Impact de la scintillation sur les performances et la robustesse d'un système télécom sol-satellite corrigé par optique adaptative

Impact of scintillation on the performance and reliability of a ground-satellite telecommunication system corrected by adaptive optics

• Auteur / Autrice : Timothée Vene
• Direction : Jean-Marc Conan, Laurent Mugnier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 17/10/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA/DOTA - Département Optique et Techniques Associées
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)

Mots clés

Mots clés libres

Optique adaptative

Analyse de surface d'onde

Scintillation

Télécommunications optiques

Scintillation

Adaptive optics

Wavefront sensing

Optical telecommunications

Résumé

Alors que la demande mondiale en matière de débits de données et de connectivité se fait toujours croissante, les opérateurs télécom prédisent à court-terme l'engorgement des bandes radiofréquences communément utilisées, et voient dans les communications optiques sol-satellite une solution clef qui pourrait mener aux télécommunications à très haut débit de demain. Or, malgré leur énorme potentiel, les communications optiques doivent encore surmonter un obstacle de poids pour pouvoir être opérationnelles : la turbulence atmosphérique. Cette dernière perturbe en effet fortement la transmission du signal et nécessite de développer des méthodes de compensation de ces effets, dont l'une des plus prometteuses est l'optique adaptative (OA). Cette technique, qui consiste à compenser en temps réel les effets de la turbulence sur le signal optique, est mise en œuvre avec succès par l'ONERA depuis plusieurs années pour cette application pour le compte du CNES, de l'ESA et de la DGA, et depuis plus de 30 ans dans le domaine de l'astronomie. Cependant, la disponibilité et le domaine d'emploi des systèmes de télécommunication optique sol-satellite reste un facteur clef de leur viabilité future – des disponibilités proches de 100% sont en effet visées pour les liens avec les satellites géostationnaires, et pouvoir échanger des données même à basse élévation avec un satellite en orbite basse présente un intérêt véritablement stratégique. Pour ces raisons, les optiques adaptatives pour les télécommunications sol-satellite de demain doivent être agiles et capable de faire face à une grande dynamique de conditions de turbulence : cela entraine notamment qu'elles doivent être capables de surmonter le défi majeur que représente la forte scintillation rencontrée dans les cas de fortes perturbations. L'objet de cette thèse est de quantifier l'impact de cette forte perturbation sur les performances et la robustesse du système de télécommunication optique compensé par OA, afin de proposer des optimisations et des parades, et de les mettre en œuvre expérimentalement. Ceci présente un défi de taille car le régime des fortes perturbations impacte diverses briques intercorrélées du système. En particulier, on s'interrogera sur le dimensionnement de la brique d'analyse de surface d'onde : même avec un simple analyseur de Shack-Hartmann, de nombreuses questions se posent sur son comportement et son optimisation pour les télécoms, car en présence de forte scintillation il pâtit du fait que certaines sous-pupilles sont saturées ou éteintes. L'étudiant·e développera un modèle simplifié de son impact sur les performances du système d'OA en fonction de son dimensionnement, en présence de fortes perturbations. Un autre point qui pourra être approfondi dans cette thèse est celui de la mesure des paramètres d'identification en présence de forte scintillation, c'est-à-dire l'exploitation des données de l'OA pour obtenir des informations sur la turbulence rencontrée - données qui peuvent être exploitées dans les lois de commande et les traitements télécoms. La robustesse des algorithmes usuels à la scintillation sera étudiée, et des améliorations seront mises en œuvre. L'étudiant·e proposera des modèles physiques et des modèles simplifiés, permettant de décrire les performances du système d'optique adaptative, puis du système complet (incluant la couche télécom), dans le cas des fortes perturbations. Il pourra pour cela s'appuyer sur les modèles existants déjà à l'ONERA, qui traitent du régime des faibles perturbations (code SAOST), et adapter des modèles physiques au cas de la forte scintillation (code TURANDOT). Grâce à ces modèles, l'étudiant·e sera en mesure de proposer, et de tester, des solutions permettant de repousser les limites actuelles des systèmes d'optique adaptatives pour les télécommunications sol-satellite du futur. Tout au long de cette thèse, l'étudiant·e pourra tester ses concepts et valider ses modèles sur le banc PICOLO, qui reproduit en laboratoire un lien turbulent entre un satellite en orbite basse et le sol grâce à des écrans de phase tournants. Une intégration dans les systèmes d'OA développés par l'ONERA pour une démonstration temps réel ou ralenti est envisageable, grâce aux retombées d'une autre thèse portant le contrôle-commande dans le régime des fortes perturbations (fin en 2023). Ces travaux seront menés en forte synergie avec les thématiques de focalisation laser à travers l'atmosphère et l'instrumentation astronomique, en raison des liens étroits avec ces deux thématiques, en bénéficiant de notre collaboration avec le Laboratoire d'Astrophysique de Marseille au travers d'une équipe intégrée. Ces travaux amèneront par ailleurs l'étudiant·e à intégrer une équipe d'une dizaine de personnes travaillant sur la thématique des télécommunications optiques en espace libre, lui permettant ainsi de bénéficier de nombreuses interactions quotidiennes avec d'autres thésards et des chercheurs, au cœur des activités de cette thématique majeure de l'unité Haute-Résolution Angulaire, lieu d'études menées actuellement pour le CNES, l'Europe (H2020 et ESA), et en partenariat avec les industriels du domaine (Airbus, Thales, etc…).

