本發(fā)明涉及基于聲學(xué)軌道角動(dòng)量多路復(fù)用的信號(hào)傳輸方法，屬于聲波信號(hào)傳輸領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

海洋是各種礦產(chǎn)、油氣和生物資源的巨大寶庫(kù)。隨著人類文明的發(fā)展，海洋的戰(zhàn)略地位日益突顯，各國(guó)都積極開(kāi)發(fā)利用海洋資源和空間，采用各種先進(jìn)手段實(shí)現(xiàn)水下通訊信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。海洋探索的進(jìn)一步深入對(duì)在水下進(jìn)行通訊信號(hào)的高效傳輸提出了更高的要求。在海水中，光波和無(wú)線電波的衰減都十分嚴(yán)重，傳播距離非常有限，難以滿足人類海洋活動(dòng)的需要。聲波是目前唯一能夠在海洋中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播的能量形式，因此，在海洋測(cè)繪、海上維權(quán)活動(dòng)、海洋科學(xué)研究和軍事等方面的眾多活動(dòng)中，聲波是其主要使用的信號(hào)載體和技術(shù)手段。

為了提高通訊信號(hào)的信道容量，目前普遍采用時(shí)分多路復(fù)用和頻分多路復(fù)用的處理方法，其主要原理是基于將信息編碼在不同時(shí)間段或不同頻率范圍的載體波中。然而，由于所需傳輸?shù)男盘?hào)可能存在不同時(shí)間或頻率范圍的混疊，將導(dǎo)致編解碼后所接收的信號(hào)與原始信號(hào)有較大失真。此外，僅使用時(shí)間或頻率一個(gè)自由度作為編解碼的基矢，只能在有限的范圍內(nèi)擴(kuò)充信道容量。利用獨(dú)立于時(shí)域和頻域之外新的自由度以進(jìn)一步高效地?cái)U(kuò)充聲信號(hào)傳輸?shù)男诺廊萘浚哂兄匾目茖W(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

聲場(chǎng)軌道角動(dòng)量作為獨(dú)立于時(shí)間和頻率的新自由度，成為擴(kuò)充聲學(xué)通訊信號(hào)傳輸信道容量的全新選擇。圍繞發(fā)展更精確、更高效、更大容量的新一代聲學(xué)通訊信號(hào)傳輸?shù)闹卮笮枨?，我們研究了利用聲?chǎng)軌道角動(dòng)量作為新的自由度、結(jié)合傳統(tǒng)的時(shí)域、頻率作為信號(hào)編解碼的基矢，用以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步增強(qiáng)信道容量、實(shí)現(xiàn)精確高效的聲學(xué)通訊信號(hào)傳輸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于聲學(xué)軌道角動(dòng)量多路復(fù)用的信號(hào)傳輸方法，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)將信號(hào)加載在不同階數(shù)的渦旋場(chǎng)的聲壓值中進(jìn)行同步傳輸，同時(shí)能夠利用設(shè)計(jì)的解調(diào)超表面實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信息的高效率分離、檢測(cè)。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的基于聲學(xué)軌道角動(dòng)量多路復(fù)用的信號(hào)傳輸方法，包括以下步驟：

(1)使用若干個(gè)微型揚(yáng)聲器組成揚(yáng)聲器陣列，產(chǎn)生不同階數(shù)聲學(xué)軌道角動(dòng)量的聲波作為獨(dú)立的信號(hào)通道，不同階數(shù)聲學(xué)軌道角動(dòng)量的聲波為不同的通道，將每一組由0-1構(gòu)成的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流編碼在一組通道的聲波的幅值和相位上，作為信號(hào)源；

(2)輸入端的信號(hào)源經(jīng)過(guò)傳輸管將信號(hào)源的聲波信號(hào)傳輸?shù)揭来卧O(shè)有的解調(diào)超表面，每一個(gè)解調(diào)超表面后方設(shè)有傳聲器檢測(cè)到的聲波信號(hào)即為原始輸入的數(shù)據(jù)流。解調(diào)超表面、傳聲器都優(yōu)選放置在傳輸管道內(nèi)部末端。

