Türbülanslı atmosferde çoklu gauss optik hüzmeleri için alıcı açıklık etkileri ve link başarım optimizasyonu
The effect of receiver aperture averaging on multi gaussian beams in turbulent atmosphere and the link performance optimization
Yazar: CANAN KAMACIOĞLU
Danışman: PROF. DR. ERDEM YAZGAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Lazer optik sistem = Laser optic system ; Lazerli haberleşme = Laser communication ; Çok kriterli optimizasyon = Multi criteria optimization

Özet:
Bu çalışmada, zayıf türbülanslı atmosferde yayılan çoklu Gauss ışık hüzmelerinin Gauss formunda açıklığa sahip alıcı düzleminde oluşturdukları ortalama optik güç ve pırıldama indisi Huygens-Fresnel integrali kullanılarak analitik olarak yatay linkler için hesaplanmıştır. Özel olarak, Gauss, düz tepeli ve halkasal ışık hüzmelerinin türbülanslı atmosferde yayılımlarında alıcı düzleminde oluşturdukları ortalama optik güç ile pırıldama indisi, alıcı açıklık yarıçapı, yayılım mesafesi ve Gauss kaynak boyutu gibi parametrelere karşı incelenmiş, alıcı açıklık yarıçapının ortalama optik gücü artırmada ve pırıldama indisini düşürmedeki etkileri gözlemlenmiştir. Türbülanslı atmosferde yayılan düz tepeli ve halkasal ışık hüzmelerinin açıklık ortalama faktörü hesaplanmış, açıklık ortalama faktörü, alıcı açıklık yarıçapı, yayılım mesafesi ve Gauss kaynak boyutuna karşı çizdirilmiş, pırıldama indisini düşürecek değişkenler belirlenmiştir. Ortalama optik güç ve pırıldama indisi fonksiyonları amaç fonksiyonlar olarak belirlenerek Pareto-optimum eğrisi çizdirilmiş, ortalama optik güç ile pırıldama indisi arasındaki ilişki incelenmiştir. Ortalama optik gücün pırıldama indisine oranını en fazla yapacak şekilde belirlenen optimizasyon kriteri ile optimum Gauss, düz tepeli ve halkasal ışık hüzme modelleri belirlenerek link performans optimizasyonu yapılmıştır. Normalize optik güçteki düşmenin alıcı açıklık yarıçapının artırılmasıyla azaldığı görülmüştür. Açıklık yarıçapının artmasıyla ortalama optik güç artmakta, düz tepeli ışık hüzmeleri için düzleştirme parametresinin artırılmasıyla en fazla optik güç elde edilmekte ve halkasal ışık hüzmelerinde küçük yayılım mesafelerinde en fazla optik güç elde edilmektedir. Açıklık ortalama faktörünün etkisi, yapı sabitinin ve yayılım mesafesinin artmasıyla artmaktadır. Ayrıca, düz tepeli ışık hüzmelerinin yayılımında açıklık ortalamasının etkisi tüm açıklık yarıçap değerlerinde artan düzleştirme parametresi için artarken, halkasal ışık hüzmelerinin yayılımında büyük kaynak boyutu değerlerinde, büyük açıklık yarıçaplarında büyük ikincil hüzme kaynak boyutu değerlerinde artmaktadır. Belirlenen optimizasyon kriterine göre düşük kaynak boyutunda düşük yapı parametre değerleri için optimum çoklu Gauss ışık hüzmeleri elde edilmiştir. Ortalama optik gücün sintilasyona oranı sabit bir yapı sabitinde odaklanmış Gauss ışık hüzmeleri için artmaktadır. Bu oran sabit bir alıcı açıklık yarıçapında geniş halkaya sahip halkasal ışık hüzmelerinde artmaktadır. Düz tepeli ışık hüzmelerinde, sabit bir dalga boyu ve alıcı açıklık yarıçapı için düzleştirme parametresinin artırılmasıyla oran artmaktadır.

Anahtar Kelimeler: Atmosferik yayılım, atmosferik türbülans, optik güç, pırıldama
indisi, optimum çoklu Gauss hüzme modeli, link performans optimizasyonu.

Abstract:
In this study, the optical power and the power scintillation of multi Gaussian beams propagating in turbulent atmosphere is analytically calculated by using the Huygens-Fresnel integral when a realistic receiver possessing a finite sized aperture is employed in a horizontal atmospheric optics link. The optical power and the power scintillation of Gaussian, flat-topped and annular beams, as special cases of the multi Gaussian beam, is analyzed versus the receiver aperture radius, the propagation length and the Gaussian source size. The effect of the receiver aperture radius on the decrease of the power scintillation is examined. The receiver aperture averaging factor of flat-topped, annular beams are calculated and the receiver aperture averaging factors are plotted against the receiver aperture radius, the propagation length and the Gaussian source size. The link performance optimization is studied. Also the parameters that reduce the power scintillation index are found. The relation between the optical power and the power scintillation is analyzed by plotting the Pareto-optimum curve by defining the average optical power and the power scintillation as the object functions. An optimization criterion is defined as the maximization of the ratio of the average optical power to the power scintillation index from which the optimum Gaussian, flat-topped and annular beams are evaluated. The normalized optical power of the multi Gaussian beams decreases as the propagation length increases. The decrease in the normalized optical power reduces as the receiver aperture radius increases. The optical power increases as the receiver aperture radius increases and the increasing flatness parameter promotes the effect of the receiver aperture averaging on obtaining larger optical power for the flat-topped beams. However, for the annular beams, the maximum optical power is obtained at smaller propagation lengths. The effect of the receiver aperture averaging increases as the structure constant increases. Also, in the propagation of flat-topped beams the effect of the receiver aperture averaging increases as the flatness parameter increases for all receiver aperture radii. For the annular beams, the effect of the receiver aperture averaging increases for larger Gaussian source sizes, larger receiver aperture radii and larger secondary beam source sizes. At a fixed large propagation length, the flat-topped beams which have larger Gaussian source sizes have small power scintillation index. For the annular beams, smaller power scintillation is obtained for larger ring sizes. The ratio of the average optical power to power scintillation increases at a fixed structure constant for the focused Gaussian beams. The ratio increases for the annular beams which have larger ring sizes at a fixed receiver aperture radius. The ratio increases as the flatness parameter increases at fixed wavelength and receiver aperture radius for the flat-topped beams.

Keywords: Atmospheric propagation, atmospheric turbulence, optical power, power scintillation index, optimum multi Gaussian beams, link performance optimization.