偏振光在海水信道中傳輸的退偏特性研究

趙士成

摘 要：光的偏振信息在海洋光學中有重要應用，通過對光偏振的檢測可以得知海水部分光學性質。本文通過蒙特卡洛模擬方法，結合海水信道的光學性質和光子的量子特性（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程，研究了其衰減和偏振特性。我們的結果表明，光在海水中傳輸，信道中粒子散射對光偏振的影響很小，引起的退偏比變化在10-5量級。

關鍵詞：偏振光 海洋光學 退偏振 衰減系數

中圖分類號：TN929.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0009-02

光的偏振信息在海洋光學中有重要地位，研究光子的偏振態可以應用于諸多領域，通常在進行蒙特卡洛模擬時候不考慮光的量子特性，在判斷光子是否被吸收時候采用閾值與光子的權重進行比較；本文在進行蒙特卡洛模擬時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，將會與海水相互作用。海水中粒子比較復雜，通常采用一分布函數就可描述海水中粒子半徑在0.5到100um的粒徑分布情況，其表達式如下：

（1）

為參考直徑；為粒子數密度。

1.2 Mie理論

斯托克斯矢量完全包含光子的偏振信息，為簡化模型，假定與光子作用的顆粒為球形粒子，此時單次散射化簡為：

（2）

公式中4×4的矩陣被稱作Mueller矩陣。是散射角，，，和由散射振幅函數求得的。

2 蒙特卡洛模擬流程

初始時刻假定光子沿著（0，0，1）入射，初始位置為（0，0，0），選擇一個初始參考平面（如XOY），入射Stokes矢量S0根據該平面規定。光子在介質中傳播時隨機步長為：

（3）

P是（0，1]之間的隨機數，每產生一個隨機步長該光子就碰到粒子。碰到粒子后根據公式（1）對碰撞粒子進行抽樣，確定粒子的參數。

光傳輸的一個重要問題就是確定散射角和方位角，在本程序中根據散射相函數求得散射角和方位角，散射相函數為：

（4）

選擇散射角和相位角的過程是：隨機的產生一個0到1之間的數，以及一個0到的隨機角度和一個0到的角度，若≤，則認為該角度和是本次散射的散射角和方位角；若≥，則重新產生一個隨機數和兩個隨機角度進行比對。

在海水信道中權重因子，表示光子在碰撞時候的生存幾率。根據量子力學原理判斷光子在碰撞時是否被吸收。具體操作是：產生一個隨機數和進行比較，若，則光子被吸收；若，則光子被散射。光子傳輸至探測器所在位置后，若滿足口徑和視場角的條件則可以被探測到。

3 結果和討論

通過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，為簡化模型，模擬選擇數據時主要參考浮游生物的參數：（如表1）

（1）光的衰減。

光的衰減情況將會影響光傳輸的效率，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目在不斷減少，對不同渾濁度的海水，最大距離也不相同，對于清澈的海水，在傳輸距離為100 m處，接收到的光子數為發射光子數的4.9%左右，這和理論值5%也很接近。

模擬波長為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角的變化，結果如圖2，從圖中數據可以看出，光子總數隨著口徑的和視場角的增加而增加，但程度很低，因此口徑和視場角的大小對效率有影響，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選擇小口徑和小視場角。

（2）退偏比。

圖3是研究退偏比隨著接收端口徑和視場角的變化。可以看出隨著口徑和視場角的增加，接收到光子的退偏比也在增加，但是其退偏比幾乎為0，說明接收到的光子的狀態和光子初始狀態基本相同。分析其原因：首先，探測到光子大多未經散射的；其次，散射光子中絕大多數發生散射一次的小角度散射就被探測到。故我們得出以下結論，海水信道中粒子散射對光子的偏振態影響不大。

4 結論

本文結合海水的光學性質以及光子的量子性，通過數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變化情況，并研究光子的退偏比隨接收端口徑和視場角的變化情況。我們的研究結果表明，海水信道對光子的偏振態影響不大，退偏比的變化在10-5量級。

參考文獻

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