作為優(yōu)選，所述微型揚(yáng)聲器有16個(gè)，等間隔排列為2圈，其中每一圈包含8個(gè)揚(yáng)聲器，每個(gè)揚(yáng)聲器的角度間隔為45°，第一圈陣列的半徑為35mm，第二圈陣列的半徑為60mm。由8臺(tái)信號(hào)發(fā)生器獨(dú)立地對(duì)揚(yáng)聲器陣列的每個(gè)單元輸入信號(hào)，第一圈和第二圈陣列中相同角度上的2個(gè)揚(yáng)聲器單元由同一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器提供輸入信號(hào)。

作為優(yōu)選，所述傳輸管為波導(dǎo)管。

作為優(yōu)選，所述波導(dǎo)管為80mm的剛性亞克力玻璃圓柱波導(dǎo)管。

作為優(yōu)選，相鄰兩個(gè)解調(diào)超表面的間距至少為兩個(gè)入射聲波波長(zhǎng)。

作為優(yōu)選，所述解調(diào)超表面包括同軸的四層圓柱面，相鄰圓柱面之間形成管道，每層圓柱面朝向軸線的一面上沿軸向分布有若干個(gè)圓環(huán)狀的型腔，型腔面向軸線的一側(cè)設(shè)有圓環(huán)狀的開(kāi)口，在軸線上均勻分布有若干個(gè)連接板，連接板的一端位于最外層的圓柱面上，連接板將圓環(huán)狀的型腔分割為八個(gè)扇形腔體；整個(gè)裝置的材料均為聲學(xué)超材料。

本發(fā)明的原理：攜帶軌道角動(dòng)量的聲渦旋場(chǎng)的重要特點(diǎn)是具有螺旋形的波陣面形狀，以及其在中心軸上的聲壓值p為零。聲渦旋場(chǎng)波陣面的螺旋程度用拓?fù)潆A數(shù)來(lái)描述，階數(shù)越高意味著波陣面的螺旋程度越大。聲學(xué)平面波可以視為階數(shù)為0的特殊渦旋場(chǎng)，其在聲場(chǎng)中具有均勻的聲壓值p。因此，我們考慮將具有不同階數(shù)的軌道角動(dòng)量作為信息傳遞的基本載體，將不同的信息加載在階數(shù)不同的聲渦旋場(chǎng)聲壓值p中，由不同階數(shù)的聲學(xué)渦旋場(chǎng)組成多路復(fù)用信號(hào)，實(shí)現(xiàn)基于聲學(xué)軌道角動(dòng)量的多路復(fù)用信息傳輸。在接收端，我們將一系列階數(shù)為-1的聲學(xué)解調(diào)超表面順序排列起來(lái)，當(dāng)由不同階數(shù)的聲渦旋場(chǎng)組成的多路復(fù)用信號(hào)每經(jīng)過(guò)一層解調(diào)超表面時(shí)，渦旋場(chǎng)的階數(shù)將降低1階，即初始階數(shù)為m的渦旋場(chǎng)，在經(jīng)過(guò)m層解調(diào)超表面后，將被轉(zhuǎn)化為階數(shù)為0的聲學(xué)平面波，其在聲場(chǎng)中心處的聲壓值p代表的就是m階初始聲渦旋場(chǎng)所加載的信息。此時(shí)，多路復(fù)用信號(hào)中其它階數(shù)不等于m的聲渦旋場(chǎng)雖然階數(shù)發(fā)生了變化，但是并未被轉(zhuǎn)化為0階平面波，在中心處仍保持聲壓值為0，并不干擾和影響對(duì)m階渦旋場(chǎng)中所攜帶的信息的監(jiān)測(cè)。利用這種機(jī)理，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)將信號(hào)加載在不同階數(shù)的渦旋場(chǎng)的聲壓值中進(jìn)行同步傳輸，同時(shí)能夠利用設(shè)計(jì)的解調(diào)超表面實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信息的高效率分離、檢測(cè)。此外，由于不同階數(shù)的聲渦旋場(chǎng)之間相互正交，保證傳輸過(guò)程中彼此不混疊，或者混疊很小。

