偏振光在海水信道中传输的退偏特性研究

赵士成

摘 要：光的偏振信息在海洋光学中有重要应用，通过对光偏振的检测可以得知海水部分光学性质。本文通过蒙特卡洛模拟方法，结合海水信道的光学性质和光子的量子特性（每次和粒子作用都是概率性的被吸收）模拟了光子在海水中的传输过程，研究了其衰减和偏振特性。我们的结果表明，光在海水中传输，信道中粒子散射对光偏振的影响很小，引起的退偏比变化在10-5量级。

關键词：偏振光 海洋光学 退偏振 衰减系数

中图分类号：TN929.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0009-02

光的偏振信息在海洋光学中有重要地位，研究光子的偏振态可以应用于诸多领域，通常在进行蒙特卡洛模拟时候不考虑光的量子特性，在判断光子是否被吸收时候采用阈值与光子的权重进行比较；本文在进行蒙特卡洛模拟时考虑了光子的量子特性，光子每次与粒子作用都有一定的概率被吸收。

1 海水中光子的散射

1.1 海水信道

光在海水信道中传输，将会与海水相互作用。海水中粒子比较复杂，通常采用一分布函数就可描述海水中粒子半径在0.5到100um的粒径分布情况，其表达式如下：

（1）

为参考直径；为粒子数密度。

1.2 Mie理论

斯托克斯矢量完全包含光子的偏振信息，为简化模型，假定与光子作用的颗粒为球形粒子，此时单次散射化简为：

（2）

公式中4×4的矩阵被称作Mueller矩阵。是散射角，，，和由散射振幅函数求得的。

2 蒙特卡洛模拟流程

初始时刻假定光子沿着（0，0，1）入射，初始位置为（0，0，0），选择一个初始参考平面（如XOY），入射Stokes矢量S0根据该平面规定。光子在介质中传播时随机步长为：

（3）

P是（0，1]之间的随机数，每产生一个随机步长该光子就碰到粒子。碰到粒子后根据公式（1）对碰撞粒子进行抽样，确定粒子的参数。

光传输的一个重要问题就是确定散射角和方位角，在本程序中根据散射相函数求得散射角和方位角，散射相函数为：

（4）

选择散射角和相位角的过程是：随机的产生一个0到1之间的数，以及一个0到的随机角度和一个0到的角度，若≤，则认为该角度和是本次散射的散射角和方位角；若≥，则重新产生一个随机数和两个随机角度进行比对。

在海水信道中权重因子，表示光子在碰撞时候的生存几率。根据量子力学原理判断光子在碰撞时是否被吸收。具体操作是：产生一个随机数和进行比较，若，则光子被吸收；若，则光子被散射。光子传输至探测器所在位置后，若满足口径和视场角的条件则可以被探测到。

3 结果和讨论

通过蒙特卡洛模拟程序研究了偏振光子在一类水体中的传输特性，为简化模型，模拟选择数据时主要参考浮游生物的参数：（如表1）

（1）光的衰减。

光的衰减情况将会影响光传输的效率，因而首先我们模拟了在三种不同浑浊程度的海水中光的衰减情况传输随着距离的增加光子数目在不断减少，对不同浑浊度的海水，最大距离也不相同，对于清澈的海水，在传输距离为100 m处，接收到的光子数为发射光子数的4.9%左右，这和理论值5%也很接近。

模拟波长为480 nm的光在清澈海水中传输至60 m光子衰减随着口径和视场角的变化，结果如图2，从图中数据可以看出，光子总数随着口径的和视场角的增加而增加，但程度很低，因此口径和视场角的大小对效率有影响，但并不明显。在考虑到背景光的影响之后，研究光偏振的变化应选择小口径和小视场角。

（2）退偏比。

图3是研究退偏比随着接收端口径和视场角的变化。可以看出随着口径和视场角的增加，接收到光子的退偏比也在增加，但是其退偏比几乎为0，说明接收到的光子的状态和光子初始状态基本相同。分析其原因：首先，探测到光子大多未经散射的；其次，散射光子中绝大多数发生散射一次的小角度散射就被探测到。故我们得出以下结论，海水信道中粒子散射对光子的偏振态影响不大。

4 结论

本文结合海水的光学性质以及光子的量子性，通过数值模拟研究偏振光在海水中的传输特性。研究了在清澈海水中光子的衰减情况和偏振态变化情况，并研究光子的退偏比随接收端口径和视场角的变化情况。我们的研究结果表明，海水信道对光子的偏振态影响不大，退偏比的变化在10-5量级。

参考文献

[1] 张凤丽.基于可见光的水下宽带无线通信仿真研究[D].中国海洋大学，2010.

[2] 何谷强.蓝绿激光通信下行信道Monte Carlo仿真和建模[D].华中科技大学，2009.