无线通信的飞速发展为我们的生活带来了越来越多的便利，同时也带来了无线通信数据流量的“爆炸式”增长和一系列安全问题。根据电磁波理论，电磁波除了具有幅度、相位、频率特征之外，还有极化这一基本特征。极化特征为解决目前通信所面临的频谱紧缺和安全性问题提供了一个新的视角，目前广泛应用于雷达，光通信和无线通信中。
电磁波极化
自然界的一些昆虫、鱼类和哺乳动物能够轻易地分辨出极化光和未极化光，并利用光的极化特性来控制运动路线。与之相比，人类是“极化盲”，使用肉眼难以分辨光的极化，只能使用极化滤波器等工具进行辨别。
电磁波的极化描述的是电场矢量在传播截面上随时间变化的轨迹[1]。也就是说，电磁波在自由空间传播时，并不是像射线一样，而是转着圈圈走的。根据电磁波在垂直于传播方向平面的投影轨迹，把电磁波分为三类：线极化电磁波，圆极化电磁波，椭圆极化电磁波。
图1不同极化状态的电磁波传播轨迹
电磁波极化表征
如何有效的刻画电磁波的极化特征，是电磁波极化特征研究中的关键问题。1852年，Stokes引入了四个参量（stokes参数）来表征极化、未极化和部分极化光，奠定了极化表征的数学理论基础[2]。1892年,Poincare（庞加莱，法国数学家、天体力学家、数学物理学家、科学哲学家）将所有可能的极化状态表征到单位球上，即“Poincare（庞加莱极化球）”，球上每个点的经度和纬度都唯一的定义了组成极化两个正交分量的幅度比（δ）和相位差（φ），对应着一个特定的极化状态。庞加莱球加深了人们对极化的直观理解，成为非常有效的极化状态表征工具。
图2极化状态在Poincare球上的表征
电磁波极化应用
电磁波极化在雷达通信中的应用
针对雷达技术中“目标在哪里以及是什么样的目标”这一核心问题，利用电磁波本身的极化矢量性，采用干扰抑制、极化滤波、目标极化检测等技术手手段，极大增强并扩展了雷达的探测功能和应用范围。
1955年，美国启动GITA235项目，旨在利用极化来区分目标和杂波[3]。1985年，世界上***部机载极化合成孔径雷达（PolSAR）问世，标志着PolSAR进入了实用阶段。2004年，中国电子科技集团研制的机载双极化合成孔径雷达试飞成功。我国新一代星载合成孔径雷达具有多频段、多极化同时成像能力，广泛应用于军事通信和民用遥感领域。
图3高分辨率SAR图像和光学图像对比
电磁波极化在光通信中的应用
在光通信中，信号的极化状态通常被称为偏振状态。目前极化状态在光通信中的应用主要有偏振复用和偏振调制两个方面。偏振复用和偏振调制利用了光信号在偏振状态上的自由度，可与各种相位调制，幅度调制相结合，来提升频谱效率和传输速率。1987年，E.Dictrich提出了偏振调制的技术，并实验成功560Mbit/s的数据传输。1992年贝尔实验室SGJEvangelides实现了偏振状态复用[4]。
图4大容量光纤通信
电磁波极化在无线通信中的应用
在目前的无线通信中，电磁波极化主要用于极化分集、极化复用、极化调制三个方面。极化分集最早由贝尔实验室的Lee和Yeh等人在1972年提出，基本思想是利用天线的极化正交性，来实现分集功能[5]。极化复用与光通信中的偏振复用思想类似，即利用两个或者多个极化状态之间不相关特性来同时发送和接收多路不同的电磁信号，区别在于极化复用的散射环境和频段不同。极化调制利用电磁波的极化状态承载信息，其具有与现有的调制方式兼容性好，不易被检测的优点。2016年，DWei将极化调制与传统幅度相位调制结合，提出了一种更高效的无线传输方案，并利用硬件平台实现了此方案，该方案可以用于通信效率的提升和保密通信等方面[6]。
图5极化调制通信硬件平台
结语
极化特征作为电磁波的一个基本特征，在无线通信极化信息的处理领域，其研究的深度和广度还远远不能和其重要性相称。在无线通信中引入极化信息处理，可为解决未来无线系统容量提升，异构网络共存，频谱稀缺等热点问题开辟新的路径，具有良好的理论价值和应用前景。
参考文献：
[1].庄钊文.雷达极化信息处理及其应用[M].国防工业出版社,1999.
[2].StokesGG.OntheChangeofRefrangibilityofLight.No.II[J].PhilosophicaltransactionsoftheRoyalSocietyofLondon,143(142):385-396.
[3].BoernerWM,YanWL,XiAQ.Basicequationsofradarpolarimetryanditssolutions:thecharacteristicradar-polarizationstatesForthecoherentandpartiallypolarizedcases[J].ProceedingsofSPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,1990,1317:16-79.
[4].EvangelidesSGJ,MollenauerLF,GordonJP,etal.Polarizationmultiplexingwithsolitons[J].JournalofLightwaveTechnology,1992,10(1):28-35.
