FR3075521A1 - Systeme de communication comprenant un dispositif de compensation a etoile artificielle - Google Patents

Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des systèmes de communication optique à travers l'atmosphère entre une station (1) et un objet mobile (2), l'atmosphère comportant des turbulences, ladite station comprenant un dispositif d'émission (17) d'un signal optique, un système d'acquisition (13) d'une première direction dudit objet mobile à l'instant présent et un calculateur d'une seconde direction dudit objet mobile à un instant du futur correspondant à la réception du signal optique par l'objet. Dans le système selon l'invention, la station comporte un système de pointage (20) d'une étoile artificielle (S) dans la seconde direction, un dispositif d'analyse (14) d'un premier front d'onde émis par ladite étoile artificielle, un processeur électronique (15) agencé pour calculer une déformation d'un second front d'onde de compensation à partir de la connaissance du premier front d'onde et une optique adaptative (16) appliquant ladite déformation audit signal optique d'émission, ladite déformation étant telle que le signal optique est reçu correctement par l'objet mobile.

Description

Système de communication comprenant un dispositif de compensation à étoile artificielle

Le domaine général de l’invention est celui des transmissions optiques dans l’atmosphère terrestre. Un des domaines d’application est celui des systèmes de télécommunication optique entre une station terrestre et un satellite en orbite.

La distance séparant une station terrestre et un satellite de télécommunications est nécessairement importante. Elle varie de quelques centaines de kilomètres à plusieurs milliers de kilomètres. Par ailleurs, le satellite est mobile et la divergence des faisceaux optiques employés est faible. A tout instant, il est donc essentiel de diriger les faisceaux laser de liaison optique dans la direction exacte occupée par le satellite. Or, un des problèmes posés par ce type de transmission est la traversée de l’atmosphère terrestre. Les perturbations météorologiques entraînent des fluctuations de l’indice de l’air. Lorsqu’un faisceau laser traverse ces fluctuations, sa direction de propagation et sa divergence sont perturbées. Ainsi, la zone éclairée au niveau du récepteur satellitaire peut se déplacer de façon aléatoire, importante et rapide. Ainsi, le récepteur peut se trouver épisodiquement en marge voire à l’extérieur de cette zone éclairée dégradant les performances de la transmission optique et, en particulier, le bilan de liaison optique. Cet effet est connu sous le nom de « beam wandering ». II est illustré sur la figure 1 où une station sol 1 éclaire un satellite de télécommunication 2 au moyen d’un faisceau optique 3. Ce satellite 2 émet des données vers les utilisateurs 4. En fonction des turbulences 5, ce faisceau optique peut occuper les positions 3a, 3b, 3c ou 3d. Dans certaines configurations, le satellite n’est plus ou mal éclairé, l’information est perdue.

Pour résoudre ce problème, plusieurs solutions ont été proposées. Afin de réduire la déflection du faisceau optique, il est possible d’appliquer une correction au sol au moyen d’une optique adaptative sur le faisceau émis depuis la station. Cette correction applique des perturbations inverses de celles que va subir le faisceau laser à travers l’atmosphère. Il est alors nécessaire de connaître les perturbations qui vont être induites par la propagation à travers l’atmosphère.

La connaissance de ces perturbations est généralement obtenue par la mesure sur le faisceau descendant du satellite qui, après traitement des données de mesure, permet de déduire la correction à appliquer sur le faisceau montant. Cette correction est pertinente si l’on considère que le canal est stationnaire pendant le temps cumulé représenté par la somme de la durée du trajet du faisceau optique descendant, du temps de calcul de la correction à appliquer et de la durée du trajet du faisceau optique montant. Cette condition est généralement vérifiée, compte-tenu des temps de propagation des faisceaux optiques à travers l’atmosphère, de la rapidité de traitement des données mesurées et d’application des corrections et enfin des constantes de temps relativement longues associées aux phénomènes turbulents. Une telle mesure de la perturbation induite par l’atmosphère sur le front d’onde d’un faisceau descendant est utilisée depuis de nombreuses années pour l’astronomie afin de corriger le front d’onde par optique adaptative et ainsi améliorer la qualité des images. De la même manière, cette mesure de front d’onde peut être appliquée pour pré-compenser le faisceau montant.

