电磁高斯-谢尔模型光束在海洋/陆地大气各向异性非柯尔莫哥洛夫湍流中的平均偏振特性研究学术报告

一、作者及发表信息
本研究由Jiangnan University（江南大学）的Yuanhang Zhao（第一作者）、Yixin Zhang（通讯作者）及Qiu Wang合作完成，发表于2016年12月的期刊 *Radioengineering*（第25卷第4期）。研究聚焦于电磁高斯-谢尔模型光束（Electromagnetic Gaussian Schell-Model beams, EGSM）在海洋/陆地大气各向异性非柯尔莫哥洛夫湍流（anisotropic non-Kolmogorov turbulence）中的偏振特性演化规律。

二、学术背景与目标
偏振作为光波的核心属性，在量子通信和经典光学领域（如自由空间光通信、遥感成像）中具有重要应用。然而，光束在大气湍流中传播时，其偏振态会因湍流的随机折射率波动而退化，影响通信系统的可靠性。此前研究多集中于各向同性柯尔莫哥洛夫湍流，而实际海洋/陆地大气湍流具有各向异性（anisotropy）和非柯尔莫哥洛夫（non-Kolmogorov）谱特性，且海洋环境与陆地环境的湍流参数差异显著。
本研究旨在建立EGSM光束在海洋/陆地大气各向异性非柯尔莫哥洛夫湍流中传播的平均偏振（Average Polarization, AP）理论模型，量化湍流参数（如内尺度、外尺度、折射率结构常数、各向异性因子）对偏振退化的影响，并为优化光束参数提供理论依据。

三、研究方法与流程
1. 理论建模
- 交叉谱密度矩阵：基于Wolf提出的电磁光束二阶相干理论，构建EGSM光束的2×2交叉谱密度矩阵（cross-spectral density matrix），表征其偏振和相干特性。
- 湍流相位扰动模型：引入各向异性非柯尔莫哥洛夫功率谱（式6），推导球形波的横向相干长度（式8），其中包含广义von Karman模型和海洋/陆地大气湍流参数（如Prandtl数、Obukhov-Corrsin系数）。
- 传播方程：通过抛物近似和相位相关函数近似（式4），求解EGSM光束在湍流中的传播方程（式15），得到输出平面的交叉谱密度矩阵元素。

1. 数值模拟

   • 参数设置：固定光束初始参数（σ_x = σ_y = 0.02 m），变量包括波长（λ = 850–1550 nm）、湍流内尺度（l₀ = 1–10 mm）、外尺度（L₀ = 1–10 m）、折射率结构常数（Cₙ² = 10⁻¹⁴–10⁻¹³ m³⁻ᵅ）、各向异性因子（ζ = 1–3）及谱指数（α = 3.47–3.87）。
     
   • 计算流程：通过数值积分求解横向相干长度（式10），进而计算接收孔径内的平均偏振（式20），对比海洋与陆地大气湍流的影响差异。
     

2. 数据分析

   • 通过MATLAB等工具绘制AP随各参数的变化曲线（图1–7），分析趋势并验证理论模型的合理性。
     

四、主要结果
1. 波长与湍流参数的影响
- AP随波长增加而升高（图1），1550 nm红外波段偏振稳定性优于短波长，适用于全天候通信。
- 内尺度（l₀）越小或折射率结构常数（Cₙ²）越大，AP越低（图3–4），表明小尺度涡流和强湍流加剧偏振退化。
- 各向异性湍流（ζ > 1）对AP的扰动弱于各向同性湍流（ζ = 1）（图1），说明各向异性可部分抑制偏振波动。

1. 海洋与陆地湍流对比

   • 海洋大气湍流的退偏振效应显著强于陆地（图2），因海洋环境湿度梯度导致更剧烈的折射率波动。
     

2. 光束参数优化

   • 较小的相关长度（δ_xx、δ_yy）和x方向束宽（a_x），以及较大的y方向束宽（a_y），可提升AP（图6–7），为光束设计提供指导。
     

五、结论与价值
1. 科学价值
- 首次建立了EGSM光束在海洋/陆地各向异性非柯尔莫哥洛夫湍流中的AP理论模型，填补了该领域研究空白。
- 揭示了湍流参数与偏振退化的定量关系，深化了对复杂大气环境中光传播机理的理解。

1. 应用价值
   
   • 为自由空间光通信（FSO）系统设计提供参数优化依据，如优先选择1550 nm波段、调整光束几何参数以抑制湍流干扰。
     
   • 研究成果可扩展至量子通信、遥感成像等领域，提升偏振编码信息的传输可靠性。
     

六、研究亮点
1. 创新性方法
- 结合各向异性非柯尔莫哥洛夫谱与海洋/陆地湍流模型，提出普适性更强的相位相关函数近似（式4）。
- 通过超几何函数（U(a; b; z)）解析求解横向相干长度（式10），避免了传统数值积分的复杂性。

1. 重要发现
   
   • 首次量化了海洋湍流与陆地湍流对偏振影响的差异，为跨介质通信链路设计提供理论支持。
     
   • 提出光束参数（δ_xx, a_y等）的优化组合，可直接指导工程实践。
     

七、其他价值
研究指出未来可进一步探究洁净海水湍流对偏振的影响（与大气湍流机制不同），为水下光通信研究奠定基础。