偏振光在海水信道中傳輸?shù)耐似匦匝芯?/h1>
2014-10-22 18:20:44趙士成
科技資訊 2014年19期
趙士成
摘 要：光的偏振信息在海洋光學(xué)中有重要應(yīng)用，通過(guò)對(duì)光偏振的檢測(cè)可以得知海水部分光學(xué)性質(zhì)。本文通過(guò)蒙特卡洛模擬方法，結(jié)合海水信道的光學(xué)性質(zhì)和光子的量子特性（每次和粒子作用都是概率性的被吸收）模擬了光子在海水中的傳輸過(guò)程，研究了其衰減和偏振特性。我們的結(jié)果表明，光在海水中傳輸，信道中粒子散射對(duì)光偏振的影響很小，引起的退偏比變化在10-5量級(jí)。
關(guān)鍵詞：偏振光 海洋光學(xué) 退偏振 衰減系數(shù)
中圖分類號(hào)：TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）07（a）-0009-02
光的偏振信息在海洋光學(xué)中有重要地位，研究光子的偏振態(tài)可以應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，通常在進(jìn)行蒙特卡洛模擬時(shí)候不考慮光的量子特性，在判斷光子是否被吸收時(shí)候采用閾值與光子的權(quán)重進(jìn)行比較；本文在進(jìn)行蒙特卡洛模擬時(shí)考慮了光子的量子特性，光子每次與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
光在海水信道中傳輸，將會(huì)與海水相互作用。海水中粒子比較復(fù)雜，通常采用一分布函數(shù)就可描述海水中粒子半徑在0.5到100um的粒徑分布情況，其表達(dá)式如下：
（1）
為參考直徑；為粒子數(shù)密度。
1.2 Mie理論
斯托克斯矢量完全包含光子的偏振信息，為簡(jiǎn)化模型，假定與光子作用的顆粒為球形粒子，此時(shí)單次散射化簡(jiǎn)為：
（2）
公式中4×4的矩陣被稱作Mueller矩陣。是散射角，，，和由散射振幅函數(shù)求得的。
2 蒙特卡洛模擬流程
初始時(shí)刻假定光子沿著（0，0，1）入射，初始位置為（0，0，0），選擇一個(gè)初始參考平面（如XOY），入射Stokes矢量S0根據(jù)該平面規(guī)定。光子在介質(zhì)中傳播時(shí)隨機(jī)步長(zhǎng)為：
（3）
P是（0，1]之間的隨機(jī)數(shù)，每產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)步長(zhǎng)該光子就碰到粒子。碰到粒子后根據(jù)公式（1）對(duì)碰撞粒子進(jìn)行抽樣，確定粒子的參數(shù)。
光傳輸?shù)囊粋€(gè)重要問(wèn)題就是確定散射角和方位角，在本程序中根據(jù)散射相函數(shù)求得散射角和方位角，散射相函數(shù)為：
（4）
選擇散射角和相位角的過(guò)程是：隨機(jī)的產(chǎn)生一個(gè)0到1之間的數(shù)，以及一個(gè)0到的隨機(jī)角度和一個(gè)0到的角度，若≤，則認(rèn)為該角度和是本次散射的散射角和方位角；若≥，則重新產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)和兩個(gè)隨機(jī)角度進(jìn)行比對(duì)。
在海水信道中權(quán)重因子，表示光子在碰撞時(shí)候的生存幾率。根據(jù)量子力學(xué)原理判斷光子在碰撞時(shí)是否被吸收。具體操作是：產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)和進(jìn)行比較，若，則光子被吸收；若，則光子被散射。光子傳輸至探測(cè)器所在位置后，若滿足口徑和視場(chǎng)角的條件則可以被探測(cè)到。
3 結(jié)果和討論
通過(guò)蒙特卡洛模擬程序研究了偏振光子在一類水體中的傳輸特性，為簡(jiǎn)化模型，模擬選擇數(shù)據(jù)時(shí)主要參考浮游生物的參數(shù)：（如表1）
（1）光的衰減。
