19014

۱۹۰۱۴

بررسي و شبيه سازي نظري و تجربي اثر تلاطم اپتيكي بر رفتار انتشاري پارامترهاي مخابرات ليزري زيرآبي

دكتري تخصصي

اتمي مولكولي

۱۳۹۶-۹۷

۱۳۹۶/۱۰/۱۰

دكتر فاطمه دباغ كاشاني

فيزيك

در سال¬هاي اخير، معرفي ليزر و پيشرفت¬هاي چشمگير صورت گرفته در توليد آن با مشخصه¬هاي گوناگون و همچنين امكان استفاده از آن در انواع كاربردهاي راهبردي انتقال اطلاعات از طرفي و نياز روز افزون بشر به پهناي باند بيشتر براي انتقال انواع داده از طرف ديگر، سبب شده تا تحقيقات وسيعي در زمينه استفاده از باريكه¬هاي ليزري به عنوان عامل انتقال اطلاعات در كاربردهايي نظير مخابرات نوري، ارتباطات ماهواره¬اي، سنجش از راه دور، ليدارها، لادارها، تصويربرداري، لينكهاي ارتباطي بين كشتي¬ها و شناورهاي زيرآب، اكتشافات و تحقيقات دريايي، موقعيت¬يابي، هدف¬يابي صورت گيرد. اغلب اين كاربردها، مبتني بر انتشار باريكه¬هاي ليزري در محيط¬هايي با ضريب¬شكست تصادفي(تلاطم اپتيكي) از قبيل اتمسفر و آب¬هاي دريايي و اقيانوسي مي¬باشند. علاوه¬ بر كانال انتقالي اتمسفر كه بستري مناسب جهت عملياتي شدن طيف وسيعي از كاربردهاي گوناگوني را فراهم ساخته و از دهه¬هاي قبل تاكنون مورد مطالعه قرار گرفته¬است، در سال¬هاي اخير به علت حضور بشر در درياها و اقيانوسها به دلايل اكتشافي، تجاري و نظامي، استفاده از كانال ارتباطي امن زيرآبي نيز افزايش چشم¬گيري يافته¬است. در تمامي اين كاربردها جهت طراحي و مشخصه¬سازي دقيقتر، در كنار پديده¬هاي خوش¬رفتار جذب و پراكندگي، بايد اثرات مختلف پديده چالش¬برانگيز تلاطم اپتيكي از قبيل پهن¬شدگي، كاهش درجه طيفي همدوسي و درجه طيفي قطبش، انحراف پرتوها و نوسانات شدت(سوسوزني) بر ميدان موج الكترومغناطيسي منتشرشونده در زير آب نيز در محاسبات، شبيه¬سازي¬ها و بررسي-هاي تجربي در نظر گرفته شوند. بنابراين با توجه به نقش تضعيف¬كننده و مخرب تلاطم اپتيكي و مهمترين اثر آن يعني پديده سوسوزني در كارايي و كيفيت لينك¬هاي ارتباطي اپتيكي زيرآبي و به منظور بهره¬برداري از مزاياي بالقوه اين¬گونه سيستم¬ها، در اين رساله به مطالعه و شبيه¬سازي نظري و تجربي اثر تلاطم اپتيكي بر مهمترين پارامترهاي يك لينك مخابرات ليزري زيرآبي پرداخته شده¬است. جهت نيل به اين هدف، دو گام اساسي برداشته شده¬است. در گام اول بر اساس روش انتگرال تعميم يافته-ي هويگنس- فرنل، ابتدا اثر تلاطم اپتيكي بر رفتار انتشاري مشخصه¬هاي آماري و اپتيكي باريكه-هاي ليزري تك و آرايه¬اي با پروفايل¬هاي مختلف (گوسي و سرصاف) از جمله توزيع شدت، عرض باريكه، درجات قطبش و همدوسي، به صورت تحليلي بررسي شده و سپس با شبيه¬سازي عددي پديده¬ي سوسوزني، تأثير آن بر پارامترهاي كيفيت لينك مخابراتي مانند خطاي بيت و نسبت سيگنال به نويز مورد مطالعه قرار گرفته¬است. در گام دوم، به كمك يك چيدمان آزمايشگاهي كنترل¬پذير و شبيه¬سازي يك محيط متلاطم (كه تلاطم در آن توسط گراديان دمايي القا مي-شود)، به شبيه¬سازي تجربي پديده سوسوزني و مطالعه اثرات آن بر پارامترهاي مختلف يك لينك مخابرات ليزري بي¬سيم در شرايط مختلف پرداخته شده¬است. نتايج به صورت نمودارهاي حاصل از شبيه¬سازي¬هاي نظري و تجربي ارائه شده و به دقت مورد تجزيه و تحليل قرار گرفته¬اند. اميد است بر اساس نتايج محاسبات تحليلي و شبيه¬سازي¬هاي تجربي صورت گرفته در اين رساله، در درجه اول گام مـؤثري در بومي¬سازي اين فن¬آوري قابل پيشرفت و سپس جهت بهبـود عملكرد لينك¬هاي مخابرات ليزري زيرآبي در شرايط مختلف برداشت.

1397/04/04

Experimental and Theoretical Investigation of Optical Turbulence Effects on the Propagation Behavior of Underwater Wireless Laser Communication Link Parameters

6/25/2018 12:00:00 AM

In recent years, significant advances have been made in the laser production with different characteristics and specifications. These developments have been done in order to use the laser for specific applications and also to optimize them. The possibility of laser beam usage in various applications of wireless communication in one side and ever-increasing human need to the more bandwidth for transferring any kinds of data in the other side, lead to the vast research in this field which uses laser beam as a data carrier in a wide range of strategic applications. Free space optical communication, satellite communication, Lidars, remote sensing, imaging, underwater communication, marine exploration and research, targeting and navigation are examples of these important applications. Most of these applications are based on the laser beam propagation in media with random refractive indexes (i.e. Optical turbulence) such as the atmosphere, the sea and ocean waters. In addition to the atmospheric transmission channel which has provided the appropriate medium for the operation of a wide range of different applications and has been studied for decades, in recent years, due to the existence of human in the seas and oceans for exploratory, commercial, and military reasons, the use of secure underwater communication channel is also increasing dramatically. In all of these applications, for precise design and characterization, along with the well-behaved absorption and scattering phenomena, different effects of the challenging optical turbulence phenomenon such as beam spreading, reduction of spectral degrees of coherence and polarization, beam wandering, and scintillation have to be considered in calculations, simulations, and experimental investigations. Therefore, due to the weakening and destructive role of optical turbulence phenomenon and its most important effect, namely the scintillation effect, on the efficiency and the quality of underwater wireless optical links and in order to exploitation of the potential benefits of such systems, this thesis is focused on theoretical and experimental study of optical turbulence effects on the underwater wireless optical communication link's parameters. Achieving these aims, the two basic steps have been considered. In the first step, based on the extended Huygens-Fresnel method, firstly, the effects of optical turbulence on the propagation behavior of statistical characteristics of single and array laser beams with different profiles (Gaussian and Flat-topped) such as intensity distribution, beam width, spectral degrees of polarization and coherence have been analytically investigated. Then, with numerical simulation of scintillation phenomenon, its influence on the underwater wireless optical communication (UWOC) link quality parameters such as the Bit Error Rate (BER) and the Signal to Noise Ratio (SNR) have been studied. In the second step, with the help of the controllable experimental setup and simulation of an underwater turbulent environment (in which turbulence induced by temperature gradient), the scintillation phenomenon and its effects on different parameters of UWOC links have been studied under various conditions. All the simulation results of this thesis have been shown by graphs and they have been analyzed in detail. It is hoped that the results of analytical calculations and experimental simulations which are done in this thesis have significant influences on localizing this progressive technology and in the performance improvement of underwater laser communication links in different situations.