有益效果：本發(fā)明所提出的基于聲學(xué)軌道角動(dòng)量的信息傳輸技術(shù)，具有接近100％的傳輸準(zhǔn)確率，能夠在已有多路復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將信道容量擴(kuò)充n倍(n為所使用的軌道角動(dòng)量的數(shù)目)，實(shí)現(xiàn)高效率、高準(zhǔn)確率、無(wú)失真的信息傳輸。此外，所使用的解調(diào)超表面具有小尺寸、制作簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)，能夠方便地整合在聲學(xué)集成器件中，將大大促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的原理示意圖。

圖2為解調(diào)超表面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2中型腔的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為不同的幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)于不同的等效波數(shù)的曲線圖。

圖5為仿真結(jié)果中兩個(gè)通道內(nèi)的64-bits信息輸入、輸出結(jié)果對(duì)比圖。

圖6為仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，兩個(gè)通道內(nèi)120-bits的輸入、輸出信號(hào)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明的基于聲學(xué)軌道角動(dòng)量多路復(fù)用的信號(hào)傳輸方法，包括以下步驟：

(1)使用16個(gè)微型揚(yáng)聲器組成揚(yáng)聲器陣列，等間隔排列為2圈，其中每一圈包含8個(gè)揚(yáng)聲器，每個(gè)揚(yáng)聲器的角度間隔為45°，第一圈陣列的半徑為35mm，第二圈陣列的半徑為60mm，由8臺(tái)信號(hào)發(fā)生器獨(dú)立地對(duì)揚(yáng)聲器陣列的每個(gè)單元輸入信號(hào)，第一圈和第二圈陣列中相同角度上的2個(gè)揚(yáng)聲器單元由同一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器提供輸入信號(hào)，產(chǎn)生1階聲學(xué)軌道角動(dòng)量的聲波作為輸入端的通道1，產(chǎn)生2階聲學(xué)軌道角動(dòng)量的聲波作為輸入端的通道2，這里的通道是由抽象的物理量即不同階數(shù)的軌道角動(dòng)量來(lái)區(qū)分的，在空間上并不顯示出區(qū)別，這16個(gè)揚(yáng)聲器同時(shí)組成各個(gè)通道的輸入；

(2)將每一組由0-1構(gòu)成的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流編碼在一組通道的聲波的幅值和相位上，例如我們使用二進(jìn)制相移編碼技術(shù)(binaryphaseshiftkeying)，以相位值0代表數(shù)據(jù)0，以相位值π代表數(shù)據(jù)1，同樣可以采用其他的編碼方法，如正交振幅調(diào)制(quadratureamplitudemodulation),將數(shù)據(jù)編碼在通道1和通道2的聲波中；

(3)通道1和通道2的聲波信號(hào)進(jìn)入到傳輸通道內(nèi)，傳輸通道為80mm的剛性亞克力玻璃圓柱波導(dǎo)管，信號(hào)依次通過(guò)同軸設(shè)置的若干個(gè)解調(diào)超表面，每個(gè)解調(diào)超表面后方的傳聲器檢測(cè)到的聲波信號(hào)即為原始輸入的數(shù)據(jù)流，傳聲器檢測(cè)到的聲波的相位(0，π)和幅值(0，1)即代表了原始輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。

