Effects of atmospheric turbulence on ground-satellite optical communications and countermeasures
Atmosfer türbülansinin yer-uydu optik haberleşmesine etkileri ve karşi önlemler
- Tez No: 711991
- Danışmanlar: PROF. DR. BARRY G. EVANS
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1999
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Surrey
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Haberleşme Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 222
Özet
Yer-uydu optik haberleşme sistemlerinin teorik avantajlarını kullanabilmek için atmosfer türbülansının dayattığı sınırlamaları aşacak yolların bulunması gerekir. Atmosfer türbülansı bu sistemlerin analiz ve tasarımında baskındır. Bu tezde atmosfer türbülansının yer-uydu optik haberleşme sistemlerinin performansına etkileri ve karşı önlemler incelenmektedir. Atmosferde işleyecek herhangi bir optik sistemin analiz ve tasarımı, sistemin kurulacağı yerdeki atmosfer türbülansı şartlarının deneysel incelemesini gerektirir. Yıldız gözlemleri bu bakımdan yer-uydu optik haberleşmesi için kullanışlı ve elverişli yöntemler sağlıyor. Bu amaçla kullanılan ölçüm teknikleri gözden geçirilmekte, kurulan belirli bir deneysel düzenek tasvir edilmekte ve ilk sonuçlar sunulmaktadır. Dünyada ilk kez yürütülen, Japon ETS-VI uydusu ile Tokyo'daki yer istasyonu arasındaki optik haberleşme deneylerine katıldık. Henüz tatminkâr bir şekilde çözülememiş meselelerden biri, ışık şiddeti dalgalanmalarının olasılık yoğunluk fonksiyonudur (PDF). PDF'nin çok kuvvetli türbülans bölgesinde negatif üstel fonksiyona yakınsadığı teorik olarak gösterilmişti. Bu öngörüyü destekleyecek deneysel kanıt sunulmaktadır. ETS-VI deney sonuçları, aşırı büyük hüzme genişliklerinin sistem performasına olumsuz etkilerini de doğrulamaktadır. Daha önceki analizler, hüzme genişliği arttıkça hüzmenin orta noktasındaki parıldama varyansında ciddi düşüşler öngörmüştü. Hüzme genişliği arttıkça, merkezden uzaktaki noktalarda parıldama varyansının gradyanı artar ve sonunda zayıf türbülans teorisinin sınırları aşılır. Bu tezde hüzme genişliği üzerinde açık bir sınır belirlenmektedir : Hüzme çapı bağdaşıklık ölçeğinin üçte birini geçmemelidir. Eski analizler hüzmeyi uygun miktarda odaklamanın paralel hüzmeye göre daha az parıldamaya yol açacağını da öngörmektedir. ETS-VI deneylerindeki girişimlerimizde bu öngörüyü doğrulayamadık. Birinci-mertebe (zayıf türbülans) teorisine yapılan ilaveler, odaklanan (yakınsayan) hüzmelerin paralel hüzmelere çok benzer davrandığını gösteriyor. Bu da hüzme genişliğini ayarlanabilir en önemli parametre yapmaktadır. Atmosfer türbülansının etkilerine karşı alınabilecek önlemler aşağı ve yukarı yönlü bağlantılar için ayrı ayrı belirlenmekte ve incelenmektedir. Yukarı yönlü vericinin hüzme büyüklüğünün hayati bir tasarım parametresi olduğu ve optimal değerinin yayılım yolundaki türbülans şartlarının değişimine bağlı olarak sürekli değiştiği vurgulanmaktadır. Daha önceki bir çalışma, optimal hüzme genişliğinin bağdaşıklık ölçeği civarında olduğu sonucuna varmıştı. Optimal genişliğin hüzme gezinmesine ve doğrultma hatasına hassas bir şekilde bağlı olduğu ve aslında çok daha düşük olabileceği gösterilmektedir. Uydu alıcısındaki ortalama ışık şiddetini azamiye çıkarmak ve dalgalanmaları asgariye indirmek için, yukarı yönlü vericinin hüzme genişliğinin ölçülen türbülans parametrelerine tepki olarak gerçek zamanlı ayarlanmasını içeren yeni bir karşı önlem önerilmektedir.
