Optique adaptative pour la communication optique LEO-sol : modélisation, optimisation et experimentation

Adaptive optics for LEO-to-ground optical communication : Modeling, optimization, and experiment

• Auteur / Autrice : Pablo Rodriguez Robles
• Direction : Benoît Neichel, Cyril Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Instrumentation
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM) - Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées (1997-....) - Centre national d'études spatiales (France)
• Jury : Président / Présidente : Marc Ferrari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Neichel, Tim Morris, Bouchra Benammar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrès Guesalaga, Lisa A. Poyneer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Comptage à scintillateur liquide

Turbulence atmosphérique

Satellites artificiels

Télécommunications optiques en espace libre

Optique adaptative

Mots clés libres

Turbulence atmospherique

Optique adaptative

Communication optique

Satellite LEO

Command predictif

Forte scintillation

Atmospheric turbulence

Adaptive optics

Optical communication

LEO satellite

Predictive control

Strong scintillation

Résumé

Les liaisons optiques satellite-sol en orbite terrestre basse (LEO) permettront des communications directes à haut débit entre les satellites et les stations sol. Afin d'exploiter les réseaux de télécommunication optique existants, le faisceau optique descendant peut être injecté dans une fibre monomode. Cependant, la turbulence atmosphérique dégrade la propagation du faisceau optique, altérant le couplage dans la fibre monomode. L'optique adaptative (AO) peut fournir une correction en temps réel des effets de turbulence. L'objectif de cette thèse est d'améliorer les performances de l'optique adaptative pour les liaisons optiques LEO-sol. Dans les applications de liens LEO-sol, le vent apparent dû au mouvement relatif entre le télescope et l'atmosphère entraîne une évolution plus rapide de la turbulence, augmentant l'erreur temporelle induite par le retard entre la mesure et la correction du front d'onde fournies par la boucle d'OA. Cette thèse s'intéresse à la limite théorique de réduction de l'erreur temporelle grâce à la prédiction de la turbulence.Cette thèse considère alors un algorithme de contrôle prédictif pour atténuer en temps réel l’impact de l’erreur temporelle. Les résultats de simulation pour le contrôleur montrent une réduction significative des évanouissements de couplage dans la fibre. Le même contrôleur est appliqué à l’imagerie au sol des satellites en orbite LEO, avec de forts gains en qualité d’image. Alternativement, le contrôleur peut être utilisé pour assouplir la fréquence d'asservissement de boucle d'OA, réduisant ainsi la complexité du système et augmentant le flux de photons disponible pour l'analyse du front d'onde. Enfin, cette thèse présente PICOLO, un émulateur de turbulence pour les liaisons basse élévation. À basse élévation, les effets de la turbulence sont plus forts, entraînant une scintillation qui altère le fonctionnement de l'OA. Les effets de scintillation du banc ont été caractérisés et comparés à une simulation numérique, validant l'émulateur et définissant ainsi son jumeau numérique. PICOLO servira aux tests en laboratoire de nouveaux concepts d'OA pour les liaisons LEO-sol dans des conditions réalistes. Un premier test a ainsi été réalisé en couplant un système d'OA à l'émulateur ; les statistiques de couplage de la correction par OA utilisant un contrôleur classique ont été comparées avec succès aux simulations numériques. Des travaux ultérieurs mèneront à une démonstration expérimentale du contrôleur prédictif proposé dans la perspective d'une démonstration sur le ciel

To benefit from the existing optical telecommunication network, the received beam can be injected into a single mode fiber. However, atmospheric turbulence degrades optical beam propagation, impairing coupling into single-mode fiber. Adaptive optics (AO) can provide real-time correction of turbulence effects. The goal of this thesis is to improve the performance of AO for LEO-to-ground optical links. In LEO satellite tracking applications, the apparent wind due to the relative motion between the telescope and the atmosphere leads to a faster turbulence evolution, increasing the servo-lag error caused by delays between measurement and wavefront correction in the AO loop. This thesis discusses a theoretical upper bound in servo lag error reduction thanks to turbulence prediction. It then proposes a predictive control algorithm to mitigate the impact of servo-lag error. Simulation results for the controller show a significant reduction in fiber coupling fadings. The same controller is applied to ground-based imaging of satellites in LEO orbit, with strong gains in image quality. Alternatively, the predictive controller can be used to relax the loop frequency, reducing the complexity of the AO system and increasing the available photon flux for wavefront sensing. Finally, this thesis presents PICOLO, a turbulence emulator for low-elevation links . At low elevations, turbulence distortions are stronger, resulting in scintillation that impairs AO. The scintillation characteristics of the bench were characterized and compared with numerical wave propagation simulations, validating the emulator's design and obtaining its digital twin. PICOLO will serve for the laboratory testing of new AO techniques for LEO-to-ground links in realistic conditions. A first test was conducted by coupling an AO system to the emulator; the coupling statistics of AO correction using a classical controller were successfully compared to numerical simulations. Further work will lead to an experimental demonstration of the proposed predictive controller in the prospect of on sky demonstration