Brevet FR3075521A1 — publié le 20190621

Systeme de communication comprenant un dispositif de compensation a etoile artificielle Le domaine general de ('invention est celui des transmissions optiques dans ('atmosphere terrestre. Un des domaines d'application est celui des systernes de telecommunication optique entre une station terrestre et un satellite en orbite. La distance separant une station terrestre et un satellite de telecommunications est necessairement importante. Elle varie de quelques centaines de kilometres a plusieurs milliers de kilometres. Par ailleurs, le satellite est mobile et la divergence des faisceaux optiques employes est faible. A tout instant, it est donc essentiel de diriger les faisceaux laser de liaison optique dans la direction exacte occupee par le satellite. Or, un des problemes poses par ce type de transmission est la traversee de ('atmosphere terrestre. Les perturbations meteorologiques entrainent des fluctuations de I'indice de ('air. Lorsqu'un faisceau laser traverse ces fluctuations, sa direction de propagation et sa divergence sont perturbees. Ainsi, la zone eclairee au niveau du recepteur satellitaire peut se deplacer de facon aleatoire, importante et rapide. Ainsi, le recepteur peut se trouver episodiquement en marge voire a l'exterieur de cette zone eclairee degradant 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 illustre sur la figure 1 ou une station sol 1 &claire un satellite de telecommunication 2 au moyen d'un faisceau optique 3. Ce satellite 2 emet des donnees 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 &claire, ('information est perdue. Pour resoudre ce probleme, plusieurs solutions ont ete proposees. Afin de reduire la deflection du faisceau optique, it est possible d'appliquer 35 une correction au sol au moyen d'une optique adaptative sur le faisceau emis depuis la station. Cette correction applique des perturbations inverses de 2 celles que va subir le faisceau laser a travers ('atmosphere. II est alors necessaire de connaitre les perturbations qui vont etre induites par Ia propagation a travers ('atmosphere. La connaissance de ces perturbations est generalement obtenue 5 par Ia mesure sur le faisceau descendant du satellite qui, apres traitement des donnees de mesure, permet de deduire Ia correction a appliquer sur le faisceau montant. Cette correction est pertinente si l'on considere que le canal est stationnaire pendant le temps cumule represents par Ia somme de Ia duree du trajet du faisceau optique descendant, du temps de calcul de la 10 correction a appliquer et de Ia duree du trajet du faisceau optique montant. Cette condition est generalement verifiee, compte-tenu des temps de propagation des faisceaux optiques a travers ('atmosphere, de Ia rapidite de traitement des donnees mesurees et d'application des corrections et enfin des constantes de temps relativement longues associees aux phenomenes 15 turbulents. Une telle mesure de la perturbation induite par ('atmosphere sur le front d'onde d'un faisceau descendant est utilisee depuis de nombreuses annees pour I'astronomie afin de corriger le front d'onde par optique adaptative et ainsi ameliorer la qualite des images. De la meme maniere, cette mesure de front d'onde peut etre appliquee pour pre-compenser le 20 faisceau montant. Cependant cette methode de pre-compensation du faisceau montant par mesure des perturbations sur le faisceau descendant peut poser des difficultes voire s'averer inefficace dans certains cas. En effet, lorsque I'on souhaite utiliser des transmissions optiques 25 dans des liaisons entre le sol et un satellite en orbite autour de la Terre, it est necessaire d'utiliser des optiques de diametre suffisamment grand pour atteindre des gains suffisants permettant d'obtenir un bilan de liaison correct avec des puissances d'emission raisonnables. Les faisceaux optiques emis depuis ces optiques ont, par consequent, une faible divergence, typiquement 30 de I'ordre de quelques microradians. Compte-tenu du temps de propagation de Ia lumiere sur les distances considerees entre l'emetteur et le recepteur qui sont comprises entre plusieurs centaines et plusieurs milliers de kilometres, Ia zone eclair& par le faisceau laser est moins etendue que la distance parcourue par le satellite pendant Ia duree de propagation du faisceau. II est alors necessaire de