如圖2和圖3所示，所述解調(diào)超表面包括同軸的四層圓柱面，相鄰圓柱面之間形成管道，每層圓柱面朝向軸線的一面上沿軸向分布有若干個(gè)圓環(huán)狀的型腔，型腔面向軸線的一側(cè)設(shè)有圓環(huán)狀的開(kāi)口，在軸線上均勻分布有若干個(gè)連接板，連接板的一端位于最外層的圓柱面上，連接板將圓環(huán)狀的型腔分割為八個(gè)扇形腔體；整個(gè)裝置的材料均為聲學(xué)超材料。圓柱形結(jié)構(gòu)的半徑為0.53λ，在傳播方向的厚度l＝0.5λ，λ是入射聲波的波長(zhǎng)，例如，在后續(xù)的結(jié)果展示中，我們?cè)O(shè)定背景介質(zhì)為空氣，其密度和聲速分別為1.21kg/m³和343m/s，入射聲波的頻率為2287hz，其波長(zhǎng)λ＝0.15m。圖3是單個(gè)扇形區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖，每一個(gè)扇形區(qū)域的內(nèi)部都分為四層，每一層由四個(gè)腔體和連通的管道組成。其中每一層在半徑方向上的總高度h＝0.1λ，橫向的長(zhǎng)直管道的高度為h1。通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)h1，可以得到在結(jié)構(gòu)中不同的等效聲波波數(shù)，即不同的幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)于不同的等效波數(shù)，其具體關(guān)系如圖4所示，在所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的每一層中，等效的波數(shù)k^eff/k、透射率大小|t|隨結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)h1/h的變化關(guān)系，其中k是在背景介質(zhì)中入射聲波的波數(shù)，在以空氣為背景介質(zhì)，頻率為2287hz的入射聲波，k＝41.9/m。在八個(gè)不同角度上的扇形區(qū)域中所需的等效波數(shù)k^eff/k分別為0，1/4，1/2，3/4，1，5/4，3/2，7/4。圖4中黑色的圓點(diǎn)表示設(shè)計(jì)階數(shù)為-1的解調(diào)超表面所具體選擇的幾何參數(shù)點(diǎn)。若要設(shè)計(jì)其他階數(shù)的解調(diào)超表面，只需要根據(jù)圖4中的曲線關(guān)系，選擇相對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)即可。

在本發(fā)明中，在接收端，利用半徑為80mm的解調(diào)超表面對(duì)階數(shù)不同的軌道角動(dòng)量的聲波進(jìn)行解調(diào)。將2個(gè)-1階的解調(diào)超表面順序擺放在接收端，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相距一定距離，實(shí)驗(yàn)和仿真中設(shè)為1米，該距離沒(méi)有固定限制，大于2個(gè)波長(zhǎng)即可，此處波長(zhǎng)為15cm。若多路復(fù)用信號(hào)中包含階數(shù)更高的聲波成分，只需再順序多擺放對(duì)應(yīng)的幾個(gè)解調(diào)超表面即可。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示：

仿真中，背景介質(zhì)設(shè)定為空氣，入射聲波的頻率為2287hz，周期為t0＝4.37×10^-4s，解調(diào)超表面的材料為abs塑料。其他聲學(xué)阻抗足夠大的材料同樣能夠用來(lái)制作所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，只需要材料的聲學(xué)阻抗大于空氣聲阻抗的300倍即可，例如各類金屬、合金等材料，都能夠最為備選材料。

我們將待傳輸?shù)男畔⒓虞d在1階和2階聲渦旋場(chǎng)的聲壓相位中，兩種渦旋場(chǎng)分別作為通道1和通道2，攜帶信息同時(shí)傳輸。使用周期為20t0，占空比為0.7的調(diào)制信號(hào)對(duì)輸入的信息進(jìn)行調(diào)制。圖5展示了在兩個(gè)通道內(nèi)64-bits信息的輸入和輸出結(jié)果對(duì)比。

我們開(kāi)展了具體的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證采用聲學(xué)軌道角動(dòng)量作為新的自由度的信息傳輸效果。實(shí)驗(yàn)中解調(diào)超表面的材料同樣采用abs塑料。我們將兩路120-bits的信號(hào)同時(shí)加載在1階和2階的聲渦旋場(chǎng)中進(jìn)行同步傳輸，在接收端順序放置兩層解調(diào)超表面，分別用于檢測(cè)1階和2階渦旋場(chǎng)中攜帶的信息。圖6顯示了在實(shí)驗(yàn)和仿真的結(jié)果中，兩個(gè)通道內(nèi)的輸入輸出信息對(duì)比.

圖5和圖6從實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果上同時(shí)證明了，所提出的基于聲學(xué)軌道角動(dòng)量的信息傳輸技術(shù)，具有接近于100％的傳輸準(zhǔn)確率，能夠在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將擴(kuò)充信息傳輸容量擴(kuò)大n倍(n為所采用的聲學(xué)軌道角動(dòng)量的數(shù)目)，實(shí)現(xiàn)聲學(xué)信息的高效、準(zhǔn)確傳輸。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。