Reliability of satellite-to-ground optical communication

Les longueurs d’onde optiques sont une alternative aux liens radio-fréquences pour lestransmissions satellite-sol du futur. Elles sont envisagées pour les futurs systèmes de télémesuresatellitaires (liens optiques descendants en provenance de satellites LEO) ou de communication(liens optiques bi-directionnels avec des satellites GEO). A sa traversée de l’atmosphère l’ondeoptique peut être profondément affectée par la turbulence atmosphérique. Elle subit desvariations spatiales et temporelles d’amplitude et de phase. Les variations d’amplitudesse traduisent par des variations de la puissance lumineuse collectée (scintillations). Lesperturbations de la phase affectent la distribution spatiale de la puissance au foyer du systèmede détection, qui n’est alors plus limitée par la diffraction. Des pertes peuvent en découler lorsdu couplage du flux incident à un détecteur optronique ou à une fibre optique monomode.Ces pertes se traduisent par des atténuations du signal reçu et donc par la perte d’informations.Pour s’en abstraire, les études de faisabilité les plus récentes mettent en avant l’utilisation desystèmes d’optique adaptative et de techniques numériques adaptées (codage/entrelacement).Pour limiter la complexité et le coût des systèmes de liens optiques, la définition des techniquesde compensation des atténuations peut être menée conjointement. C’est l’objectif principalde cette thèse. Il s’agit d’investiguer les complémentarités des techniques de compensationphysiques (optique adaptative) et numériques (entrelacement, codes correcteurs) pour disposerdes éléments permettant de définir les systèmes de correction les mieux adaptés.Optical wavelengths are an alternative to radio-frequency links for future satellite-to-groundtransmissions. They are envisioned in the framework of payload/telemetry data transfer (opticaldownlinks from LEO satellites) or communication (bi-directional optical links with GEOsatellites). However, as it propagates through the atmosphere, the optical wave can be deeplyaffected by atmospheric turbulence which induces randomspatial and temporal variations ofits amplitude and phase. Variations in amplitude translate into fluctuations of the collectedpower (scintillation). The phase distortions affect the spatial distribution of the power at thefocal plane of the telescope causing deleterious losses when the incident flux needs to becoupled to an optoelectronic detector or to a single-mode optical fiber. Such losses result indynamical attenuations of the received signal -called fading- and hence potentially to the lossof information. The most recent feasibility studies highlight the use of two types of fadingmitigation techniques: adaptive optics systems and digital techniques (coding and interleaving).To limit the complexity and cost of such systems, the optimization of these mitigationtechniques should be conducted jointly. The main objective of this thesis is therefore theinvestigation of the complementarity of physical (adaptive optics) and digital data reliabilitymechanisms (interleaving, correcting and erasure codes in a cross-layer approach)