mettre en oeuvre un systerne de pointage 3 notamment dans le terminal au sol afin de permettre que la lumiere emise un instant donne 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 I'ordre de 18 prad dans le cas d'un satellite geostationnaire et 5 de typiquement 50 prad pour un satellite en orbite basse ou « LEO », acronyme de « Low Earth Orbit ». Par consequent, le faisceau descendant sur lequel est effectuee la mesure des perturbations induites par ('atmosphere et le faisceau montant emis depuis la station sol ne suivent pas exactement le merne chemin 10 optique. Dans des cas de fortes turbulences atmospheriques, cet ecart angulaire est suffisant pour decorreler les perturbations rencontrees par le faisceau descendant et le faisceau montant et rendre donc le systerne de pre-compensation inoperant. La decorrelation entre les faisceaux descendant et montant est lie a l'angle isoplanetique, qui correspond a la plage angulaire 15 dans laquelle on observe un certain degre de correlation. Cet angle isoplanetique est notamment dependant de la force de la turbulence, de ['angle d'elevation, de ('altitude de la station d'observation. Cette methode est donc limitee a des cas de turbulence modere pour lesquels les liens montant et descendant sont correles, c'est a dire que l'angle les separant est inferieur 20 a l'angle isoplanetique. Une seconde fawn de reduire les effets du « beam wandering » est d'utiliser au sol des ouvertures de petit diametre. La divergence du faisceau emis est alors plus importante et la liaison est donc moins sensible au ballotement du faisceau. L'inconvenient est un budget de liaison degrade 25 en raison du gain reduit associe aux petites ouvertures. Ce gain peut etre compense par des puissances d'emission plus elevees, ce qui peut se reveler problematique dans des applications tres haut debit. Une derniere solution pour reduire les effets du « beam wandering » consiste a utiliser un emetteur a plusieurs ouvertures. Les 30 ouvertures emettent des faisceaux optiques mutuellement incoherents. Ainsi, si la distance entre les ouvertures est suffisamment grande, par rapport a la longueur de coherence atmospherique, alors les faisceaux suivent des chemins optiques differents et sont perturbes de fawn independante de sorte qu'au niveau du recepteur la puissance instantanee totale revue resulte 35 de la sommation des puissances provenant de chaque ouverture dont les 4 fluctuations sont aleatoires et decorrelees. La puissance resultante est alors moyennee sur le nombre de faisceaux et rattenuation de ses fluctuations est lice au nombre d'ouvertures utilisees. Cette derniere solution est illustree en figure 2. La station au sol 1 comporte quatre ouvertures 10a, 10b, 10c et 10d 5 emettant respectivement les faisceaux 3a, 3b, 3c et 3d vers le satellite 2. Cette solution technique est complexe a mettre en ceuvre. En effet, le nombre d'ouvertures dolt etre suffisant. La dimension des ouvertures doit etre reduite afin que le ballottement du faisceau n'impacte pas de fawn importante le gain vu par le satellite de chacune des ouvertures. Par ailleurs, 10 la parfaite synchronisation entre les multiples ouvertures doit etre assuree, ce qui peut devenir critique a haut debit et ce, d'autant plus que le nombre d'ouvertures est important. Enfin, cette approche necessite d'utiliser des longueurs d'onde differentes d'une ouverture a l'autre afin d'eviter tout phenomene d'interference au niveau du recepteur. 15 Pour mesurer les perturbations atmospheriques qui nuisent a la qualite des images revues par les telescopes, les astronomes peuvent etre amenes a utiliser des etoiles artificielles. II existe differents moyens de produire une etoile artificielle. Celle-ci peut etre produite par remission d'un 20 faisceau laser depuis le sol qui permet d'exciter les atomes de sodium presents dans la mesosphere, couche atmospherique comprise entre 90 et 110 km d'altitude. Ces atomes generent une fluorescence tres intense, similaire a une etoile. D'autres moyens permettant de generer une source lumineuse precisement dans la direction de pointage sont tout aussi 25 appropries. Le systeme de communication selon ('invention met en ceuvre une telle etoile artificielle. La lumiere emise par une etoile artificielle generee dans la direction du lien montant est utilisee pour mesurer les perturbations