Off-axis scintillation in directed atmospheric free-space optical communication links

Abstract

Die hier vorliegende Masterarbeit wurde im Themenkomplex der Freistrahlkommunikation geschrieben. Freistrahlkommunikation ist ein möglicher Lösungsweg, um dem wachsenden Bedarf an Bandbreite in der Kommunikationstechnologie zu begegnen, indem man mit Hilfe eines modulierten Infrarot- Laserstrahls Daten überträgt. Diese Technik kann verwendet werden, um Satelliten mit der Erde oder Flugzeuge mit Bodenstationen zu verbinden, beziehungsweise um Datenverbindungen zwischen Gebäuden zu errichten. Die Schwierigkeit bei dieser Art der Übertragung von Daten ist die Störung des Signals aufgrund der turbulenten Atmosphäre. Bei der Ausbreitung des Strahls in der Atmosphäre kommt es durch die verschieden großen Verwirbelungen der Luft zu Interfrenzen des Strahls mit sich selbst sowie zur Brechung des gesamten Strahls. Eine Kenngröße dieser Störeffekte ist der Szintillationsindex, der die Varianz der Helligkeit an einem Punkt beschreibt. Die aktuelle Theorie zum Szintillationsindex abseits der optischen Achse (off-axis) besagt, dass der Szintillationsindex quadratisch mit der Entfernung von der optischen Achse zunimmt. Diese Vorhersage ist aber nur innerhalb des einfachen Strahlradius gültig. Da eine weitere Interpolation dieser Theorie physikalisch nicht sinnvoll ist, wurde der Szintillationindexverlauf in Abhängigkeit des Abstands zur optischen Achse vermessen. Die Aufgabe bestand darin, ein Setup zu entwerfen, das die Vermessung über eine bestehende Teststrecke ermöglicht. Die Teststrecke weist eine Länge von 735m auf. Es wurden für die Messung zwei verschiedene Strahldivergenzen verwendet und die Messungen wurden an verschiedenen Tagen durchgeführt, um verschiedene Turbulenzindizes zu erhalten. Die Messungen wurden elektronisch ausgewertet und so weit als möglich von allen störenden Einflüssen befreit. Auch wurden alle Messungen sowohl tracked als auch untracked ausgewertet und analysiert, um den Effekt des Tracking auf den Szintillationsindexverlauf zu verstehen. Unabhängig von der Turbulenzstärke und anderen Parametern wurde nachgewiesen, dass der Szintillationsindex ein Maximum erreicht und dann wieder abfällt, woraufhin sich ein Saturationswert in der Größenordnung des Scintillationsindex auf der optischen Achse einstellt. Das Maximum liegt den Messungen zufolge zwischen dem einfachen und dem doppelten Strahlradius und erreicht ungefähr den dreifachen Wert des Wertes auf der optischen Achse.

The topic of this thesis is located in the field of free-space optics. Free-space optics is a possible solution for the rising demand for bandwidth in communication. Free-space optics modulates data on an infrared laser beam in order to connect satellites or aircraft with ground stations or to establish a link between buildings. The challenges to be met within this technology are disturbances that evolve when the beam propagates through the turbulent media atmosphere. While spreading through the air, the beam interferes with itself and gets bended because of different sized eddies. The scintillation index is a parameter that describes the fluctuation of intensity at a point. Although existing theory predicts a quadratic increase of the scintillation index if moved off-axis, the prediction is just valid up to a distance equal to the beam radius. Further interpolation leads to nonphysical results and for this reason, the off-axis scintillation index was measured. The tasks of this thesis included the design of a setup using an already existing test track. The distance of this track was 735m and measurements were taken on different days in order to cover different values of the turbulence index. The measurements taken were post-processed to reduce any unwanted influences. Furthermore, the measurements were evaluated in untracked and tracked mode in order to analyze the effects of tracking on the scintillation index profile. Independent of the turbulence index and other parameters it was measured that the scintillation index reaches a maximum and then decreases until it reaches a saturation level in the order of magnitude of the on-axis scintillation index. According to these measurements, the maximum itself is located between the single and double beam radius off-axis and reaches a maximum value approximately three times as large as the on-axis value.