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Optique Adaptative pour les liens Telecoms sol-satellite en conditions de turbulence forte instationnaire

Description

Face à la saturation progressive des réseaux de transmission radiofréquence sol-satellite, les liens optiques apparaissent comme une des solutions les plus prometteuses, permettant un accroissement significatif des débits. Cette solution se heurte toutefois à  la dégradation du faisceau propagé en raison de la turbulence atmosphérique qui conduit à des fluctuations du faisceau optique (en amplitude et en phase) à la réception, limitant son couplage à un monodétecteur de taille réduite ou son injection dans une fibre monomode par exemple. En conséquence, l'exploitation des composants d'amplification, de conversion numérique ou de multiplexage télécom aujourd'hui largement utilisés est impossible. Récemment, la NASA et l’Onera en partenariat avec le CNES, ont séparément démontré la possibilité de corriger les effets de la turbulence sur un lien satellite--sol par Optique Adaptative (OA) et d'accroître l’efficacité d’injection dans une fibre. L'OA exploite pour cela une partie du signal optique télécom pour évaluer et corriger les effets de turbulence. Toutefois ce gain de correction se réduit significativement à basse élévation, en raison de la modification des conditions de turbulence et de flux limitant de fait la qualité et la disponibilité des liens satellites-sol. Cette problématique touche principalement les liens avec des satellites en orbite basse, dont le défilement à grande vitesse réduit la durée de la liaison télécom, mais peut aussi concerner certains liens avec des satellites géostationnaires ou des aéronefs.

Dans ces conditions, plusieurs phénomènes se combinent :

- l’augmentation des fluctuations d'intensité dans la pupille (scintillation) pénalisant la mesure de l'OA,

- l’augmentation de la force de la turbulence,

- la chute du flux moyen reçu en raison d'une distance accrue du satellite, posant le problème de la répartition du flux entre OA et détecteur télécom.

Un système opérationnel doit pouvoir fonctionner en continu aussi bien en condition nominale (haute élévation) que dans ces conditions dégradées (basse élévation). On se heurte ainsi à la prise en compte et la gestion optimale des phénomènes non-stationnaires inhérents à l'observation de satellites défilants. Ces conditions de fonctionnement s’éloignent ainsi très notablement de celles classiquement rencontrées en astronomie mais sont dans une large mesure similaires à celles rencontrées en imagerie de satellites et de débris.

L'objectif de la thèse est de repousser les limites des systèmes existants et permettre leur fonctionnement dans l'ensemble des conditions rencontrées, y compris en régime transitoire. On propose ainsi d’articuler le travail de thèse autour des problématiques posées par chacun des phénomènes précités. Il s'agira de développer et valider des concepts originaux d'analyse de front d'onde et de commande adaptée mais également de mener une réflexion sur l'architecture de l'OA. Pour ce faire, on propose à l'étudiant(e) de développer trois axes de réflexion.

Le premier porte sur l'analyse de front d'onde. Actuellement majoritairement réalisée avec un Shack-Hartmann, sujet à la scintillation, il (elle) s'intéressera d'une part à l'optimisation de ce détecteur pour gérer les disparités de flux et la scintillation, et d'autre part au développement de solutions alternatives, utilisant par exemple l'analyse de surface d'onde interférométrique ou les solutions dérivées de l'analyseur pyramidale en s’inspirant des travaux menés en astronomie, notamment en collaboration avec l’équipe intégrée Onera-LAM (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille). L'objectif est de proposer une solution plus robuste et applicable au domaine des télécoms et en valider expérimentalement les briques conceptuelles élémentaires.

Le deuxième axe de réflexion porte sur le développement de solutions de contrôle de la boucle d'optique adaptative robustes capables de répondre aux variations de la force de la turbulence. Le développement des moyens de calcul temps réel (par parallélisation, carte graphique, multi CPU) autorise de considérer des solutions de contrôle adaptatives plus sophistiquées permettant d'adapter à chaque instant l'OA aux conditions de turbulence rencontrées. L'optimisation de la commande s'appuiera sur des travaux de thèse antérieurs qui ont permis d'identifier le critère de performance pertinent pour les liens optiques satellite-sol. On s'intéressera notamment à l'optimisation par l'OA de l'injection dans une fibre en correction partielle.

Enfin, une réflexion plus globale sera aussi menée sur l'architecture même de l'OA et par exemple sur la répartition dynamique des flux sur le banc. Il s’agira en particulier d'évaluer la faisabilité technique des solutions identifiées dans les deux premiers volets de la thèse et d’envisager leur intégration dans un système d’OA télécom.  

Ces travaux s'appuieront sur des outils de simulation numérique préexistants à l’Onera. Des validations expérimentales des concepts proposés seront  menées sur les divers moyens et démonstrateurs développés par l’Onera, en laboratoire ou sur ciel (banc LISA).

 Ces travaux seront menés dans le cadre de plusieurs études menées pour le CNES, et bénéficieront des résultats d'expériences menées pour l'ESA. Du point de vue de l’équipe HRA de l’Onera, ces travaux s’intègrent fortement aux thématiques de recherche de l’équipe, et sont notamment en fortes synergies avec la problématique d'observation de satellites en orbite basse ou de débris, qui pourra bénéficier des retombées de ces travaux et bien sûr avec les activités d’instrumentation pour l’astronomie menées notamment en collaboration avec le LAM.

Profil

Ecole généraliste physique ou optique.

Master optique, instrumentation, laser optique matière.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : ONERA
Directeur(rice) de thèse/recherche : Michau Vincent
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : vincent.michau@onera.fr
Responsable Cnes de l'offre : ARTAUD Géraldine

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