atmospheriques, precisement dans la direction d'interet. Plus precisement, 30 ('invention a pour objet un systerne de communication optique a travers ('atmosphere entre une station et un objet mobile, ratmosphere comportant des turbulences, ladite station comprenant un dispositif optique d'emission d'un signal optique, un systerne d'acquisition d'une premiere direction angulaire dudit objet mobile a ['instant present et un calculateur d'une 35 seconde direction angulaire dudit objet mobile a un instant du futur, ledit 5 instant du futur correspondant au moment ou le signal optique est rep par l'objet mobile, caracterise en ce que Ia station comporte un generateur optique d'etoile artificielle, un systerne de pointage de ladite etoile artificielle dans Ia seconde direction angulaire, un dispositif d'analyse d'un premier front 5 d'onde emis par ladite etoile artificielle, un processeur electronique agence pour calculer une deformation d'un second front d'onde de compensation a partir de la connaissance du premier front d'onde et une optique adaptative appliquant ladite deformation audit signal optique d'emission, ladite deformation etant telle qu'elle compense en totalite ou en pate les 10 perturbations du signal optique d'emission induites par les turbulences atmospheriques. Avantageusement, le dispositif optique d'emission et le generateur d'etoile artificielle comporte une optique d'emission commune unique. Avantageusement, le dispositif optique d'emission artificielle 15 comporte une premiere optique d'emission et le generateur d'etoile comporte une seconde optique d'emission separee de la premiere optique d'emission, les axes optiques d'emission etant paralleles. Avantageusement, le dispositif optique d'emission artificielle comporte une pluralite de premieres optiques d'emission et le generateur 20 d'etoile comporte une seconde optique d'emission separee des premieres optiques d'emission, les axes optiques d'emission des differentes optiques d'emission etant tous paralleles. Avantageusement, le systerne d'acquisition de Ia premiere direction angulaire a un axe optique different des axes optiques des optiques 25 d'emission. Avantageusement, la station est une station terrestre ou une plateforme atmospherique et l'objet mobile est un satellite. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 30 apparetront a la lecture de la description qui va suivre donnee a titre non limitatif et grace aux figures annexees parmi lesquelles : La figure 1 represente un premier systerne de communications optiques selon l'art anterieur ; La figure 2 represente un second systeme de communication 35 optique selon l'art anterieur ; 6 La figure 3 represente le synoptique d'un systeme de communications optiques selon l'invention ; La figure 4 represente un systeme de communications optiques selon l'invention ; 5 La figure 5 represente une premiere variante d'un systeme de communications optiques selon l'invention ; La figure 6 represente une seconde variante d'un systeme de communications optiques selon l'invention ; La figure 7 represente une troisierne variante d'un systeme de 10 communications optiques selon l'invention. A titre d'exemple non limitatif, Ia figure 3 represente le synoptique d'un systeme 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 15 susceptibles de traverser des turbulences atmospheriques symbolisees par des formes en pointilles sur Ia figure 3. Ce systeme peut egalement fonctionner entre une plateforme atmospherique et un satellite. Ce systeme comporte essentiellement une premiere voie optique d'acquisition du signal issu du satellite a ('instant courant, une seconde voie 20 d'emission d'une etoile artificielle, une troisieme voie d'acquisition du signal issu de ladite etoile artificielle et une quatrierne voie d'emission du signal optique vers le satellite. Sur la figure 3, ces quatre voies ont une optique commune. II est egalement possible de realiser le systeme avec des optiques separees comme on le verra dans la suite de la description. 