你真的了解电磁波吗？——电磁波的极化状态

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无线通信的飞速发展为我们的生活带来了越来越多的便利，同时也带来了无线通信数据流量的“爆炸式”增长和一系列安全问题。根据电磁波理论，电磁波除了具有幅度、相位、频率特征之外，还有极化这一基本特征。极化特征为解决目前通信所面临的频谱紧缺和安全性问题提供了一个新的视角，目前广泛应用于雷达，光通信和无线通信中。

电磁波极化

自然界的一些昆虫、鱼类和哺乳动物能够轻易地分辨出极化光和未极化光，并利用光的极化特性来控制运动路线。与之相比，人类是“极化盲”，使用肉眼难以分辨光的极化，只能使用极化滤波器等工具进行辨别。

电磁波的极化描述的是电场矢量在传播截面上随时间变化的轨迹[1]。也就是说，电磁波在自由空间传播时，并不是像射线一样，而是转着圈圈走的。根据电磁波在垂直于传播方向平面的投影轨迹，把电磁波分为三类：线极化电磁波，圆极化电磁波，椭圆极化电磁波。

图1不同极化状态的电磁波传播轨迹

电磁波极化表征

如何有效的刻画电磁波的极化特征，是电磁波极化特征研究中的关键问题。1852年，Stokes引入了四个参量（stokes参数）来表征极化、未极化和部分极化光，奠定了极化表征的数学理论基础[2]。1892年,Poincare（庞加莱，法国数学家、天体力学家、数学物理学家、科学哲学家）将所有可能的极化状态表征到单位球上，即“Poincare（庞加莱极化球）”，球上每个点的经度和纬度都唯一的定义了组成极化两个正交分量的幅度比（δ）和相位差（φ），对应着一个特定的极化状态。庞加莱球加深了人们对极化的直观理解，成为非常有效的极化状态表征工具。

图2极化状态在Poincare球上的表征

电磁波极化应用

电磁波极化在雷达通信中的应用

针对雷达技术中“目标在哪里以及是什么样的目标”这一核心问题，利用电磁波本身的极化矢量性，采用干扰抑制、极化滤波、目标极化检测等技术手手段，极大增强并扩展了雷达的探测功能和应用范围。

1955年，美国启动GITA235项目，旨在利用极化来区分目标和杂波[3]。1985年，世界上***部机载极化合成孔径雷达（PolSAR）问世，标志着PolSAR进入了实用阶段。2004年，中国电子科技集团研制的机载双极化合成孔径雷达试飞成功。我国新一代星载合成孔径雷达具有多频段、多极化同时成像能力，广泛应用于军事通信和民用遥感领域。

图3高分辨率SAR图像和光学图像对比

电磁波极化在光通信中的应用

在光通信中，信号的极化状态通常被称为偏振状态。目前极化状态在光通信中的应用主要有偏振复用和偏振调制两个方面。偏振复用和偏振调制利用了光信号在偏振状态上的自由度，可与各种相位调制，幅度调制相结合，来提升频谱效率和传输速率。1987年，E.Dictrich提出了偏振调制的技术，并实验成功560Mbit/s的数据传输。1992年贝尔实验室SGJEvangelides实现了偏振状态复用[4]。

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图4大容量光纤通信

电磁波极化在无线通信中的应用

在目前的无线通信中，电磁波极化主要用于极化分集、极化复用、极化调制三个方面。极化分集最早由贝尔实验室的Lee和Yeh等人在1972年提出，基本思想是利用天线的极化正交性，来实现分集功能[5]。极化复用与光通信中的偏振复用思想类似，即利用两个或者多个极化状态之间不相关特性来同时发送和接收多路不同的电磁信号，区别在于极化复用的散射环境和频段不同。极化调制利用电磁波的极化状态承载信息，其具有与现有的调制方式兼容性好，不易被检测的优点。2016年，DWei将极化调制与传统幅度相位调制结合，提出了一种更高效的无线传输方案，并利用硬件平台实现了此方案，该方案可以用于通信效率的提升和保密通信等方面[6]。

图5极化调制通信硬件平台

结语

极化特征作为电磁波的一个基本特征，在无线通信极化信息的处理领域，其研究的深度和广度还远远不能和其重要性相称。在无线通信中引入极化信息处理，可为解决未来无线系统容量提升，异构网络共存，频谱稀缺等热点问题开辟新的路径，具有良好的理论价值和应用前景。

参考文献：

[1].庄钊文.雷达极化信息处理及其应用[M].国防工业出版社,1999.

[2].StokesGG.OntheChangeofRefrangibilityofLight.No.II[J].PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyofLondon,143(142):385-396.

[3].BoernerWM,YanWL,XiAQ.Basicequationsofradarpolarimetryanditssolutions:thecharacteristicradar-polarizationstatesforthecoherentandpartiallypolarizedcases[J].ProceedingsofSPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,1990,1317:16-79.

[4].EvangelidesSGJ,MollenauerLF,GordonJP,etal.Polarizationmultiplexingwithsolitons[J].JournalofLightwaveTechnology,1992,10(1):28-35.

[5].LeeWCY,YuY.PolarizationDiversitySystemforMobileRadio[J].CommunicationsIEEETransactionson,1972,20(5):912-923.

[6].WeiD,LiangL,ZhangM,etal.APolarizationstateModulationbasedPhysicalLayerSecurityschemeforWirelessCommunications[C]//MilitaryCommunicationsConference,Milcom2016-.IEEE,2016:1195-1201.

【本文为专栏作者“中国保密协会科学技术分会”原创稿件，转载请联系原作者】

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