Experimental Assessment of the Atmospheric Effects on Laser Communications On Maritime Environment

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή ερευνώνται οι ασύρματες οπτικές επικοινωνίες, γνωστές και ως επικοινωνίες λέιζερ. Η εν λόγω τεχνολογία κάνει χρήση του οπτικού και υπερύθρου φάσματος για την μετάδοση της πληροφορίας και προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με την υφιστάμενη κατηγορία των επικοινωνιών με ραδιοκύματα, όπως αυξημένες δυνατότητες ρυθμού μετάδοσης δεδομένων, ασφάλεια έναντι υποκλοπών και παρεμβολών, χαμηλό κόστος και ευκολία εγκατάστασης και τέλος κανέναν περιορισμό στις χρησιμοποιούμενες συχνότητες εκπομπής. Η μεγαλύτερη πρόκληση που αντιμετωπίζουν τα συστήματα επικοινωνίας λέιζερ, είναι οι εγγενείς περιορισμοί τους από τις περιβαλλοντικές συνθήκες και ιδιαίτερα από το φαινόμενο της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής. Η τεχνολογία αυτή έχει τόσο επίγειες όσο και υποβρύχιες και διαστημικές εφαρμογές. Κάθε μια από τις ανωτέρω εφαρμογές, καλείται να αντιμετωπίσει διαφορετικές δυσκολίες και περιορισμούς, λόγω των διαφορετικών ατμοσφαιρικών συνθηκών που η διαδιδόμενη δέσμη λέιζερ συναντά στην πορεία της. Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται, πειραματικά, η απόδοση μιας ασύρματης οπτικής ζεύξης που λειτουργεί σε θάλασσιο περιβάλλον. Το φαινόμενο της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής σε ένα τέτοιο περιβάλλον εμφανίζει αρκετές διαφορές με το αντίστοιχο άνωθεν επίγειου περιβάλλοντος και είναι αυτό που ευθύνεται για το φαινόμενο του σπινθηρισμού, δηλαδή της χωρικής και χρονικής μεταβολής της λαμβανόμενης οπτικής ισχύος από τον δέκτη. Η ταχύτητα των μεταβολών αυτών απαιτεί την χρήση στατιστικών κατανομών για την μελέτη τους. Διάφορες τέτοιες κατανομές έχουν μελετηθεί και αποδειχθεί ότι μπορούν να περιγράψουν με αρκετή ακρίβεια τις διακυμάνσεις της λαμβανόμενης ισχύος σε άμεση συνάρτηση με την ένταση του φαινομένου της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής, μετρούμενης με την παράμετρο κατανανομής του δείκτη διάθάσης στην ατμόσφαιρα, 𝐶𝑛2. Βασικός στόχος της παρούσας μελέτης είναι η, σε πειραματικό επίπεδο, συσχέτιση του φαινομένου αυτού με την απόδοση μιας ασύρματης οπτικής ζεύξης άνωθεν θαλασσίου περιβάλλοντος. Συγκεκριμένα, με χρήση κατάλληλων πειραματικών διατάξεων, τόσο στο κτίριο εργαστηρίων της Σχολής Ναυτικών Δοκίμων (ΣΝΔ) όσο και στις εγκαταστάσεις του Naval Postgraduate School (NPS) στο Μοντερέυ της Καλιφόρνια, γίνεται συλλογή βασικών ατμοσφαιρικών δεδομένων (ταχύτητα ανέμου, σχετική υγρασία, θερμοκρασία αέρα, ηλιακή ακτινοβολία, σημείο δρόσου, ατμοσφαιρική πίεση και ρυθμός βροχόπτωσης), τιμών της παραμέτρου κατανομής δείκτη διάθλασης της ατμόσφαιρας (𝐶𝑛2) με διάφορες μεθόδους και του λαμβανόμενου σήματος στον δέκτη του συστήματος. Εν συνεχεία, γίνεται μοντελοποίηση παλινδρόμησης και ταξινόμησης του λαμβανόμενου σήματος και της παραμέτρου κατανομής δείκτη διάθλασης της ατμόσφαιρας βάσει των ατμοσφαιρικών δεδομένων τόσο με χρήση βασικών πολυωνυμικών μοντέλων, όσο και με χρήση διαφόρων αλφορίθμων μηχανικής μάθησης, όπως Random Forest, Gradient Boosting, Decision Trees, k-Nearest Neighbors καθώς και νευρωνικών δικτύων μονού και πολλαπλών επιπέδων. Εξετάζεται η αξιοπιστία διάφορων βασικών κατανομών πυκνότητας πιθανότητας του λαμβανομένου σήματος του συστήματος με χρήση μεθόδων θεωρίας της πληροφορίας (Kullback-Leibler και Jensen-Shannon divergence). Εξάγεται με χρήση θεωρητικού μοντέλου η πιθανότητα αποκοπής της ζεύξης και εν συνεχεία μοντελοποιείται η ταξινόμηση της σε λειτουργική ή μη, με χρήση βαθέων νευρωνικών δικτύων. Τέλος γίνεται μοντελοποίηση πειραματικών δεδομένων της παραμέτρου κατανομής δείκτη διάθλασης με χρήση αλγορίθμων μηχανικής μάθησης (Random Forest, Neural Network και Gradient Boosting) καθώς και ταξινόμηση αυτών αναλόγως της έντασης, με χρήση βαθέων νευρωνικών δικτύων.