Cependant cette méthode de pré-compensation du faisceau montant par mesure des perturbations sur le faisceau descendant peut poser des difficultés voire s’avérer inefficace dans certains cas.

En effet, lorsque l’on souhaite utiliser des transmissions optiques dans des liaisons entre le sol et un satellite en orbite autour de la Terre, il est nécessaire d’utiliser des optiques de diamètre suffisamment grand pour atteindre des gains suffisants permettant d’obtenir un bilan de liaison correct avec des puissances d’émission raisonnables. Les faisceaux optiques émis depuis ces optiques ont, par conséquent, une faible divergence, typiquement de l’ordre de quelques microradians. Compte-tenu du temps de propagation de la lumière sur les distances considérées entre l’émetteur et le récepteur qui sont comprises entre plusieurs centaines et plusieurs milliers de kilomètres, la zone éclairée par le faisceau laser est moins étendue que la distance parcourue par le satellite pendant la durée de propagation du faisceau. Il est alors nécessaire de mettre en œuvre un système de pointage notamment dans le terminal au sol afin de permettre que la lumière émise à un instant donné depuis la station sol rencontre le satellite au bout du temps de propagation et donc ne manque pas sa cible. Ainsi, l’angle de pointage en avant est de l’ordre de 18 prad dans le cas d’un satellite géostationnaire et de typiquement 50 prad pour un satellite en orbite basse ou « LEO », acronyme de « Low Earth Orbit ».

Par conséquent, le faisceau descendant sur lequel est effectuée la mesure des perturbations induites par l’atmosphère et le faisceau montant émis depuis la station sol ne suivent pas exactement le même chemin optique. Dans des cas de fortes turbulences atmosphériques, cet écart angulaire est suffisant pour décorréler les perturbations rencontrées par le faisceau descendant et le faisceau montant et rendre donc le système de pré-compensation inopérant. La décorrélation entre les faisceaux descendant et montant est lié à l’angle isoplanétique, qui correspond à la plage angulaire dans laquelle on observe un certain degré de corrélation. Cet angle isoplanétique est notamment dépendant de la force de la turbulence, de l’angle d’élévation, de l’altitude de la station d’observation. Cette méthode est donc limitée à des cas de turbulence modéré pour lesquels les liens montant et descendant sont corrélés, c’est à dire que l’angle les séparant est inférieur à l’angle isoplanétique.

Une seconde façon de réduire les effets du « beam wandering » est d’utiliser au sol des ouvertures de petit diamètre. La divergence du faisceau émis est alors plus importante et la liaison est donc moins sensible au ballotement du faisceau. L’inconvénient est un budget de liaison dégradé en raison du gain réduit associé aux petites ouvertures. Ce gain peut être compensé par des puissances d’émission plus élevées, ce qui peut se révéler problématique dans des applications très haut débit.

Une dernière solution pour réduire les effets du « beam wandering » consiste à utiliser un émetteur à plusieurs ouvertures. Les ouvertures émettent des faisceaux optiques mutuellement incohérents. Ainsi, si la distance entre les ouvertures est suffisamment grande, par rapport à la longueur de cohérence atmosphérique, alors les faisceaux suivent des chemins optiques différents et sont perturbés de façon indépendante de sorte qu’au niveau du récepteur la puissance instantanée totale reçue résulte de la sommation des puissances provenant de chaque ouverture dont les fluctuations sont aléatoires et décorrélées. La puissance résultante est alors moyennée sur le nombre de faisceaux et l’atténuation de ses fluctuations est liée au nombre d’ouvertures utilisées. Cette dernière solution est illustrée en figure 2. La station au sol 1 comporte quatre ouvertures 10a, 10b, 10c et 10d émettant respectivement les faisceaux 3a, 3b, 3c et 3d vers le satellite 2. Cette solution technique est complexe à mettre en œuvre. En effet, le nombre d’ouvertures doit être suffisant. La dimension des ouvertures doit être réduite afin que le ballottement du faisceau n’impacte pas de façon importante le gain vu par le satellite de chacune des ouvertures. Par ailleurs, la parfaite synchronisation entre les multiples ouvertures doit être assurée, ce qui peut devenir critique à haut débit et ce, d’autant plus que le nombre d’ouvertures est important. Enfin, cette approche nécessite d’utiliser des longueurs d’onde différentes d’une ouverture à l’autre afin d’éviter tout phénomène d’interférence au niveau du récepteur.