光的衰減情況將會(huì)影響光傳輸?shù)男?，因而首先我們模擬了在三種不同渾濁程度的海水中光的衰減情況傳輸隨著距離的增加光子數(shù)目在不斷減少，對(duì)不同渾濁度的海水，最大距離也不相同，對(duì)于清澈的海水，在傳輸距離為100 m處，接收到的光子數(shù)為發(fā)射光子數(shù)的4.9%左右，這和理論值5%也很接近。
模擬波長(zhǎng)為480 nm的光在清澈海水中傳輸至60 m光子衰減隨著口徑和視場(chǎng)角的變化，結(jié)果如圖2，從圖中數(shù)據(jù)可以看出，光子總數(shù)隨著口徑的和視場(chǎng)角的增加而增加，但程度很低，因此口徑和視場(chǎng)角的大小對(duì)效率有影響，但并不明顯。在考慮到背景光的影響之后，研究光偏振的變化應(yīng)選擇小口徑和小視場(chǎng)角。
（2）退偏比。
圖3是研究退偏比隨著接收端口徑和視場(chǎng)角的變化?？梢钥闯鲭S著口徑和視場(chǎng)角的增加，接收到光子的退偏比也在增加，但是其退偏比幾乎為0，說(shuō)明接收到的光子的狀態(tài)和光子初始狀態(tài)基本相同。分析其原因：首先，探測(cè)到光子大多未經(jīng)散射的；其次，散射光子中絕大多數(shù)發(fā)生散射一次的小角度散射就被探測(cè)到。故我們得出以下結(jié)論，海水信道中粒子散射對(duì)光子的偏振態(tài)影響不大。
4 結(jié)論
本文結(jié)合海水的光學(xué)性質(zhì)以及光子的量子性，通過(guò)數(shù)值模擬研究偏振光在海水中的傳輸特性。研究了在清澈海水中光子的衰減情況和偏振態(tài)變化情況，并研究光子的退偏比隨接收端口徑和視場(chǎng)角的變化情況。我們的研究結(jié)果表明，海水信道對(duì)光子的偏振態(tài)影響不大，退偏比的變化在10-5量級(jí)。
參考文獻(xiàn)
[1] 張鳳麗.基于可見(jiàn)光的水下寬帶無(wú)線通信仿真研究[D].中國(guó)海洋大學(xué)，2010.
[2] 何谷強(qiáng).藍(lán)綠激光通信下行信道Monte Carlo仿真和建模[D].華中科技大學(xué)，2009.
趙士成
摘 要：光的偏振信息在海洋光學(xué)中有重要應(yīng)用，通過(guò)對(duì)光偏振的檢測(cè)可以得知海水部分光學(xué)性質(zhì)。本文通過(guò)蒙特卡洛模擬方法，結(jié)合海水信道的光學(xué)性質(zhì)和光子的量子特性（每次和粒子作用都是概率性的被吸收）模擬了光子在海水中的傳輸過(guò)程，研究了其衰減和偏振特性。我們的結(jié)果表明，光在海水中傳輸，信道中粒子散射對(duì)光偏振的影響很小，引起的退偏比變化在10-5量級(jí)。
關(guān)鍵詞：偏振光 海洋光學(xué) 退偏振 衰減系數(shù)
中圖分類號(hào)：TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）07（a）-0009-02
光的偏振信息在海洋光學(xué)中有重要地位，研究光子的偏振態(tài)可以應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，通常在進(jìn)行蒙特卡洛模擬時(shí)候不考慮光的量子特性，在判斷光子是否被吸收時(shí)候采用閾值與光子的權(quán)重進(jìn)行比較；本文在進(jìn)行蒙特卡洛模擬時(shí)考慮了光子的量子特性，光子每次與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
光在海水信道中傳輸，將會(huì)與海水相互作用。海水中粒子比較復(fù)雜，通常采用一分布函數(shù)就可描述海水中粒子半徑在0.5到100um的粒徑分布情況，其表達(dá)式如下：
（1）
為參考直徑；為粒子數(shù)密度。
1.2 Mie理論
斯托克斯矢量完全包含光子的偏振信息，為簡(jiǎn)化模型，假定與光子作用的顆粒為球形粒子，此時(shí)單次散射化簡(jiǎn)為：
（2）
公式中4×4的矩陣被稱作Mueller矩陣。是散射角，，，和由散射振幅函數(shù)求得的。
2 蒙特卡洛模擬流程
