你真的了解電磁波嗎？——電磁波的極化狀態(tài)
無線通信的飛速發(fā)展為我們的生活帶來了越來越多的便利，同時(shí)也帶來了無線通信數(shù)據(jù)流量的“爆炸式”增長(zhǎng)和一系列安全問題。根據(jù)電磁波理論，電磁波除了具有幅度、相位、頻率特征之外，還有極化這一基本特征。極化特征為解決目前通信所面臨的頻譜緊缺和安全性問題提供了一個(gè)新的視角，目前廣泛應(yīng)用于雷達(dá)，光通信和無線通信中。
電磁波極化
自然界的一些昆蟲、魚類和哺乳動(dòng)物能夠輕易地分辨出極化光和未極化光，并利用光的極化特性來控制運(yùn)動(dòng)路線。與之相比，人類是“極化盲”，使用肉眼難以分辨光的極化，只能使用極化濾波器等工具進(jìn)行辨別。
電磁波的極化描述的是電場(chǎng)矢量在傳播截面上隨時(shí)間變化的軌跡[1]。也就是說，電磁波在自由空間傳播時(shí)，并不是像射線一樣，而是轉(zhuǎn)著圈圈走的。根據(jù)電磁波在垂直于傳播方向平面的投影軌跡，把電磁波分為三類：線極化電磁波，圓極化電磁波，橢圓極化電磁波。
圖1不同極化狀態(tài)的電磁波傳播軌跡
電磁波極化表征
如何有效的刻畫電磁波的極化特征，是電磁波極化特征研究中的關(guān)鍵問題。1852年，Stokes引入了四個(gè)參量（stokes參數(shù)）來表征極化、未極化和部分極化光，奠定了極化表征的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)[2]。1892年,Poincare（龐加萊，法國(guó)數(shù)學(xué)家、天體力學(xué)家、數(shù)學(xué)物理學(xué)家、科學(xué)哲學(xué)家）將所有可能的極化狀態(tài)表征到單位球上，即“Poincare（龐加萊極化球）”，球上每個(gè)點(diǎn)的經(jīng)度和緯度都唯一的定義了組成極化兩個(gè)正交分量的幅度比（δ）和相位差（φ），對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的極化狀態(tài)。龐加萊球加深了人們對(duì)極化的直觀理解，成為非常有效的極化狀態(tài)表征工具。
圖2極化狀態(tài)在Poincare球上的表征
電磁波極化應(yīng)用
電磁波極化在雷達(dá)通信中的應(yīng)用
針對(duì)雷達(dá)技術(shù)中“目標(biāo)在哪里以及是什么樣的目標(biāo)”這一核心問題，利用電磁波本身的極化矢量性，采用干擾抑制、極化濾波、目標(biāo)極化檢測(cè)等技術(shù)手手段，極大增強(qiáng)并擴(kuò)展了雷達(dá)的探測(cè)功能和應(yīng)用范圍。
1955年，美國(guó)啟動(dòng)GITA235項(xiàng)目，旨在利用極化來區(qū)分目標(biāo)和雜波[3]。1985年，世界上***部機(jī)載極化合成孔徑雷達(dá)（PolSAR）問世，標(biāo)志著PolSAR進(jìn)入了實(shí)用階段。2004年，中國(guó)電子科技集團(tuán)研制的機(jī)載雙極化合成孔徑雷達(dá)試飛成功。我國(guó)新一代星載合成孔徑雷達(dá)具有多頻段、多極化同時(shí)成像能力，廣泛應(yīng)用于軍事通信和民用遙感領(lǐng)域。
圖3高分辨率SAR圖像和光學(xué)圖像對(duì)比
電磁波極化在光通信中的應(yīng)用
在光通信中，信號(hào)的極化狀態(tài)通常被稱為偏振狀態(tài)。目前極化狀態(tài)在光通信中的應(yīng)用主要有偏振復(fù)用和偏振調(diào)制兩個(gè)方面。偏振復(fù)用和偏振調(diào)制利用了光信號(hào)在偏振狀態(tài)上的自由度，可與各種相位調(diào)制，幅度調(diào)制相結(jié)合，來提升頻譜效率和傳輸速率。1987年，E.Dictrich提出了偏振調(diào)制的技術(shù)，并實(shí)驗(yàn)成功560Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。1992年貝爾實(shí)驗(yàn)室SGJEvangelides實(shí)現(xiàn)了偏振狀態(tài)復(fù)用[4]。
圖4大容量光纖通信
電磁波極化在無線通信中的應(yīng)用
在目前的無線通信中，電磁波極化主要用于極化分集、極化復(fù)用、極化調(diào)制三個(gè)方面。極化分集最早由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Lee和Yeh等人在1972年提出，基本思想是利用天線的極化正交性，來實(shí)現(xiàn)分集功能[5]。極化復(fù)用與光通信中的偏振復(fù)用思想類似，即利用兩個(gè)或者多個(gè)極化狀態(tài)之間不相關(guān)特性來同時(shí)發(fā)送和接收多路不同的電磁信號(hào)，區(qū)別在于極化復(fù)用的散射環(huán)境和頻段不同。極化調(diào)制利用電磁波的極化狀態(tài)承載信息，其具有與現(xiàn)有的調(diào)制方式兼容性好，不易被檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。2016年，DWei將極化調(diào)制與傳統(tǒng)幅度相位調(diào)制結(jié)合，提出了一種更高效的無線傳輸方案，并利用硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了此方案，該方案可以用于通信效率的提升和保密通信等方面[6]。
圖5極化調(diào)制通信硬件平臺(tái)
結(jié)語(yǔ)
極化特征作為電磁波的一個(gè)基本特征，在無線通信極化信息的處理領(lǐng)域，其研究的深度和廣度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能和其重要性相稱。在無線通信中引入極化信息處理，可為解決未來無線系統(tǒng)容量提升，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存，頻譜稀缺等熱點(diǎn)問題開辟新的路徑，具有良好的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：
[1].莊釗文.雷達(dá)極化信息處理及其應(yīng)用[M].國(guó)防工業(yè)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.
【本文為51CTO專欄作者“中國(guó)保密協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)分會(huì)”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者】