Pour mesurer les perturbations atmosphériques qui nuisent à la qualité des images reçues par les télescopes, les astronomes peuvent être amenés à utiliser des étoiles artificielles. Il existe différents moyens de produire une étoile artificielle. Celle-ci peut être produite par l’émission d’un faisceau laser depuis le sol qui permet d’exciter les atomes de sodium présents dans la mésosphère, couche atmosphérique comprise entre 90 et 110 km d’altitude. Ces atomes génèrent une fluorescence très intense, similaire à une étoile. D’autres moyens permettant de générer une source lumineuse précisément dans la direction de pointage sont tout aussi appropriés.

Le système de communication selon l’invention met en œuvre une telle étoile artificielle. La lumière émise par une étoile artificielle générée dans la direction du lien montant est utilisée pour mesurer les perturbations atmosphériques, précisément dans la direction d’intérêt. Plus précisément, l’invention a pour objet un système de communication optique à travers l’atmosphère entre une station et un objet mobile, l’atmosphère comportant des turbulences, ladite station comprenant un dispositif optique d’émission d’un signal optique, un système d’acquisition d’une première direction angulaire dudit objet mobile à l’instant présent et un calculateur d’une seconde direction angulaire dudit objet mobile à un instant du futur, ledit instant du futur correspondant au moment où le signal optique est reçu par l’objet mobile, caractérisé en ce que la station comporte un générateur optique d’étoile artificielle, un système de pointage de ladite étoile artificielle dans la seconde direction angulaire, un dispositif d’analyse d’un premier front d’onde émis par ladite étoile artificielle, un processeur électronique agencé pour calculer une déformation d’un second front d’onde de compensation à partir de la connaissance du premier front d’onde et une optique adaptative appliquant ladite déformation audit signal optique d’émission, ladite déformation étant telle qu’elle compense en totalité ou en partie les perturbations du signal optique d’émission induites par les turbulences atmosphériques.

Avantageusement, le dispositif optique d’émission et le générateur d’étoile artificielle comporte une optique d’émission commune unique.

Avantageusement, le dispositif optique d’émission artificielle comporte une première optique d’émission et le générateur d’étoile comporte une seconde optique d’émission séparée de la première optique d’émission, les axes optiques d’émission étant parallèles.

Avantageusement, le dispositif optique d’émission artificielle comporte une pluralité de premières optiques d’émission et le générateur d’étoile comporte une seconde optique d’émission séparée des premières optiques d’émission, les axes optiques d’émission des différentes optiques d’émission étant tous parallèles.

Avantageusement, le système d’acquisition de la première direction angulaire a un axe optique différent des axes optiques des optiques d’émission.

Avantageusement, la station est une station terrestre ou une plateforme atmosphérique et l’objet mobile est un satellite.

L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :

La figure 1 représente un premier système de communications optiques selon l’art antérieur ;

La figure 2 représente un second système de communication optique selon l’art antérieur ;

La figure 3 représente le synoptique d’un système de communications optiques selon l’invention ;

La figure 4 représente un système de communications optiques selon l’invention ;

La figure 5 représente une première variante d’un système de communications optiques selon l’invention ;

La figure 6 représente une seconde variante d’un système de communications optiques selon l’invention ;

La figure 7 représente une troisième variante d’un système de communications optiques selon l’invention.

A titre d’exemple non limitatif, la figure 3 représente le synoptique d’un système de communications optiques selon l’invention entre une station au sol et un satellite. Les signaux entre cette station au sol et le satellite sont susceptibles de traverser des turbulences atmosphériques symbolisées par des formes en pointillés sur la figure 3. Ce système peut également fonctionner entre une plateforme atmosphérique et un satellite.

