CN107332629A - 一种基于声学轨道角动量多路复用的信号传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声学轨道角动量多路复用的信号传输方法，包括以下步骤：(1)使用多个微型扬声器组成扬声器阵列，产生不同阶数声学轨道角动量的声波作为独立的信号通道，不同阶数声学轨道角动量的声波为不同的通道，将每一组由0‑1构成的二进制数据流编码在一组通道的声波的幅值和相位上，作为信号源；(2)输入端的信号源经过传输管将信号源的声波信号传输到依次设有的解调超表面，每一个解调超表面后方设有传声器检测到的声波信号即为原始输入的数据流。本发明的一种基于声学轨道角动量多路复用的信号传输方法，能够实现同时将信号加载在不同阶数的涡旋场的声压值中进行同步传输，同时能够利用设计的解调超表面实现对不同信息的高效率分离、检测。
Description
技术领域
本发明涉及基于声学轨道角动量多路复用的信号传输方法，属于声波信号传输领域。
背景技术
海洋是各种矿产、油气和生物资源的巨大宝库。随着人类文明的发展，海洋的战略地位日益突显，各国都积极开发利用海洋资源和空间，采用各种先进手段实现水下通讯信号的远距离传输。海洋探索的进一步深入对在水下进行通讯信号的高效传输提出了更高的要求。在海水中，光波和无线电波的衰减都十分严重，传播距离非常有限，难以满足人类海洋活动的需要。声波是目前唯一能够在海洋中进行远距离传播的能量形式，因此，在海洋测绘、海上维权活动、海洋科学研究和军事等方面的众多活动中，声波是其主要使用的信号载体和技术手段。
为了提高通讯信号的信道容量，目前普遍采用时分多路复用和频分多路复用的处理方法，其主要原理是基于将信息编码在不同时间段或不同频率范围的载体波中。然而，由于所需传输的信号可能存在不同时间或频率范围的混叠，将导致编解码后所接收的信号与原始信号有较大失真。此外，仅使用时间或频率一个自由度作为编解码的基矢，只能在有限的范围内扩充信道容量。利用独立于时域和频域之外新的自由度以进一步高效地扩充声信号传输的信道容量，具有重要的科学意义和应用价值。
声场轨道角动量作为独立于时间和频率的新自由度，成为扩充声学通讯信号传输信道容量的全新选择。围绕发展更精确、更高效、更大容量的新一代声学通讯信号传输的重大需求，我们研究了利用声场轨道角动量作为新的自由度、结合传统的时域、频率作为信号编解码的基矢，用以实现进一步增强信道容量、实现精确高效的声学通讯信号传输。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于声学轨道角动量多路复用的信号传输方法，能够实现同时将信号加载在不同阶数的涡旋场的声压值中进行同步传输，同时能够利用设计的解调超表面实现对不同信息的高效率分离、检测。
技术方案：为实现上述目的，本发明的基于声学轨道角动量多路复用的信号传输方法，包括以下步骤：
(1)使用若干个微型扬声器组成扬声器阵列，产生不同阶数声学轨道角动量的声波作为独立的信号通道，不同阶数声学轨道角动量的声波为不同的通道，将每一组由0-1构成的二进制数据流编码在一组通道的声波的幅值和相位上，作为信号源；
(2)输入端的信号源经过传输管将信号源的声波信号传输到依次设有的解调超表面，每一个解调超表面后方设有传声器检测到的声波信号即为原始输入的数据流。解调超表面、传声器都优选放置在传输管道内部末端。
作为优选，所述微型扬声器有16个，等间隔排列为2圈，其中每一圈包含8个扬声器，每个扬声器的角度间隔为45°，第一圈阵列的半径为35mm，第二圈阵列的半径为60mm。由8台信号发生器独立地对扬声器阵列的每个单元输入信号，第一圈和第二圈阵列中相同角度上的2个扬声器单元由同一台信号发生器提供输入信号。
作为优选，所述传输管为波导管。
作为优选，所述波导管为80mm的刚性亚克力玻璃圆柱波导管。
作为优选，相邻两个解调超表面的间距至少为两个入射声波波长。
作为优选，所述解调超表面包括同轴的四层圆柱面，相邻圆柱面之间形成管道，每层圆柱面朝向轴线的一面上沿轴向分布有若干个圆环状的型腔，型腔面向轴线的一侧设有圆环状的开口，在轴线上均匀分布有若干个连接板，连接板的一端位于最外层的圆柱面上，连接板将圆环状的型腔分割为八个扇形腔体；整个装置的材料均为声学超材料。
