你真的了解電磁波嗎？——電磁波的極化狀態
無線通信的飛速發展為我們的生活帶來了越來越多的便利，同時也帶來了無線通信數據流量的“爆炸式”增長和一系列安全問題。根據電磁波理論，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新的視角，目前廣泛應用于雷達，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動路線。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行辨別。
電磁波的極化描述的是電場矢量在傳播截面上隨時間變化的軌跡[1]。也就是說，電磁波在自由空間傳播時，并不是像射線一樣，而是轉著圈圈走的。根據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鍵問題。1852年，Stokes引入了四個參量（stokes參數）來表征極化、未極化和部分極化光，奠定了極化表征的數學理論基礎[2]。1892年,Poincare（龐加萊，法國數學家、天體力學家、數學物理學家、科學哲學家）將所有可能的極化狀態表征到單位球上，即“Poincare（龐加萊極化球）”，球上每個點的經度和緯度都唯一的定義了組成極化兩個正交分量的幅度比（δ）和相位差（φ），對應著一個特定的極化狀態。龐加萊球加深了人們對極化的直觀理解，成為非常有效的極化狀態表征工具。
圖2極化狀態在Poincare球上的表征
電磁波極化應用
電磁波極化在雷達通信中的應用
針對雷達技術中“目標在哪里以及是什么樣的目標”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、目標極化檢測等技術手手段，極大增強并擴展了雷達的探測功能和應用范圍。
1955年，美國啟動GITA235項目，旨在利用極化來區分目標和雜波[3]。1985年，世界上***部機載極化合成孔徑雷達（PolSAR）問世，標志著PolSAR進入了實用階段。2004年，中國電子科技集團研制的機載雙極化合成孔徑雷達試飛成功。我國新一代星載合成孔徑雷達具有多頻段、多極化同時成像能力，廣泛應用于軍事通信和民用遙感領域。
圖3高分辨率SAR圖像和光學圖像對比
電磁波極化在光通信中的應用
在光通信中，信號的極化狀態通常被稱為偏振狀態。目前極化狀態在光通信中的應用主要有偏振復用和偏振調制兩個方面。偏振復用和偏振調制利用了光信號在偏振狀態上的自由度，可與各種相位調制，幅度調制相結合，來提升頻譜效率和傳輸速率。1987年，E.Dictrich提出了偏振調制的技術，并實驗成功560Mbit/s的數據傳輸。1992年貝爾實驗室SGJEvangelides實現了偏振狀態復用[4]。
圖4大容量光纖通信
電磁波極化在無線通信中的應用
在目前的無線通信中，電磁波極化主要用于極化分集、極化復用、極化調制三個方面。極化分集最早由貝爾實驗室的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，來實現分集功能[5]。極化復用與光通信中的偏振復用思想類似，即利用兩個或者多個極化狀態之間不相關特性來同時發送和接收多路不同的電磁信號，區別在于極化復用的散射環境和頻段不同。極化調制利用電磁波的極化狀態承載信息，其具有與現有的調制方式兼容性好，不易被檢測的優點。2016年，DWei將極化調制與傳統幅度相位調制結合，提出了一種更高效的無線傳輸方案，并利用硬件平臺實現了此方案，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極化調制通信硬件平臺
結語
極化特征作為電磁波的一個基本特征，在無線通信極化信息的處理領域，其研究的深度和廣度還遠遠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容量提升，異構網絡共存，頻譜稀缺等熱點問題開辟新的路徑，具有良好的理論價值和應用前景。
參考文獻：
[1].莊釗文.雷達極化信息處理及其應用[M].國防工業出版社,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“中國保密協會科學技術分會”原創稿件，轉載請聯系原作者】
