大气湍流信道中光束传输的偏振特性变化研究学术报告

作者及机构
本研究的通讯作者为北京大学电子学系、先进光通信系统与网络国家重点实验室的Anhong Dang（邮箱：ahdang@pku.edu.cn），合作作者包括Jiankun Zhang和Shengli Ding。研究成果发表于2017年6月20日的《Applied Optics》期刊（Vol. 56, No. 18），DOI编号为10.1364/ao.56.005145。

学术背景
自由空间光通信（Free-Space Optical Communication, FSO）因其高容量潜力成为射频通信的重要替代方案。然而，大气湍流会破坏光束的偏振态（State of Polarization, SOP），导致偏振复用（polarization multiplexing）和调制系统的性能下降。传统研究多关注湍流对光强闪烁和相位波动的影响，而偏振特性的变化机制尚不完善。本研究基于扩展惠更斯-菲涅尔原理（Extended Huygens–Fresnel, EHF），首次系统分析了湍流对偏振参数一阶矩（均值）和二阶矩（方差）的影响，并通过实验验证了理论模型。

研究流程
1. 理论建模
- 一阶矩分析：基于EHF原理推导了斯托克斯参数（Stokes parameters）的均值表达式，涵盖偏振度（Degree of Polarization, DOP）、椭圆率（ellipticity）、偏振角（polarization angle）等10个参数。通过二阶EHF积分，建立了偏振相干函数（polarization-coherence function）与传输距离、湍流强度的关系（公式5-8）。
- 二阶矩分析：引入四阶EHF原理，计算偏振参数的方差（公式19-23），重点研究湍流引起的随机波动对通信系统串扰（crosstalk）的影响。

1. 数值模拟

   • 模拟条件：波长780 nm和1550 nm，光束宽度5 mm，湍流结构常数（(C_n^2)）范围10⁻¹⁷–10⁻¹² m⁻²/³。
     
   • 关键发现：
     
     • 一阶矩参数（如DOP）在短距离（<1 km）受光源相干性主导，长距离（>10 km）受湍流主导（图2-4）；
       
     • 二阶矩参数（如斯托克斯参数方差）随湍流增强而单调递增（图7-8）。
       

2. 实验验证

   • 实验设计：搭建湍流控制链路，使用780 nm和1550 nm激光器，通过偏振分析系统（Polarization Analyzing System, PAS）实时测量SOP（图11）。
     
   • 数据采集：采集20,500帧数据，每组样本持续30秒，统计均值和标准差。
     
   • 结果对比：实验数据与理论预测高度吻合（图12-13），证实1550 nm波长光束的偏振稳定性优于780 nm。
     

主要结果
1. 一阶矩变化
- 斯托克斯参数均值随湍流增强而下降（图2），DOP和椭圆率在中等距离（1–10 km）出现非单调变化（图3），偏振角和方位角（azimuth）波动显著（图4）。
- 机制：湍流破坏空间相干性，导致偏振相干函数(W{xx})、(W{xy})、(W_{yy})的衰减速率差异。

1. 二阶矩影响

   • 斯托克斯参数方差在强湍流（(Cn^2 > 10^{-14}) m⁻²/³）下饱和（图7-8），偏振串扰（(h{xy}(\omega))）和信噪比（SNR）损失加剧（图9-10）。例如，1550 nm光束在10 km链路中，SNR下降4 dB（图10）。
     

2. 波长依赖性

   • 长波长（1550 nm）光束的偏振波动幅度显著低于短波长（780 nm），尤其在强湍流条件下（图12-13）。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次建立涵盖一阶和二阶矩的偏振统计模型，填补了湍流信道偏振特性量化分析的空白。
- 揭示了波长选择对偏振稳定性的重要性，为FSO系统设计提供理论依据。

1. 应用价值
   
   • 提出的模型可直接用于评估偏振复用系统的串扰和SNR损失（公式24-26），优化调制方案（如PolSK、PolMux）。
     
   • 实验验证的湍流控制方法（如热空气湍流模拟器）为后续研究提供了可复现的技术路径。
     

研究亮点
1. 方法创新：结合二阶和四阶EHF原理，统一分析偏振参数的均值与方差，突破了传统Rytov理论仅适用于弱起伏的局限。
2. 跨学科意义：将偏振相干理论扩展至大气光学领域，为湍流信道中的偏振调控奠定基础。
3. 工程指导性：明确1550 nm波长在长距离FSO链路中的优势，推动商用系统的波长标准化。

其他发现
- 湍流引起的偏振波动具有距离阈值效应：超过临界距离（如5 km）后，参数变化趋于饱和（图6）。
- 部分相干光源（partial coherent beam）的偏振稳定性优于完全相干光，这一发现为光源设计提供了新思路。

本研究通过理论-模拟-实验的全链条验证，为大气光通信的偏振管理提供了全面解决方案，未来可进一步探索动态湍流条件下的实时补偿技术。