OA est largement utilisée dans les applications astronomiques pour compenser les effets néfastes de la turbulence atmosphérique. L'OA s'appuie sur des miroirs déformables pour la correction en temps réel du front d'onde incident, en utilisant les mesures de capteurs de front d'onde pour calculer les commandes à envoyer aux actionneurs grâce à un algorithme temps-réel. Cette technique a déjà été proposée en communications optiques pour améliorer la performance en termes de débit [Knapek, 2011], avec l'objectif d'établir des transferts de données plus robustes. Cependant, l'asservissement de l'OA dans ce contexte de FSOC est susceptible d'être rendu instable par les conditions opérationnelles : la turbulente est forte et à évolution très rapide car le système doit fonctionner de jour, contrairement à l'astronomie. Les stratégies de commandes optimales, basées sur des modèles stochastiques pour anticiper le comportement de la turbulence, ont le potentiel d'améliorer considérablement les performances du FSOC dans de tels scénarios. L'objectif de ce travail de recherche est donc de concevoir, simuler et mettre en oeuvre des stratégies de commande d'OA à hautes performances, à partir des régulateurs à variance minimale linéaires quadratiques gaussiens (LQG) qui ont été testés avec succès sur le ciel pour des applications astronomiques [Sivo, 2014 ; Sinquin, 2020]. Le développement de modèles et de stratégies de commande doit être optimisé pour le nouveau contexte de la FSOC. De tels schémas peuvent inclure l'utilisation de modèles de prédiction de turbulence de type bouillonnant comme dans [Sivo, 2014] ou de type à écoulement gelé comme dans [Prengere, 2020], mais aussi des modèles non paramétriques comme dans [Sinquin, 2020]. En raison de l'évolution rapide des conditions turbulentes attendues dans les applications FSOC, les hypothèses de stationnarité stochastique qui sous-tendent actuellement les méthodes de conception des OA de type LQG devront probablement être revues. Des procédures appropriées d'identification des modèles et de mise à jour très fréquentes du régulateur devront être étudiées. Plusieurs autres aspects liés à la synthèse de la commande devront être abordés dans le contexte applicatif du FSOC. Par exemple, des critères de commande prédictive avec un horizon temporel fini ou même court pourraient fournir une bonne alternative à la commande LQG standard à horizon infini. De plus, en raison de la fréquence de boucle élevée (au moins 2 kHz), la réponse temporelle des actionneurs du DM peut être non instantanée et potentiellement nuire aux performances et / ou à la stabilité de l'asservissement. La saturation des actionneurs devra peut-être également être prise en compte, en raison de la forte turbulence qui doit être compensée. Ces travaux de modélisation et commande dans un contexte de FSOC devraient permettre de développer des solutions capables d'assurer un fonctionnement robuste et stable à haut débit pour les communications par satellite en liaison montante et descendante. Ces solutions de commande haute-performance seront ensuite implémentées dans un calculateur temps-réel existant pour réaliser leur première démonstration en conditions réelles de FSOC. L'apport des stratégies proposées sera expérimentalement évalué sur un démonstrateur en liaison horizontale [Mata-Calvo, 2019] et en liaison satellitaire réelle à l'aide de la station au sol de DLR Oberpfaffenhofen équipée d'un télescope de 80 cm, qui sera opérationnelle en 2021. Références : Fidler, F. et al. « Optical communications for high-altitude platforms. » IEEE Journal of selected topics in quantum electronics 16.5: 1058-1070 (2010). Knapek, M. « Adaptive optics for the mitigation of atmospheric effects in laser satellite-to-ground communications. » Diss. Technische Universität München (2011). Mata-Calvo, R. & al. « Optical technologies for very high throughput satellite communications. » Free-Space Laser Communications XXXI. Vol. 10910. International Society for Optics and Photonics (2019). Prengère, L. & al. « Zonal-based high-performance control in adaptive optics systems with application to astronomy and satellite tracking. » JOSA A, 37 (7), 1083-1099 (2020). Sinquin, B. & al. « On-sky results for adaptive optics control with datadriven models on low-order modes. » Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, staa2562 (2020). Sivo, G. & al. « First on-sky SCAO validation of full LQG control with vibration mitigation on the CANARY pathfinder. » Optics express, 22(19), 23565-23591 (2014).