Context As global demand for data rates and connectivity grows, telecom operators predict congestion in commonly used radio frequency bands in the short term, and see optical ground-satellite communications as a key solution for tomorrow's very high throughput telecommunications. However, despite their potential, optical communications have to overcome a serious obstacle: atmospheric turbulence, that greatly disturbs signal transmission, and thus requires the development of mitigation techniques. One of the most promising of these techniques is adaptive optics (AO), which consists in compensating in real time the effects of turbulence on the optical signal. AO has been successfully implemented by ONERA for several years for this application on behalf of CNES, ESA and DGA, and for more than 30 years in the field of astronomy. However, availability close to 100% is needed for links toward geostationary satellites, and being able to exchange data with LEO satellites even at low elevation is of strategic interest. For these reasons, AO for tomorrow's ground-satellite telecommunications must be agile and able to cope with a large diversity of turbulence conditions. This means in particular that AO must be able to overcome one major challenge: the handling of strong scintillation induced by strong perturbations. Research project The purpose of this thesis is to quantify the impact of these strong perturbations on the performance and robustness of the AO-compensated optical telecommunications system, in order to propose optimizations and workarounds, leading eventually to experimental demonstrations. The core of the thesis will be the development of a simplified model that predicts accurately the signal statistics regarding AO configuration and turbulence conditions, in presence of both weak and strong perturbations. This presents a major challenge since strong perturbations impact bricks of the system that are intercorrelated. In particular, the design of the wavefront sensor will be questioned: even in the case of a simple Shack-Hartmann sensor, many questions remain about its behavior and its optimization for telecoms, since in presence of strong scintillation several of its sub-apertures may become saturated or extinct. This thesis can also explore the identification of context parameters in the presence of strong scintillation. These data can then be used to optimize AO control laws and telecom numerical processing, and to foresee system disruptions. The PhD student will be able to work on numerical models (simplified and end-to-end), but also test the outcome of these studies experimentally on in-lab ONERA testbeds. Environment The student will have access to ONERA simulation tools (semi-analytical models and end-to-end code TURANDOT) [Canuet-2018, Camboulive-2018], as well as the PICOLO testbed, that emulates in-lab a ground-to-LEO link with strong perturbations. Moreover, the student will join a team of about ten people working on the theme of free space optical telecommunications, allowing him/her to benefit from numerous daily interactions with other PhD students and researchers, at the core of the “High Angular Resolution” lab. Bibliography [Barchers 2003] Barchers, Jeffrey D., et al. 'Performance of wavefront sensors in strong scintillation.' Adaptive Optical System Technologies II. Vol. 4839., SPIE, (2003). [Canuet 2018-1] Lucien Canuet, Fiabilisation des transmissions optiques satellite-sol, PhD thesis, Toulouse Univ. (2019) [Canuet 2018-2] Canuet, Lucien, et al. “Statistical properties of single-mode fiber coupling of satellite-to-ground laser links partially corrected by adaptive optics” JOSA A 35.1 : 148-162. (2018) [Conan 2019] Conan, Jean-Marc et al. “Adaptive optics for GEO-Feeder links: from performance analysis via reciprocity based models to experimental demonstration.”, COAT-2019 Proceedings, in press, (2019). [Mahé 2000] Frédéric Mahé, Application d'un modèle atmosphérique à l'étude des fluctuations d'indice de réfraction dans la couche limite: influence de la scintillation sur l'analyse de front d'onde., PhD thesis, Nice Univ. (2000).