本發(fā)明涉及一種用于快速構(gòu)建聚焦渦旋聲束的渦旋發(fā)射裝置，屬于水下數(shù)據(jù)傳輸、聲渦旋通信應用。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的平面波與渦旋光束在波前結(jié)構(gòu)上有顯著的差異。渦旋光束具有螺旋狀相位波前，其渦旋中心存在相位奇點，場強為零。這種光束的相位分布可以用數(shù)學表達式exp(ilφ)來描述，其中l(wèi)表示拓撲荷，φ為方位角。螺旋相位板（spp）是一種將平面波轉(zhuǎn)換為渦旋光束的直接而高效的器件。通過設計合適的螺旋相位結(jié)構(gòu)，spp能夠為光束引入所需的相位變化，從而生成特定模式的渦旋光束。然而，每個spp只能產(chǎn)生一種模式的渦旋光束，并且對加工精度要求嚴格，這限制了其在多模式應用中的靈活性和實用性。相比之下，可重構(gòu)的衍射光學元件，如空間光調(diào)制器和數(shù)字微鏡等，提供了更為靈活快捷的生成渦旋光束的方案。這些元件可以通過動態(tài)調(diào)整光束的相位和振幅來生成不同模式的渦旋光束，具有更高的靈活性和可調(diào)性。然而，這些方法也面臨器件體積較大且不易集成的挑戰(zhàn)，限制了其在實際應用中的廣泛推廣。超材料和超表面技術(shù)為渦旋光束的生成提供了新的解決方案。超材料和超表面具有極高的設計自由度和優(yōu)異的光學性能，能夠在亞波長尺度上調(diào)控光的相位、振幅和偏振狀態(tài)。利用這些特性，研究者們可以設計出體積小、易于集成的器件，用于高效生成和操控渦旋光束。這些新技術(shù)的應用，有望克服傳統(tǒng)方法的局限，成為未來產(chǎn)生渦旋光束的可替代方案之一。

2、由于聲波和光波在波動傳輸方面具有相似的特性，渦旋光束提出不久后，渦旋聲束也進入了研究者們的視野。渦旋聲束具有與渦旋光束類似的螺旋狀相位波前，能夠攜帶軌道角動量，展現(xiàn)出獨特的聲學特性。目前，渦旋聲束的生成技術(shù)主要分為有源和無源兩類。初期的研究通過設計螺旋形結(jié)構(gòu)的換能器來生成渦旋聲束，但這種方案只能在固定頻率下產(chǎn)生單一拓撲荷的渦旋聲束，調(diào)節(jié)能力有限。為解決這一問題，研究者們提出了利用多個換能器組成的陣列，通過控制相鄰換能器之間的相位差為2πl(wèi)/n（n為換能器數(shù)量），以形成拓撲荷為l的渦旋聲束。隨著材料和技術(shù)的發(fā)展，研究者們證明了無軌道角動量的入射聲束可以通過超表面、螺旋衍射聲柵或聲學透鏡轉(zhuǎn)化為渦旋聲束。例如，某研究提出了一種用于水下寬帶超聲三維波前整形的高折射率超表面，當平面波通過該超表面時，其波前會變成螺旋形。另一研究構(gòu)建了由多個扇形諧振器組成的聲學諧振層，通過調(diào)整管道與空腔高度的比值以獲得相同的傳輸效率，使入射平面波通過聲共振層后轉(zhuǎn)化為渦旋聲束。

3、考慮到軌道角動量可以有效提升通信容量，渦旋聲束在水下高速通信中也具有應用潛力。渦旋聲束不僅可以攜帶更多的信息量，還能夠在復雜水下環(huán)境中保持較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。未來，隨著技術(shù)的不斷進步，渦旋聲束有望在水下通信、聲學成像和聲學操控等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。通過對目前的渦旋聲束的構(gòu)建方案進行分析，我們不難發(fā)現(xiàn)利用無源方法構(gòu)建渦旋聲束往往會面臨聲學相位調(diào)制結(jié)構(gòu)單一，所構(gòu)建的渦旋聲束的拓撲荷固定不變，整體系統(tǒng)的可調(diào)性較差。而有源方法則往往需要眾多的發(fā)射源結(jié)合一個復雜的相控陣電路，需要對每個發(fā)射源進行精確的幅度與相位校準才能構(gòu)建高質(zhì)量的渦旋聲束，且當聲源個數(shù)不足時，渦旋聲束的相位連續(xù)性則會影響，導致渦旋聲束出現(xiàn)離散的聲壓分布。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提出一種用于快速構(gòu)建聚焦渦旋聲束的渦旋發(fā)射裝置，以期能高效生成和操控渦旋聲束，以提高通信的靈活性和適應性。

2、本發(fā)明為達到上述發(fā)明目的，采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明一種用于快速構(gòu)建聚焦渦旋聲束的渦旋發(fā)射裝置的特點在于，包括：一個激勵信號電路、一個圓形換能器、下層離散聲透鏡和上層離散聲透鏡；

4、所述激勵信號電路接入外部輸入電源，并以固定頻率生成單個可編程延時的方波信號后，依次經(jīng)過低通濾波器和寬帶功率放大器的處理，從而輸出單路初始幅度相位可控的正弦信號給所述圓形換能器；