本发明的原理：携带轨道角动量的声涡旋场的重要特点是具有螺旋形的波阵面形状，以及其在中心轴上的声压值p为零。声涡旋场波阵面的螺旋程度用拓扑阶数来描述，阶数越高意味着波阵面的螺旋程度越大。声学平面波可以视为阶数为0的特殊涡旋场，其在声场中具有均匀的声压值p。因此，我们考虑将具有不同阶数的轨道角动量作为信息传递的基本载体，将不同的信息加载在阶数不同的声涡旋场声压值p中，由不同阶数的声学涡旋场组成多路复用信号，实现基于声学轨道角动量的多路复用信息传输。在接收端，我们将一系列阶数为-1的声学解调超表面顺序排列起来，当由不同阶数的声涡旋场组成的多路复用信号每经过一层解调超表面时，涡旋场的阶数将降低1阶，即初始阶数为m的涡旋场，在经过m层解调超表面后，将被转化为阶数为0的声学平面波，其在声场中心处的声压值p代表的就是m阶初始声涡旋场所加载的信息。此时，多路复用信号中其它阶数不等于m的声涡旋场虽然阶数发生了变化，但是并未被转化为0阶平面波，在中心处仍保持声压值为0，并不干扰和影响对m阶涡旋场中所携带的信息的监测。利用这种机理，能够实现同时将信号加载在不同阶数的涡旋场的声压值中进行同步传输，同时能够利用设计的解调超表面实现对不同信息的高效率分离、检测。此外，由于不同阶数的声涡旋场之间相互正交，保证传输过程中彼此不混叠，或者混叠很小。
有益效果：本发明所提出的基于声学轨道角动量的信息传输技术，具有接近100％的传输准确率，能够在已有多路复用技术的基础上，进一步将信道容量扩充N倍(N为所使用的轨道角动量的数目)，实现高效率、高准确率、无失真的信息传输。此外，所使用的解调超表面具有小尺寸、制作简单、设计灵活的特点，能够方便地整合在声学集成器件中，将大大促进该项技术在实际中的应用。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图2为解调超表面的结构示意图。
图3为图2中型腔的结构示意图。
图4为不同的几何参数对应于不同的等效波数的曲线图。
图5为仿真结果中两个通道内的64-bits信息输入、输出结果对比图。
图6为仿真和实验结果中，两个通道内120-bits的输入、输出信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明的基于声学轨道角动量多路复用的信号传输方法，包括以下步骤：
(1)使用16个微型扬声器组成扬声器阵列，等间隔排列为2圈，其中每一圈包含8个扬声器，每个扬声器的角度间隔为45°，第一圈阵列的半径为35mm，第二圈阵列的半径为60mm，由8台信号发生器独立地对扬声器阵列的每个单元输入信号，第一圈和第二圈阵列中相同角度上的2个扬声器单元由同一台信号发生器提供输入信号，产生1阶声学轨道角动量的声波作为输入端的通道1，产生2阶声学轨道角动量的声波作为输入端的通道2，这里的通道是由抽象的物理量即不同阶数的轨道角动量来区分的，在空间上并不显示出区别，这16个扬声器同时组成各个通道的输入；
(2)将每一组由0-1构成的二进制数据流编码在一组通道的声波的幅值和相位上，例如我们使用二进制相移编码技术(Binary Phase Shift Keying)，以相位值0代表数据0，以相位值π代表数据1，同样可以采用其他的编码方法，如正交振幅调制(QuadratureAmplitude Modulation),将数据编码在通道1和通道2的声波中；
(3)通道1和通道2的声波信号进入到传输通道内，传输通道为80mm的刚性亚克力玻璃圆柱波导管，信号依次通过同轴设置的若干个解调超表面，每个解调超表面后方的传声器检测到的声波信号即为原始输入的数据流，传声器检测到的声波的相位(0，π)和幅值(0，1)即代表了原始输入的二进制数据流。
如图2和图3所示，所述解调超表面包括同轴的四层圆柱面，相邻圆柱面之间形成管道，每层圆柱面朝向轴线的一面上沿轴向分布有若干个圆环状的型腔，型腔面向轴线的一侧设有圆环状的开口，在轴线上均匀分布有若干个连接板，连接板的一端位于最外层的圆柱面上，连接板将圆环状的型腔分割为八个扇形腔体；整个装置的材料均为声学超材料。圆柱形结构的半径为0.53λ，在传播方向的厚度l＝0.5λ，λ是入射声波的波长，例如，在后续的结果展示中，我们设定背景介质为空气，其密度和声速分别为1.21kg/m3和343m/s，入射声波的频率为2287Hz，其波长λ＝0.15m。图3是单个扇形区域的结构示意图，每一个扇形区域的内部都分为四层，每一层由四个腔体和连通的管道组成。其中每一层在半径方向上的总高度h＝0.1λ，横向的长直管道的高度为h1。通过调节结构的几何参数h1，可以得到在结构中不同的等效声波波数，即不同的几何参数对应于不同的等效波数，其具体关系如图4所示，在所设计结构的每一层中，等效的波数keff/k、透射率大小|T|随结构的几何参数h1/h的变化关系，其中k是在背景介质中入射声波的波数，在以空气为背景介质，频率为2287Hz的入射声波，k＝41.9/m。在八个不同角度上的扇形区域中所需的等效波数keff/k分别为0，1/4，1/2，3/4，1，5/4，3/2，7/4。图4中黑色的圆点表示设计阶数为-1的解调超表面所具体选择的几何参数点。若要设计其他阶数的解调超表面，只需要根据图4中的曲线关系，选择相对应的几何参数即可。