Ce système comporte essentiellement une première voie optique d’acquisition du signal issu du satellite à l’instant courant, une seconde voie d’émission d’une étoile artificielle, une troisième voie d’acquisition du signal issu de ladite étoile artificielle et une quatrième voie d’émission du signal optique vers le satellite. Sur la figure 3, ces quatre voies ont une optique commune. Il est également possible de réaliser le système avec des optiques séparées comme on le verra dans la suite de la description.

La première voie est représentée par une flèche en traits gras sur la figure 3. Cette voie est une voie de réception. Elle comporte l’optique commune d’émission/réception 10, un premier séparateur optique semiréfléchissant 11, un second séparateur optique semi-réfléchissant 12 et un dispositif d’acquisition et de poursuite 13, connu aussi sous la terminologie «ATS», signifiant «Acquisition and Tracking Sensor», basé sur une matrice de détecteurs photosensibles.

La première fonction de ce dispositif 13 est de déterminer, à partir de la connaissance de la position du satellite et de ses paramètres orbitaux à l’instant courant, la position occupée par le satellite à un instant du futur. Cette instant du futur est la somme, à partir de l’instant courant, des temps de propagation des faisceaux optiques d’émission/réception de la station terrestre jusqu’au satellite et des temps de calcul des différents dispositifs électroniques du système de communications optiques, ces différentes durées étant connues.

La position future du satellite étant calculée, la seconde fonction de ce dispositif 13 est d’agir sur un miroir de pilotage 20 qui commande la direction d’émission de l’étoile artificielle. Ce miroir est connu sous l’appellation « fine steering mirror ». L’étoile artificielle est donc émise dans la direction exacte qu’occupera le satellite à l’instant précis du futur où le satellite recevra le signal émis par le système de communications.

La seconde voie est représentée par deux traits fins parallèles sur la figure 3. Les triples traits perpendiculaires aux traits parallèles représentent la phase de l’onde émise. Cette voie est une voie d’émission. Elle comporte essentiellement un générateur 19 d’étoile artificielle S. La génération de cette étoile est assurée essentiellement par un laser dont les caractéristiques spectrales et la puissance d’émission sont déterminées en fonction des paramètres optiques de la liaison de télécommunications. Comme on le voit sur la figure 3, à la sortie du générateur d’étoile artificielle, l’onde est plane. Elle est dirigée vers l’optique d’émission/réception par réflexion sur la lame semi-réfléchissante 18 et le miroir de pilotage 20. L’étoile artificielle est donc émise dans la direction occupée par le satellite à l’instant déterminé du futur. Cette étoile traverse donc des turbulences atmosphériques identiques à celles rencontrées par le signal émis vers le satellite. II est à noter que le signal issu de l’étoile artificielle a été perturbé deux fois, une fois à l’aller et une fois au retour.

La troisième voie est représentée par deux traits fins parallèles pointillés sur la figure 3. Elle comporte, à partir de l’optique d’émission/réception commune 10, la lame semi-réfléchissante 11 et un analyseur de front d’onde 14, connu sous l’appellation « WFS », signifiant « Wavelength Front Sensor ». Le rôle de cet analyseur est de déterminer la perturbation rencontrée par le signal émis par l’étoile artificielle. Cette perturbation étant connue, un processeur 15 calcule la déformation à applique à une optique adaptative 16 pour produire la déformée inverse. Le processeur prend en compte le fait que le signal issu de l’étoile artificielle a été perturbé deux fois. Dans le cas de la figure 3, cette optique adaptative 16 est un miroir déformable.

La quatrième voie est également représentée par deux traits fins parallèles pointillés sur la figure 3. C’est la voie d’émission du signal optique. Elle comporte une source optique modulée 17 dont la modulation est représentative du signal d’émission, l’optique adaptative 16, le miroir de pilotage 20, la lame semi-réfléchissante 11 utilisée en transmission et enfin, l’optique d’émission/réception 10. Le faisceau est donc émis dans la direction occupée par le satellite à l’instant du futur. Sa phase optique est modulée de sorte qu’après traversée des perturbations atmosphériques, le faisceau est plus ou moins la forme d’une onde plane de façon à limiter sa divergence.

