基于OAM拓扑模式复用的水声通信技术进展

　　摘 要：将轨道角动量(OAM)理论引入水声通信中来，利用不同拓扑模式螺旋声波内在正交性，构建基于OAM拓扑模式复用(TCM)的多入多出(MIMO)水声系统，获得更高信道容量和频谱效率。理论上拓扑模式可以无限制的增大、即模式复用的次数没有限制，基于此复用的MIMO系统将获得更高的频谱利用率。本文概述了浅海和深海水声信道的差异，描述了水声OAM-MIMO技术的现状和发展情况，并提出了未来可能遇到的技术挑战和问题。OAM-TCM在水声通信的应用前景令人兴奋，即存在机遇、也面临巨大的技术风险。

　　关键词：水声通信，MIMO，螺旋声波，轨道角动量，拓扑模式复用

　　一、引言

　　21世纪初，世界各个海洋国家围绕海权的争端不断加剧，海洋科学与技术的发展具有极大的活力和广阔的前景，成为当前的热点科学技术之一。近年来，鉴于海洋油气等水下资源勘探的需要、以及沿岸有限战争概念的提出，并伴随着我国海洋开发活动的增加和海上丝绸之路的不断延伸，水声通信在国计民生和军事活动中占据越来越重要的地位。

　　有学者将MIMO技术引入水声通信中来，利用声波在水声信道中的多径/多途传播特性来实现高速、可靠、多用户通信[1]。有学者开展了基于轨道角动量(OAM，Orbit Angular Momentum)多路复用的陆上实验，验证声波螺旋信号高效传输理论上的可行性[2];其将OAM螺旋波束复用与MIMO技术相结合，构建基于螺旋声波换能器阵列的通信系统，为水声通信速率低的难题提供了新的解决途径。

　　图1中，OAM的四种拓扑模式的声波，对应MIMO通信的四个正交信道，发射端按照一定构型组成发射换能器阵列，同时产生多个拓扑模式的螺旋声波，如图2所示，接收端采用相类似的阵列结构。理论上四种拓扑模式(l = 0，1，2，3)之间的正交性决定了可以将信息速率提升四倍。

　　因此揭示基于OAM的水声通信高速传输机理，研究OAM-MIMO声波复用信号的水下传播特性与抗串扰方法，特别是开展针对浅海海域“波—流—湍流”耦合作用、考虑多路径传播、多普勒频移的水声OAM阵列信号产生、分离和处理方法的研究，在民用和军事领域都具有重要意义和广阔的应用前景[3-6]。

　　二、OAM技术在水声通信中应用

　　(一)OAM声波螺旋的产生

　　无论是在光学领域还是无线电领域，OAM都表征了螺旋相位结构波形的自然属性;通过引入OAM，通信系统的传输能力将得到扩展[7]。携带OAM的声波波束，其螺旋相位取决于OAM拓扑模式，理论上不同的拓扑模式的波在空间上正交，在提供了一种与能量、波长和极化方式为一样的新的自由度[8]，构成一种新的复用机制。

　　对于空气中的光波和微波，不同拓扑模式螺旋波束的产生方式很多，包括空间光调制器、透射螺旋结构、透射光栅结构、超表面、螺旋反射面、天线阵列、分时对称环形谐振腔等[7，8]，并通过波束分离器或自旋轨道耦合完成波束复用，以达到增加数据传输速率的目的，这些方法为螺旋声波的产生提供了借鉴。螺旋透射结构一般应用于光学领域，并且工作在较高频段的毫米波。螺旋相位板通常使用单阶，多阶以及多孔状螺旋相位结构，在实际操作中较多使用多阶梯螺旋相位板。

　　透射光栅结构的具体产生方法包括基于叉形光栅，基于达曼涡旋光栅叠加涡旋光束，基于Lin算法的多模式，透射光栅结构一般多使用计算全息方法。螺旋反射面产生轨道角動量的方法包括阶梯型反射面和扭曲抛物反射面。螺旋反射面一般应用于低频段，当波束入射螺旋反射面时，不同区域的波束出现不同的相位延迟，经过巧妙地设计即可让反射波束的波前发生扭曲形成涡旋波束。

　　环形行波分为环形金属腔和环形槽线。行波天线模型一般采用偶极子天线，偶极子尺寸较小，通过将天线弯曲成圆环，然后对天线进行馈电。馈电电流强度沿环保持恒定，而相位沿环连续变换。电磁超表面材料通过计算每个单元需要改变的相移，设计反射单元尺寸，通过尺寸分布可以的得到反射超表面的拓扑结构。透射型电磁超表面可以同时独立调控电磁波的幅度与相位的特性，可以将球面波变换为涡旋波束。反射阵列天线通过调节阵列单元结构可以调节反射波的相位变化，使得反射波束具有任意的相位波前，根据反射阵单元的相移特性可以很方便地构造螺旋的相位波前结构，形成OAM波束。

　　天线阵列产生轨道角动量的方法包括，圆形相控阵，巴特勒矩阵馈电网络天线阵和光延时单元天线阵。对于按照一定顺序排列的天线阵列，依次对其馈送相同但相位依次延迟的信号，能够使得发射的电磁波带有轨道角动量。对空间上呈一定分布的天线使用相同馈电，利用空间分布的不同来产生相位延迟，也能够产生轨道角动量波束。

　　阵列天线产生OAM波束实际就是利用连续相位延迟激励阵列上的不同阵元，产生涡旋电磁波。一般应用在低频段，并且能做到轻量化和小型化，因此，阵列天线特别是圆形相控阵列天线的是目前最常用且常用的OAM波束产生方式，也会有很大的应用场景。

　　OAM波束的检测方式一般有单点法和相位梯度法。单点法是使用OAM远场近似从电场估计磁场，可以通过计算空间中每个点上波束的特定OAM模式数。相位梯度法是显式地利用螺旋相位结构，通过测量相位梯度来计算OAM模式，通过在XY平面上用两点相位测量来近似相位梯度。

　　产生声涡旋OAM的方式一般分为两大类，有源和无源。有源技术属于声学相控技术，原理是通过对声学换能器的独立调控来形成相控阵列，产生能够形成螺旋状的相位分布。声学OAM的有源产生方法需要昂贵的成本和复杂的电路，在高频段应用有一定的困难。

　　无源材料产生声学OAM相对有源材料来讲，方法更加简单。Gspan等人通过在水槽中用脉冲激光来照射具有特殊结构的吸声材料表面，利用材料受热后产生的热弹效应激发向另一侧传播的压力波[9]。Ealo等人提出了利用多孔铁电驻极体材料在空气中产生涡旋声场的理论方法，并在实验上加以实现[10]。基于超表面材料也可以产生声学涡旋，刘正猷课题组提出了利用尺度小于波长的超表面将平面波转化为带有OAM的涡旋声束。梁彬等人提出了利用超构表面在声学体系中引入OAM[11]。

　　推荐阅读：计算机视觉论文投稿期刊

期刊VIP网，您身边的高端学术顾问

文章名称： 基于OAM拓扑模式复用的水声通信技术进展

文章地址： http://www.qikanvip.com/jisuanjixinxiguanli/55721.html