在本发明中，在接收端，利用半径为80mm的解调超表面对阶数不同的轨道角动量的声波进行解调。将2个-1阶的解调超表面顺序摆放在接收端，两个结构相距一定距离，实验和仿真中设为1米，该距离没有固定限制，大于2个波长即可，此处波长为15cm。若多路复用信号中包含阶数更高的声波成分，只需再顺序多摆放对应的几个解调超表面即可。
仿真和实验结果展示：
仿真中，背景介质设定为空气，入射声波的频率为2287Hz，周期为T0＝4.37×10- 4s，解调超表面的材料为ABS塑料。其他声学阻抗足够大的材料同样能够用来制作所设计的结构，只需要材料的声学阻抗大于空气声阻抗的300倍即可，例如各类金属、合金等材料，都能够最为备选材料。
我们将待传输的信息加载在1阶和2阶声涡旋场的声压相位中，两种涡旋场分别作为通道1和通道2，携带信息同时传输。使用周期为20T0，占空比为0.7的调制信号对输入的信息进行调制。图5展示了在两个通道内64-bits信息的输入和输出结果对比。
我们开展了具体的实验来验证采用声学轨道角动量作为新的自由度的信息传输效果。实验中解调超表面的材料同样采用ABS塑料。我们将两路120-bits的信号同时加载在1阶和2阶的声涡旋场中进行同步传输，在接收端顺序放置两层解调超表面，分别用于检测1阶和2阶涡旋场中携带的信息。图6显示了在实验和仿真的结果中，两个通道内的输入输出信息对比.
图5和图6从实验和仿真结果上同时证明了，所提出的基于声学轨道角动量的信息传输技术，具有接近于100％的传输准确率，能够在已有技术的基础上进一步将扩充信息传输容量扩大N倍(N为所采用的声学轨道角动量的数目)，实现声学信息的高效、准确传输。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于声学轨道角动量多路复用的信号传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用若干个微型扬声器组成扬声器阵列，产生不同阶数声学轨道角动量的声波作为独立的信号通道，不同阶数声学轨道角动量的声波为不同的通道，将每一组由0-1构成的二进制数据流编码在一组通道的声波的幅值和相位上，作为信号源；
(2)输入端的信号源经过传输管将信号源的声波信号传输到依次设有的解调超表面，每一个解调超表面后方设有传声器检测到的声波信号即为原始输入的数据流。
2.根据权利要求1所述的基于声学轨道角动量多路复用的信号传输方法，其特征在于：所述微型扬声器有16个，等间隔排列为2圈，其中每一圈包含8个扬声器，每个扬声器的角度间隔为45°，第一圈阵列的半径为35mm，第二圈阵列的半径为60mm，由8台信号发生器独立地对扬声器阵列的每个单元输入信号，第一圈和第二圈阵列中相同角度上的2个扬声器单元由同一台信号发生器提供输入信号。
3.根据权利要求1所述的基于声学轨道角动量多路复用的信号传输方法，其特征在于：所述传输管为波导管。
4.根据权利要求3所述的基于声学轨道角动量多路复用的信号传输方法，其特征在于：所述波导管为80mm的刚性亚克力玻璃圆柱波导管。
5.根据权利要求1所述的基于声学轨道角动量多路复用的信号传输方法，其特征在于：相邻两个解调超表面的间距至少为两个入射声波波长。
6.根据权利要求1所述的基于声学轨道角动量多路复用的信号传输方法，其特征在于：所述解调超表面包括同轴的四层圆柱面，相邻圆柱面之间形成管道，每层圆柱面朝向轴线的一面上沿轴向分布有若干个圆环状的型腔，型腔面向轴线的一侧设有圆环状的开口，在轴线上均匀分布有若干个连接板，连接板的一端位于最外层的圆柱面上，连接板将圆环状的型腔分割为八个扇形腔体；整个装置的材料均为声学超材料。
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