Özet (Çeviri)
The theoretical advantages of ground-satellite optical communication systems can only be exploited, if means can be found to circumvent the limitations due to atmospheric effects. Atmospheric turbulence dominates the analysis and design of these links. The effects of atmospheric turbulence on the performance of ground-satellite optical communication systems and possible countermeasures are investigated in this thesis. The design and analysis of any optical system operating in the atmosphere requires empirical investigations of atmospheric turbulence conditions at the system's location. Stellar observations provide a useful and convenient means for this purpose in the case of ground-satellite optical communications. The available techniques are reviewed. The experimental setup for a particular technique is described and initial results are presented. We were involved in the first ever ground-satellite optical communication experiments conducted between Japanese Engineering Test Satellite VI and a ground station in Tokyo. One issue which has not yet been satisfactorily resolved is the probability density function (PDF) of intensity fluctuations. It was theoretically shown that the PDF approaches a negative exponential in the very strong turbulence region. Experimental evidence is presented in support of this prediction. The ETS-VI experiment results also confirm that too large a beam size can have significantly deleterious effects on fading performance. Early analyses predicted drastic reductions in uplink on-axis scintillation variance with increasing beam size. As the beam size is increased, the scintillation variance gradient off the beam centre becomes large, and eventually the limitation of the first-order theory is exceeded. An explicit limit on the beam size is identified in this thesis: the beam radius must not exceed a third of the coherence scale. Analyses also predict that appropriately converging the beam results in less scintillation compared to a collimated beam. During the ETS-VI experiment we were not able confirm this prediction. Supplements to the first-order theory also suggest that converging beams behave very similarly to collimated beams. This makes the uplink beam size the single most important adjustable parameter. Possible countermeasures to the atmospheric turbulence effects are identified and reviewed separately for the downlink and the uplink. It is emphasized that uplink transmitter beam size is a crucial design parameter and its optimum value changes continuously according to changing turbulence conditions along the propagation path. A previous study concluded that the optimum beam size is of the order of the coherence scale. It is shown that the optimum size is critically dependent on beam wander and pointing accuracy, and can in fact be much smaller. A novel countermeasure is proposed in which the uplink transmitter beam size is controlled in real time in response to measured turbulence parameters to maximize mean intensity and minimize fluctuations at the satellite receiver.
Benzer Tezler
- Physical layer security performance of satellite networks
Uydu ağlarının fiziksel katman güvenlık başarımı
OLFA BEN YAHIA
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
Assoc. Prof. Dr. EYLEM ERDOĞAN
- Lazerli uydu haberleşme sistemlerinde link bütçesini etkileyen parametrelerin analizi ve modellenmesi
Analysis and modelling of parameters affecting link budget in laser satellite communication systems
HAMIDULLAH RIAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUludağ ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ YILMAZ
- Troposfer katmanındaki rayleigh ve Mie saçılmaları kaynaklı zayıflamanın lazerli uydu haberleşme sistemlerinin performansına etkilerinin analizi
Analysis of effects of rayleigh and Mie scatterings based attenuation occuring in troposphere layer in the performance of satellite laser communication systems
PELİN DEMİR
Doktora
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ YILMAZ
- Quantification of Saharan dust influences on Eastern Mediterranean air quality via atmospheric modeling
Sahra tozunun Doğu Akdeniz hava kalitesi üzerindeki etkilerinin atmosfer modeliyle belirlenmesi
BURCU KABATAŞ
Doktora
İngilizce
2016
Meteorolojiİstanbul Teknik Üniversitesiİklim ve Deniz Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER ÜNAL
- Laserle yer-uydu arası iki yönlü optiksel iletişim için proje tasarımı
Project design for ground to satellite two-way link using laser
AHMET AKBULUT
Doktora
Türkçe
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. HAKKI FARUK ÖZEK