Troposfer katmanındaki Rayleigh ve Mie saçılmaları kaynaklı zayıflamanın lazerli uydu haberleşme sistemlerinin performansına etkilerinin analizi

Abstract

Bu tez çalışmasında serbest uzay optik haberleşme sistemlerinde, atmosferik etkilerden biri olan saçılmanın sistem kayıpları üzerine etkileri incelenmiştir. Belirlenen atmosferik gazların ve su moleküllerinin saçılma kaynaklı zayıflatma değerleri hesaplanmıştır. Yer uydu arası haberleşme sistemi tasarımı yapılmış, ardından BER analizi yapılarak haberleşme sisteminin verimliliği incelenmiştir. En yoğun zayıflatıcı etkilerin yer aldığı troposfer katmanı seçilerek, bu katmanda yakın kızılötesi bölgedeki üç farklı dalgaboyunun gaz molekülerine çarparak oluşturduğu saçılma zayıflatmaları Rayleigh ve Mie analizleri ile incelenmiştir. 850 nm, 1064 nm ve 1550 nm dalgaboyu için saçılma değerleri sırasıyla 0,0666 m−1 , 0,7250 m−1 ve 39,5545 m−1 olarak bulunmuş, 850 nm dalgaboyunun troposferdeki gazlar için zayıflama açısından en verimli dalgaboyu olduğu analiz edilmiştir. Taguchi’nin deney tasarım yöntemi kullanılarak, zayıflamaya etki eden parametreler bir dizi analiz sonrası önem derecelerine göre sıralandırılmıştır. Böylece önemsiz parametreler elenerek, görünürlük ve dalgaboyunun verimi etkileyen en önemli faktörler olduğu belirlenmiştir. 850 nm, 1064 nm ve 1550 nm dalgaboylarında, daha büyük boyutlu su molekülleri için Mie teorisi kullanılarak saçılma verimlilikleri analiz edilmiştir. Parçacık yarıçapları 0,1 μm, 1 μm ve 10 μm seçilerek saçılma verimi açısından en verimli dalgaboyunun 850 nm olduğu görülmüştür. Yer uydu arası bir haberleşme sistemi tasarlanarak azot gazının oluşturduğu zayıflatma etkisi ile sistemin BER değerleri 850 nm için 2,06𝑥10−15 , 1064 nm için 1,36𝑥10−15, 1550 nm için ise 2,17𝑥10−11 olarak gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçların literatürde kabul edilen BER değeri olan 10−9 ’dan daha küçük olduğu ve tasarlanan sistemin daha verimli olduğu bulunmuştur. Sisteme türbülans kaybı eklenerek, toplam SNR değerleri hesaplanmıştır.

In this thesis, the effects of scattering, which is one of the atmospheric effects, were investigated on system losses in free space optical communication systems. The scattering attenuation values of the determined atmospheric gases and water molecules are calculated. The communication system between ground and satellite has been designed, then the efficiency of the communication system is analyzed by performing the BER analysis. Selecting the troposphere layer where the most intense attenuating effects are determined, the scattering attenuation caused by three different wavelengths in the near infrared region by hitting the gas molecule in the troposhere layer is investigated by Rayleigh and Mie anaysis. The scattering values for 850 nm, 1064 nm and 1550 nm wavelengths are found as 0,0666 m−1 , 0,7250 m−1 and 39,5545 m−1 , respectively. It is observed that 850 nm wavelength is the most efficient wavelength in terms of attenuation of gases in the troposphere. Using Taguchi's experimental design method, parameters affecting attenuation are ranked according to their importance after a series of analysis. Thus, parameters, which are low priority, are eliminated and it is determined that visibility and wavelength are the most important factors for efficiency. The scattering efficiencies are analyzed for larger water molecules at 850 nm, 1064 nm, and 1550 nm by using Mie theory. The scattering efficiencies by selecting the particle radii of 0.1 μm, 1 μm and 10 μm, are observed and it is concluded that the most efficient wavelength for large water molecules is 850 nm. By designing an ground-satellite communication system, the BER values of the system with the attenuation effect created by nitrogen gas are observed as 2,06𝑥10−15 , 1,36𝑥10−15 and 2,17𝑥10−11 at 850 nm, 1064 nm and 1550 nm wavelengths, respectively. It has been observed that the designed system has smaller values than 10−9 BER value accepted in the literature. Total SNR values were calculated by adding turbulence loss to the system.