Doctoral Thesis

Techniques for Spatial Acquisition in Free-Space Optical Communication Systems

Final Thesis 11.95 MB Summary of Thesis 11.95 MB

Author of thesis: Ing. Petr Skryja

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Otakar Wilfert, CSc.

Reviewers: Ing. Ondřej Číp, Ph.D., doc. Ing. Matěj Komanec, Ph.D.

Abstract:

This doctoral thesis focuses on enhancing the speed and reliability of the initial pointing process in terrestrial Free Space Optical (FSO) communication systems. The primary objective is to reduce pointing time and enable link establishment under low signal-to-noise ratio conditions. The work begins with an analysis of the FSO transceiver system and key sources of angular uncertainty. To efficiently cover the resulting uncertainty region, various spiral-based scanning patterns are investigated and compared in terms of coverage uniformity and scanning speed. A novel Advanced Thresholding Method (ATM) is proposed, which employs a four-quadrant photodiode and a transfer function mapping photodiode signals (beam spot coordinates) and gimbal displacements. This enables more sensitive and adaptive signal detection compared to the conventional Power Thresholding Method (PTM). The proposed method was evaluated in a simulator incorporating realistically measured noise parameters, including quadrant noise, background radiation, and atmospheric turbulence. Its performance was subsequently validated through real-world measurements on a 27-meter FSO testbed. Results show that ATM can detect the optical beam at up to 12 dB lower SNR and achieve beam acquisition up to 26 % faster than PTM.

Keywords:

Free Space Optics, Pointing, Four-Quadrant Photodiode, Scanning, Auto-Aligning Transceivers.

Date of defence

20.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Předseda komise prof. Prokeš zahájil obhajobu dizertační práce za účasti všech členů komise. Školitel prof. Wilfert následně představil kandidáta Petra Skryju. Poté kandidát prezentoval výsledky svého výzkumu na téma "Techniky prostorového směrování v systémech optické komunikace volným prostorem". Po prezentaci školitel a oponenti zhodnotili výsledky výzkumu. Následovala diskuse kandidáta s členy komise. Doc. Komanec položil několik dotazů týkajících se použitých teoretických modelů, vlivu volby komponent na úroveň šumu a vlivu vylepšení metody ATM na datovou rychlost. Následně se k práci vyjádřil Dr. Číp, který kladně zhodnotil splnění cílů dizertační práce i její přínos v oblasti optické komunikace ve volném prostoru. Následně Dr. Číp položil otázku na maximální vzdálenost, které lze dosáhnout mezi transceivery realizovaného simulátoru. Dále byly položeny dotazy na použití techniky „GNSS Common View“ a na skenování a zaměřování svazků tranceiverů metodou ATM. Poté byla otevřena diskuze i pro ostatní členy komise. Diskuze se aktivně dále zúčastnil doc. Komanec (experimentální ověření systému, IP), prof. Klíma (volba vlnové délky), doc. Kyselák (aplikace v obranném průmyslu), prof. Prokeš (rychlost odezvy, vliv turbulencí a sledování svazku), prof. Wilfert (poloměr koherence). Kandidát na všechny položené dotazy odpověděl přesvědčivým způsobem.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Radio Electronics

Study programme

Electronics and Communication Technologies (DKC-EKT)

Composition of Committee

prof. Ing. Aleš Prokeš, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Čestmír Vlček, CSc. (člen)
prof. Ing. Miloš Klíma, CSc. (člen)
doc. Ing. Martin Kyselák, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Matěj Komanec, Ph.D. (člen)
Ing. Ondřej Číp, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Otakar Wilfert, CSc.

Posudek vedoucího disertační práce

Doktorand:            Ing. Petr Skryja
Téma disertační práce:    Techniques for Spatial Acquisition in Free-Space Optical Communication Systems
Školitel:            prof. Otakar Wilfert
Školitel specialista:    Ing. Peter Barcík, Ph.D.

Zhodnocení průběhu studia:
Ing. Petr Skryja (narozen v roce 1994) nastoupil na doktorské studium na UREL, FEKT VUT v Brně ve školním roce 2018/19. Téma jeho disertace je v souladu jak se zájmem studenta, tak s vědeckou oblastí rozvíjenou na ústavu UREL.
Student je v kontaktu s Výzkumným Centrem DLR (German Aerospace Center), kde pod vedením vedoucího výzkumné skupiny "Optical Technologies for Satellite Link" absolvoval stáž a spolu s vedoucím skupiny Dr. Jurajem Poliakem publikoval článek v impaktovaném časopise. Stáže v DLR motivovala studenta k vytvoření dvou laboratorních úloh pro předmět Optické komunikace na ústavu UREL.
Student Ing. Petr Skryja je samostatný a velmi pečlivý. Zajímá se o algoritmy, kybernetickou bezpečnost, návrh jak hardwaru, tak softwaru. Ochotně přispívá k propagaci fakulty a aktivně pomáhal při Dnech otevřených dveří a Noci vědců.
Ing. Petr Skryja v průběhu svého doktorského studia prokázal schopnost kreativní vědecké práce, byl aktivním členem vědeckého týmu a je schopen získané výsledky prezentovat na mezinárodních vědeckých konferencích i při pedagogické aktivitách.
Výsledky své vědecké práce doktorand průběžně publikoval, a to jak na odborných konferencích, tak v časopiseckých výstupech. Dosavadní publikační činnost zahrnuje dva impaktované články s několika citacemi.
Jeho vlastním produktem je Software pro analýzu a plánování nasazení technologie FSO.
Spolupracoval na projektech:
Robustní systém optické bezvláknové komunikace. (VI20192022173)
Fázově koherentní přenos optických frekvencí po optovláknových a bezkabelových optických trasách.
Konkrétní výsledky:
    Body za vědeckou činnost:    96
    Celkový počet bodů:        164
Disertační práce o celkovém rozsahu 96 stran je rozdělena do 7 kapitol.
Jádro práce je soustředěno do kapitoly páté „Proposal of new method for autoaligning
FSO transceiver“, kde autor prezentuje originální metodu zaměření optického svazku vysílače a následné zpřesňování vzájemného zamíření komunikačních svazků. Autorem navržená a experimentálně ověřená zaměřovací metoda podstatně zkvalitní práci perspektivní laserové komunikace ve volném prostoru.

Závěr a hodnocení:
Student prokázal tvůrčí schopnosti a cit pro správnou formulaci svých výsledků v odborné komunitě. Předložená práce obsahuje nové poznatky a splňuje všechny požadavky kladené na disertační práci. Oba oponentní posudky jsou pozitivní. Doporučuji proto tuto disertační práci k obhajobě.


V Brně, 27.4.2026

Prof. Otakar Wilfert

Reviewer’s report
Ing. Ondřej Číp, Ph.D.

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 1,07 MB

Reviewer’s report
doc. Ing. Matěj Komanec, Ph.D.

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 341,87 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová