Wellenlängendiversität zur Mitigation von durch Brechungsindexturbulenz induziertem Signalfading im optischen C-Band

Abstract

Die vorliegende Masterarbeit, erstellt in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, widmet sich der Analyse und Optimierung der optischen Freiraumkommunikation (Free-Space Optical, FSO) zwischen erdnahen Satelliten (Low Earth Orbit, LEO), Höhenplattformen (High Altitude Platforms, HAPs) und Bodenstationen. Angesichts der Herausforderungen wie Signalinstabilität aufgrund von atmosphärischen Interferenzen und Turbulenzen für die herkömmliche Diversitätsverfahren im Satelliten-Uplink nicht anwendbar sind, stellt die Wellenlängendiversität (WLD) eine attraktive Strategie dar, um die Signalintegrität zu bewahren. Die Anwendung der entwickelten Raytracing-Technologie in Kombination mit atmosphärischer Modellierung, ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der Strahlverläufe bei verschiedenen Wellenlängen und Elevationen zwischen optischen Bodenstationen und Satelliten. Der Diversitätseffekt in langen atmosphärischen Freistrahlübertragungsstrecken lässt sich auf zwei wesentliche Ursachen zurückführen: Zum einen die Durchquerung unterschiedlicher Pfade zwischen Sender und Empfänger, was zu diversen Interaktionen mit turbulenten Volumina führt und zum anderen die Entstehung unterschiedlicher Interferenzmuster aufgrund der verschiedenen Wellenlängen. Diese Aspekte werden durch die Analyse von Pfaddifferenzen erläutert, die durch atmosphärische Dispersion verursacht werden. Weiterhin werden diese Pfaddifferenzen mit dem Fried-Parameter r0 und der äußeren Turbulenzskala L0 verglichen, um die Vorteile der WLD zu evaluieren. Ergänzend wird die „Mutual Coherence Function“ (MCF) zur Untersuchung der WLD zwischen HAPs herangezogen, was eine zusätzliche Dimension der Analyse ermöglicht. Die Ergebnisse verdeutlichen eine Variation der Pfaddifferenzen in Abhängigkeit von der Elevation und unterstreichen das Potential der WLD zur Umgehung atmosphärischer Störungen. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit regen dazu an, die Integration von WLD in bestehende oder in Entwicklung befindliche Systeme zu erwägen, um die Robustheit und Effizienz der optischen Freiraumkommunikation weiter zu fördern. Die detaillierte Untersuchung der atmosphärischen Bedingungen und deren Einfluss auf die Signalübertragung liefern wertvolle Einsichten für die Gestaltung zukünftiger FSO-Kommunikationssysteme.