25 La premiere voie est representee par une fleche en traits gras sur la figure 3. Cette voie est une voie de reception. Elle comporte l'optique commune d'emission/reception 10, un premier separateur optique semireflechissant 11, un second separateur optique semi-reflechissant 12 et un dispositif d'acquisition et de poursuite 13, connu aussi sous la terminologie 30 « ATS », signifiant « Acquisition and Tracking Sensor », base sur une matrice de detecteurs photosensibles. La premiere fonction de ce dispositif 13 est de determiner, a partir de la connaissance de la position du satellite et de ses parametres orbitaux a ['instant courant, Ia position occupee par le satellite a un instant du futur. 35 Cette instant du futur est Ia somme, a partir de ('instant courant, des temps 7 de propagation des faisceaux optiques d'emission/reception de la station terrestre jusqu'au satellite et des temps de calcul des differents dispositifs electroniques du systerne de communications optiques, ces differentes durees etant connues. 5 La position future du satellite etant calculee, la seconde fonction de ce dispositif 13 est d'agir sur un miroir de pilotage 20 qui commande la direction d'emission de l'etoile artificielle. Ce miroir est connu sous ('appellation « fine steering mirror ». L'etoile artificielle est donc emise dans la direction exacte qu'occupera le satellite a ('instant précis du futur ou le 10 satellite recevra le signal emis par le systerne de communications. La seconde voie est representee par deux traits fins paralleles sur la figure 3. Les triples traits perpendiculaires aux traits paralleles representent la phase de I'onde ernise. Cette voie est une voie d'emission. Elle comporte essentiellement un generateur 19 d'etoile artificielle S. La 15 generation de cette etoile est assuree essentiellement par un laser dont les caracteristiques spectrales et la puissance d'emission sont determinees en fonction des parametres optiques de la liaison de telecommunications. Comme on le voit sur la figure 3, a la sortie du generateur d'etoile artificielle, I'onde est plane. Elle est dirigee vers l'optique d'emission/reception par 20 reflexion sur la lame semi-reflechissante 18 et le miroir de pilotage 20. L'etoile artificielle est donc ernise dans la direction occupee par le satellite a !Instant determine du futur. Cette etoile traverse donc des turbulences atmospheriques identiques a celles rencontrees par le signal emis vers le satellite. II est a noter que le signal issu de l'etoile artificielle a ete perturbe 25 deux fois, une fois a I'aller et une fois au retour. La troisieme voie est representee par deux traits fins paralleles pointilles sur la figure 3. Elle comporte, a partir de l'optique d'emission/reception commune 10, la lame semi-reflechissante 11 et un analyseur de front d'onde 14, connu sous ('appellation « WFS », signifiant 30 « Wavelength Front Sensor ». Le role de cet analyseur est de determiner la perturbation rencontree par le signal emis par l'etoile artificielle. Cette perturbation etant connue, un processeur 15 calcule la deformation a applique a une optique adaptative 16 pour produire la deformee inverse. Le processeur prend en compte le fait que le signal issu de l'etoile artificielle a 8 ete perturbs deux fois. Dans le cas de la figure 3, cette optique adaptative 16 est un miroir deformable. La quatrieme voie est egalement representee par deux traits fins paralleles pointilles sur la figure 3. C'est la voie d'emission du signal optique. 5 Elle comporte une source optique modulee 17 dont la modulation est representative du signal d'emission, l'optique adaptative 16, le miroir de pilotage 20, la lame semi-reflechissante 11 utilisee en transmission et enfin, I'optique d'emission/reception 10. Le faisceau est donc ernis dans la direction occupee par le satellite a ('instant du futur. Sa phase optique est modulee de 10 sorte qu'apres traversee des perturbations atmospheriques, le faisceau est plus ou moins la forme d'une onde plane de facon a limiter sa divergence. Le synoptique de la figure 3 peut comporter de nombreuses variantes d'implantation optique ou mecanique selon les contraintes de la liaison optique entre la base et le satellite. On peut ainsi inverser le sens 15 d'utilisation des lames semi-reflechissantes ou ajouter des miroirs ou des ensembles optiques pour changer, par exemple, le diametre des faisceaux emis ou leur divergence. La figure 4 represente le fonctionnement global du systerne de communication optique selon ['invention entre une base terrestre et un 20 satellite. A un instant initial TO, le systerne enregistre le signal issu du satellite, calcule sa position future a ('instant 00 le signal