Le synoptique de la figure 3 peut comporter de nombreuses variantes d’implantation optique ou mécanique selon les contraintes de la liaison optique entre la base et le satellite. On peut ainsi inverser le sens d’utilisation des lames semi-réfléchissantes ou ajouter des miroirs ou des ensembles optiques pour changer, par exemple, le diamètre des faisceaux émis ou leur divergence.

La figure 4 représente le fonctionnement global du système de communication optique selon l’invention entre une base terrestre et un satellite. A un instant initial T0, le système enregistre le signal issu du satellite, calcule sa position future à l’instant où le signal d’émission issu de la base terrestre sera émis, émet une étoile artificielle dans cette direction calculée, reçoit le signal de cette étoile artificielle qui a traversé des turbulences atmosphériques, calcule la déformée à appliquer au signal d’émission.

Les figures 3 et 4 représentent des systèmes comportant une seule optique d’émission/réception. Il est possible de séparer totalement l’ensemble d’émission/réception de l’étoile artificielle de l’ensemble d’émission/réception du signal de communication. La figure 5 représente schématiquement ce type de système comportant deux voies d’émission/réception distinctes 21 et 22 dont les axes d’émission/réception sont parallèles.

Comme représenté en figure 6, il est également possible d’utiliser un système de communication comportant plusieurs ouvertures distinctes 21 émettant chacune un signal optique. Les ouvertures sont notées 21a à 21 d sur la figure 6. On sait que l’avantage d’un tel système est qu’il est possible d’accroître sensiblement la puissance émise en utilisant des faisceaux mutuellement incohérents sans augmenter les contraintes liées à la 5 génération de faisceaux à haute énergie et à la tenue des composants optiques à ces mêmes faisceaux. Un autre avantage est qu’il est possible de répartir le spectre optique à transmettre sur les différentes ouvertures.

Dans une variante de réalisation représentée en figure 7, le système comporte une ouverture 21 bis destinée à la réception du signal 10 d’émission satellitaire pointant dans une direction différente des ouvertures d’émission/réception.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS

   1. Système de communication optique à travers l’atmosphère entre une station (1) et un objet mobile (2), l’atmosphère comportant des turbulences, ladite station comprenant un dispositif optique d’émission (17) d’un signal optique, un système d’acquisition (13) d’une première direction angulaire dudit objet mobile à l’instant présent et un calculateur d’une seconde direction angulaire dudit objet mobile à un instant du futur, ledit instant du futur correspondant au moment où le signal optique est reçu par l’objet mobile, caractérisé en ce que la station comporte un générateur optique (19) d’étoile artificielle (S), un système de pointage (20) de ladite étoile artificielle dans la seconde direction angulaire, un dispositif d’analyse (14) d’un premier front d’onde émis par ladite étoile artificielle, un processeur électronique (15) agencé pour calculer une déformation d’un second front d’onde de compensation à partir de la connaissance du premier front d’onde et une optique adaptative (16) appliquant ladite déformation audit signal optique d’émission, ladite déformation étant telle qu’elle compense en totalité ou en partie les perturbations du signal optique d’émission induites par les turbulences atmosphériques.
2. 2. Système de communication optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif optique d’émission et le générateur d’étoile artificielle comporte une optique d’émission (10) commune unique.
3. 3. Système de communication optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif optique d’émission artificielle comporte une première optique d’émission (21) et le générateur d’étoile comporte une seconde optique d’émission (22) séparée de la première optique d’émission, les axes optiques d’émission étant parallèles.
4. 4. Système de communication optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif optique d’émission artificielle comporte une pluralité de premières optiques d’émission (21a, 21b, 21c, 21 d) et le générateur d’étoile comporte une seconde optique d’émission (22) séparée des premières optiques d’émission, les axes optiques d’émission des différentes optiques d’émission étant tous parallèles.
5. 5 5. Système de communication optique selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le système d’acquisition de la première direction angulaire a un axe optique différent des axes optiques des optiques d’émission.

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6. 6. Système de communication optique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la station est une station terrestre et l’objet mobile un satellite.
7. 7. Système de communication optique selon l’une des 15 revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la station est une plateforme atmosphérique et l’objet mobile un satellite.