5、所述圓形換能器陣列與激勵信號電路相連，并根據(jù)所接收到的正弦信號產(chǎn)生沿傳播軸的平面波目標聲束；

6、所述下層離散聲透鏡嵌套在所述圓形扇形換能器的表面，設定所述下層離散聲透鏡和圓形換能器的半徑均為a；

7、所述平面波目標聲束在所述下層離散聲透鏡中進行螺旋平方相位調(diào)制后，輸出調(diào)制后的準渦旋目標聲束，并在傳播軸上繼續(xù)進行傳播；

8、在垂直于圓形換能器陣列表面的方向上，且與下層離散聲透鏡之間的距離為d的位置上放置所述上層離散聲透鏡，令所述下層離散聲透鏡固定不動，令所述下上層離散聲透鏡的旋轉(zhuǎn)角度為[-π/2,π/2]；

9、準渦旋目標聲束在所述上層離散聲透鏡中進行平方螺旋相位與聚焦相位調(diào)制后，并以不同的折射角度偏折至傳播軸上進行傳播，并在傳播軸上的焦點位置處聚焦后，最終輸出聚焦渦旋聲束；

10、通過調(diào)整所述上層離散聲透鏡的旋轉(zhuǎn)角度，以改變所述上層離散聲透鏡與所述下層離散聲透鏡之間的相位調(diào)制效果，從而靈活調(diào)控聚焦渦旋聲束的拓撲荷，以實現(xiàn)聚焦渦旋聲束的渦旋發(fā)射。

11、本發(fā)明所述的一種用于快速構(gòu)建聚焦渦旋聲束的渦旋發(fā)射裝置的特點也在于，根據(jù)所需使用的聚焦渦旋聲束的拓撲荷的范圍，利用式(1)設計所述下層離散聲透鏡的相位調(diào)制函數(shù)，從而用于對平面波目標聲束進行螺旋平方相位調(diào)制：

12、???(1)

13、式(1)中，b為常數(shù)，所能構(gòu)建的聚焦渦旋聲束的拓撲荷的范圍與b之間存在線性關(guān)系，可根據(jù)聚焦渦旋聲束的拓撲荷的實際使用范圍確定b的取值大??；為所述下層離散聲透鏡上任意一點與透鏡中心之間的距離，為下層離散聲透鏡上任意一點的方位角，為所述下層離散聲透鏡的表面上任意一點位置的極坐標。

14、進一步的，根據(jù)廣義菲尼爾定律，利用式(2)設計所述上層離散聲透鏡的相位調(diào)制函數(shù)，并用于對準渦旋目標聲束進行螺旋平方相位與聚焦相位調(diào)制：

15、??(2)

16、式(2)中，為集成在上層離散聲透鏡上的聚焦相位，且，k為波數(shù)，f為傳播軸上的焦點與上層離散聲透鏡的中心之間的距離。

17、進一步的，是按如下步驟設計所述下層離散聲透鏡與所述上層離散聲透鏡的聯(lián)合相位調(diào)制函數(shù)，以改變上層離散聲透鏡與上層離散聲透鏡之間的相位調(diào)制效果：

18、步驟a、將所述下層離散聲透鏡固定不動；

19、步驟b、調(diào)整所述上層離散聲透鏡的旋轉(zhuǎn)角度為θ后，利用式(3)設計上層離散聲透鏡的相位調(diào)制函數(shù)：

20、???(3)

21、步驟c、利用式(4)確定固定不動的下層離散聲透鏡和經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后的上層離散聲透鏡之間的聯(lián)合相位調(diào)制效果：

22、??(4)。

23、進一步的，所述聚焦渦旋聲束的拓撲荷的范圍為-3到+3以內(nèi)的所有整數(shù)。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

25、1.本發(fā)明通過結(jié)合兩個具有特殊相位調(diào)制效果的離散聲透鏡，并旋轉(zhuǎn)任意角度，克服了傳統(tǒng)技術(shù)在生成拓撲荷為-3至+3的渦旋聲束時的局限性。本發(fā)明方法不僅展現(xiàn)出卓越的靈活性和可調(diào)性，還能以高精度控制渦旋聲束特性，從而在海洋探測和水下導航等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更高分辨率的成像和定位。這種高精度相位調(diào)制方法為未來聲學設備的微型化和多功能化提供了可能。

26、2.?本發(fā)明將離散聲透鏡組合應用于水下聲渦旋通信系統(tǒng)，有效解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)在復雜環(huán)境中的信號衰減和干擾問題。生成的渦旋聲束展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，能夠在長距離傳輸中保持高信號完整性。這一優(yōu)勢在深海探測和潛艇通信等長距離傳輸場景中尤為重要，有助于降低信號損失和誤碼率，實現(xiàn)了更可靠的通信。

27、3.?本發(fā)明簡化了系統(tǒng)設計，提升了整體系統(tǒng)的處理效率。該離散聲透鏡設計通過避免傳統(tǒng)相控陣電路的復雜性，顯著降低了制造和維護成本，同時提高了信號處理效率。與傳統(tǒng)相控陣系統(tǒng)需大量獨立控制單元不同，本發(fā)明通過簡單旋轉(zhuǎn)調(diào)整實現(xiàn)相同或更佳效果，大幅減少了系統(tǒng)體積和功耗。這一創(chuàng)新不僅增強了渦旋聲束的生成與操控能力，還為水下聲渦旋通信系統(tǒng)的穩(wěn)定高效發(fā)展奠定了堅實基礎，并為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了寶貴參考。