[5].LeeWCY,YuY.PolarizationDiversitySystemforMobileRadio[J].CommunicationsIEEETransactionson,1972,20(5):912-923.
[6].WeiD,LiangL,ZhangM,etal.APolarizationstateModulationbasedPhysicalLayerSecurityschemeforWirelessCommunications[C]//MilitaryCommunicationsConference,Milcom2016-.IEEE,2016:1195-1201.
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电磁波有害吗?
电磁波会扰乱人体自然生理节律，导致机体平衡紊乱，引发头痛、头晕、失眠、健忘等神经衰弱症状；使人乏力、食欲不振、烦躁易怒；还能使人体热调节系统失调，导致心率加快、血压升高或降低、呼吸障碍、白细胞减少；对心血管疾病的发生及恶化起着推波助澜的作用。 电磁波使体内生物电发生干扰和紊乱，导致脑电图、心电图检查异常，延误疾病诊断，影响治疗。 由于电磁波的穿透力强，故不仅作用于体表，而且可深入内层组织和器官，往往人体还未感到疼痛，内层组织己受到损伤，它还促使癌组织生长，致使癌发病率增高。 电磁波还会引起视力下降。 当强度为100毫瓦/厘米2的电磁波照射眼睛时，会使晶体发生水肿，可发展成白内障，甚至会导致失明。 强度为5毫瓦/厘米2～10毫瓦/厘米2的电磁波，人的皮肤感觉虽不明显，但可影响生育和遗传。 妇女在电磁波作用下，月经周期发生明显改变，可引起孕妇流产和基因缺陷，可增加小儿出生后癌症的发病率。 长期处于强电磁波作用下的儿童，其癌症发病率比在低电磁波下的儿童高2～5倍，电磁波也是白血病、淋巴癌、脑肿瘤的诱因。 高频焊接、高频淬火、高频熔炼、射频溅射、电子管排硅对接、半导体封容、短波与微波理疗、微波加热等在工业、医疗、交通等领域广泛应用，广播电视、通讯基站及信号发射台（塔）发射功率越来越大，各种移动通讯基站密布，天线林立，使局部空间的电磁彼强度过高。 受到电磁波影响最直接最严重的是电视台、广播电台、雷达通讯站（台）及发射塔周围的居民。 这些强大的电磁波（一般功率10～90千瓦），可损伤人的血液和眼睛，损伤染色体，产生畸形胎儿，甚至导致中枢神经失常。 人们通过长期研究后发现，纵横交错的高压线除破坏环境美观外，由于在其周围产生电磁场，对附近的人会产生有害影响。 这主要决定于电磁场强度。 人们接触到电磁场强度达到50～200千伏/米时，可出现头痛、头晕、疲乏、睡眠不佳，食欲不振，血液、心血管系统及中枢神经系统异常等。 当然这里指的是电压在100千米以上的超高压输电线路，按规定一般不许从居民区通过，所以，一般人可免受其危害。 而城市及居民区常见的多是电压1千米以下的配电线路，架设在规定高度，对人体的影响甚微。 1～100千米之间的高压输电线路，不得不通过居民区时，按规定架设高度应距地面6．5米以上。 有关资料表明：电脑显示器所发出的电磁波辐射，长期作用，会使女性的内分泌和生殖机能产生不良影响，危害生殖细胞和早期胚胎发育，对怀孕头3个月胎儿所造成的危害程度比妊娠中晚期要大的多。 人们对手机的电磁辐射问题十分关注。 尽管到目前为止，关于手机对使用者的电磁波危害，特别是致病机理尚无定论，但环保部门对手机辐射的监测结果已表明，使用手机时，局部环境有超过标准限值的强电磁波。 虽然手机电话的发射功率己有所减小，但由于通话时手机天线离大脑过近（5～10厘米），长时间通话则受到电磁辐射。 目前己有一些研究及报道表明，经常使用手机电话，会对人体产生不良反应（如头痛、头部局部发热、眼痛、流泪等），由于电磁辐射对人的作用有一个积累的过程，研究也需要较长周期，所以，目前还没有定论，但应引起人们的警惕。
为什么电磁波的传播速度和光一样快
按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。 如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是工频电磁波、无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线及r射线。 以无线电的波长最长，宇宙射线的波长最短。 无线电波3000米～0.3毫米。 红外线0.3毫米～0.75微米。 可见光0.7微米～0.4微米。 紫外线0.4微米～10毫微米X射线 10毫微米～0.1毫微米γ射线0.1毫微米～0.001毫微米高能射线小于0.001毫微米传真（电视）用的波长是3～6米；雷达用的波长更短，3米到几豪米。 其速度等于光速c（每秒3×10的8次方米）。 在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长λ，电磁每秒钟变动的次数便是频率f。 三者之间的关系可通过公式c=λf。
电磁波长什么样子？
电磁波是看不见的但是它的传播像水波那样故称为电磁波 从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。 正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的电磁波。 电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。
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