初始時(shí)刻假定光子沿著（0，0，1）入射，初始位置為（0，0，0），選擇一個(gè)初始參考平面（如XOY），入射Stokes矢量S0根據(jù)該平面規(guī)定。光子在介質(zhì)中傳播時(shí)隨機(jī)步長(zhǎng)為：
（3）
P是（0，1]之間的隨機(jī)數(shù)，每產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)步長(zhǎng)該光子就碰到粒子。碰到粒子后根據(jù)公式（1）對(duì)碰撞粒子進(jìn)行抽樣，確定粒子的參數(shù)。
光傳輸?shù)囊粋€(gè)重要問(wèn)題就是確定散射角和方位角，在本程序中根據(jù)散射相函數(shù)求得散射角和方位角，散射相函數(shù)為：
（4）
選擇散射角和相位角的過(guò)程是：隨機(jī)的產(chǎn)生一個(gè)0到1之間的數(shù)，以及一個(gè)0到的隨機(jī)角度和一個(gè)0到的角度，若≤，則認(rèn)為該角度和是本次散射的散射角和方位角；若≥，則重新產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)和兩個(gè)隨機(jī)角度進(jìn)行比對(duì)。
在海水信道中權(quán)重因子，表示光子在碰撞時(shí)候的生存幾率。根據(jù)量子力學(xué)原理判斷光子在碰撞時(shí)是否被吸收。具體操作是：產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)和進(jìn)行比較，若，則光子被吸收；若，則光子被散射。光子傳輸至探測(cè)器所在位置后，若滿足口徑和視場(chǎng)角的條件則可以被探測(cè)到。
3 結(jié)果和討論
通過(guò)蒙特卡洛模擬程序研究了偏振光子在一類水體中的傳輸特性，為簡(jiǎn)化模型，模擬選擇數(shù)據(jù)時(shí)主要參考浮游生物的參數(shù)：（如表1）
（1）光的衰減。
光的衰減情況將會(huì)影響光傳輸?shù)男?，因而首先我們模擬了在三種不同渾濁程度的海水中光的衰減情況傳輸隨著距離的增加光子數(shù)目在不斷減少，對(duì)不同渾濁度的海水，最大距離也不相同，對(duì)于清澈的海水，在傳輸距離為100 m處，接收到的光子數(shù)為發(fā)射光子數(shù)的4.9%左右，這和理論值5%也很接近。
模擬波長(zhǎng)為480 nm的光在清澈海水中傳輸至60 m光子衰減隨著口徑和視場(chǎng)角的變化，結(jié)果如圖2，從圖中數(shù)據(jù)可以看出，光子總數(shù)隨著口徑的和視場(chǎng)角的增加而增加，但程度很低，因此口徑和視場(chǎng)角的大小對(duì)效率有影響，但并不明顯。在考慮到背景光的影響之后，研究光偏振的變化應(yīng)選擇小口徑和小視場(chǎng)角。
（2）退偏比。
圖3是研究退偏比隨著接收端口徑和視場(chǎng)角的變化?？梢钥闯鲭S著口徑和視場(chǎng)角的增加，接收到光子的退偏比也在增加，但是其退偏比幾乎為0，說(shuō)明接收到的光子的狀態(tài)和光子初始狀態(tài)基本相同。分析其原因：首先，探測(cè)到光子大多未經(jīng)散射的；其次，散射光子中絕大多數(shù)發(fā)生散射一次的小角度散射就被探測(cè)到。故我們得出以下結(jié)論，海水信道中粒子散射對(duì)光子的偏振態(tài)影響不大。
4 結(jié)論
本文結(jié)合海水的光學(xué)性質(zhì)以及光子的量子性，通過(guò)數(shù)值模擬研究偏振光在海水中的傳輸特性。研究了在清澈海水中光子的衰減情況和偏振態(tài)變化情況，并研究光子的退偏比隨接收端口徑和視場(chǎng)角的變化情況。我們的研究結(jié)果表明，海水信道對(duì)光子的偏振態(tài)影響不大，退偏比的變化在10-5量級(jí)。
參考文獻(xiàn)
[1] 張鳳麗.基于可見(jiàn)光的水下寬帶無(wú)線通信仿真研究[D].中國(guó)海洋大學(xué)，2010.
[2] 何谷強(qiáng).藍(lán)綠激光通信下行信道Monte Carlo仿真和建模[D].華中科技大學(xué)，2009.