d'emission issu de la base terrestre sera ernis, emet une etoile artificielle dans cette direction calculee, recoit le signal de cette etoile artificielle qui a traverse des turbulences atmospheriques, calcule la deformee a appliquer au signal 25 d'emission. Les figures 3 et 4 representent des systemes comportant une seule optique d'emission/reception. II est possible de *parer totalement l'ensemble d'emission/reception de l'etoile artificielle de l'ensemble d'emission/reception du signal de communication. La figure 5 represente 30 schematiquement ce type de systeme comportant deux voies d'emission/reception distinctes 21 et 22 dont les axes d'emission/reception sont paralleles. Comme represente en figure 6, it est egalement possible d'utiliser 35 un systerne de communication comportant plusieurs ouvertures distinctes 21 9 emettant chacune un signal optique. Les ouvertures sont notees 21a a 21d sur Ia figure 6. On sait que l'avantage d'un tel systerne est qu'il est possible d'accroitre sensiblement Ia puissance emise en utilisant des faisceaux mutuellement incoherents sans augmenter les contraintes 'lees a Ia 5 generation de faisceaux a haute energie et a la tenue des composants optiques a ces memes faisceaux. Un autre avantage est qu'il est possible de repartir le spectre optique a transmettre sur les differentes ouvertures. Dans une variante de realisation representee en figure 7, le systerne comporte une ouverture 21 bis destinee a la reception du signal 10 d'emission satellitaire pointant dans une direction differente des ouvertures d'emission/reception. REVENDICATIONS1. Systeme de communication optique a travers ('atmosphere entre une station (1) et un objet mobile (2), ('atmosphere comportant des turbulences, ladite station comprenant un dispositif optique d'emission (17) d'un signal optique, un systerne d'acquisition (13) d'une premiere direction angulaire dudit objet mobile a ('instant present et un calculateur d'une seconde direction angulaire dudit objet mobile a un instant du futur, ledit instant du futur correspondant au moment °Ca le signal optique est rect.' par ('objet mobile, caracterise en ce que la station comporte un generateur optique (19) d'etoile artificielle (S), un systerne de pointage (20) de ladite etoile artificielle dans la seconde direction angulaire, un dispositif d'analyse (14) d'un premier front d'onde emis par ladite etoile artificielle, un processeur electronique (15) agence pour calculer une deformation d'un second front d'onde de compensation a partir de la connaissance du premier front d'onde et une optique adaptative (16) appliquant ladite deformation audit signal optique d'emission, ladite deformation etant telle qu'elle compense en totalite ou en partie les perturbations du signal optique d'emission induites par les turbulences atmospheriques. 2. Systeme de communication optique selon Ia revendication 1, caracterise en ce que le dispositif optique d'emission et le generateur d'etoile 25 artificielle comporte une optique d'emission (10) commune unique. 3. Systeme de communication optique selon Ia revendication 1, caracterise en ce que le dispositif optique d'emission artificielle comporte une premiere optique d'emission (21) et le generateur d'etoile comporte une 30 seconde optique d'emission (22) separee de la premiere optique d'emission, les axes optiques d'emission etant paralleles. 4. Systeme de communication optique selon la revendication 1, caracterise en ce que le dispositif optique d'emission artificielle comporte une 35 pluralite de premieres optiques d'emission (21a, 21b, 21c, 21d) et le 11 generateur d'etoile comporte une seconde optique d'emission (22) separee des premieres optiques d'emission, les axes optiques d'emission des differentes optiques d'emission etant tous paralleles. 5 5. Systeme de communication optique selon l'une des revendications 2 a 4, caracterise en ce que le systeme d'acquisition de la premiere direction angulaire a un axe optique different des axes optiques des optiques d'emission. 10 6. Systeme de communication optique selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que la station est une station terrestre et ('objet mobile un satellite. 7. Systeme de communication optique selon l'une des 15 revendications 1 a 5, caracterise en ce que la station est une plateforme atmospherique et ('objet mobile un satellite.