CN111447015A - 一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，属于水声换能器领域。解决了现有声轨道角动量发射技术难以便捷的生成声轨道角动量，且难以准确快速的解调声轨道角动量的所含信息的问题。它包括一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，它包括一阶声轨道角动量发射换能器基阵、二阶声轨道角动量发射换能器基阵和基阵定位支架，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵和二阶声轨道角动量发射换能器基阵均呈等间距空间螺旋状排布，所述基阵定位支架两端分别与一阶声轨道角动量发射换能器基阵和二阶声轨道角动量发射换能器基阵相连。它主要用于水声通信。

Description

一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵

技术领域

本发明属于水声换能器领域，特别是涉及一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵。

背景技术

声波是目前水下远距离信息传输的最优方式，然而高频声波在水介质中依旧有着极强的衰减，尽管有着差分相移键控、正交幅度调制等方式提高水声通信的信息传输速率，但其传输能力依旧受到低载波频率的限制，加上人们对海洋资源探索的逐渐增加，现代水下数据传输量的逐步增大，现有的传输速率已经不能满足信息传输的要求，因此，需要开发新的复用方式拓展水声通信的频谱效率，从而提升水下信息传输速率。

声轨道角动量可以有效缓解这一问题，它是区别于频率、时间等维度的一个新的复用维度，作为希尔伯特空间的一组标准正交基，轨道角动量理论上可以有无穷多阶，并且它的复用不会受到低载波频率的限制，意味着理论上它的传输能力是无穷的，因此声轨道角动量复用可以有效提升频谱效率，从而提高信息传输速率。

目前声轨道角动量发射技术往往采取有源相控阵列或者无源结构的形式。无源结构形式复杂，所用材料在水中很难满足刚性边界条件，因此水中应用会带来较大误差，而相控阵列对于相控电路有着极强的依赖性，在多阶复用时给电路设计带来极大地困扰，因此如何便捷的生成声轨道角动量，并且准确快速的解调声轨道角动量的所含信息，是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，它包括一阶声轨道角动量发射换能器基阵、二阶声轨道角动量发射换能器基阵和基阵定位支架，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵和二阶声轨道角动量发射换能器基阵均呈等间距空间螺旋状排布，所述基阵定位支架两端分别与一阶声轨道角动量发射换能器基阵和二阶声轨道角动量发射换能器基阵相连，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵半径小于二阶声轨道角动量发射换能器基阵，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵位于二阶声轨道角动量发射换能器基阵内侧，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵空间螺旋高度小于二阶声轨道角动量发射换能器基阵，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵和二阶声轨道角动量发射换能器基阵围绕同一轴线旋转，且由相互独立的单路电路分别驱动。

更进一步的，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵和二阶声轨道角动量发射换能器基阵均包括基元支架、基阵固定支架和发射换能器基元，所述基元支架数量为多个，每个基元支架的大小一致，高度相同，沿周向互相贴合，沿高度方向以固定高度差排布，最低位和最高位的基元支架分别为尾阵元基元支架和首阵元基元支架，所述首阵元基元支架和尾阵元基元支架通过基阵固定支架相连，所述每个基元支架上均设置有发射换能器基元。

更进一步的，所述首阵元基元支架与基阵定位支架相连，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵和二阶声轨道角动量发射换能器基阵中的首阵元基元支架位于同一高度。

更进一步的，所述基元支架上设置有基元定位孔、导线槽、定位凸起和定位凹陷，所述发射换能器基元固定在基元定位孔内，各个发射换能器基元的导线通过导线槽并联连接，所述定位凸起与相邻的基元支架上的定位凹陷配合相连，保证基元支架以固定的高度差在周向互相贴合，所述尾阵元基元支架与基元支架结构相同。

更进一步的，所述首阵元基元支架上设置有基元定位孔、导线槽、定位凸起、电缆出口和支架连接孔，所述发射换能器基元固定在基元定位孔内，发射换能器基元的导线通过导线槽并联连接，所述导线槽上设置有电缆出口，通过电缆出口实现外部电缆接入，所述首阵元基元支架通过支架连接孔与基阵定位支架相连。

更进一步的，所述定位凸起和定位凹陷上分别开设有凸起固定通孔和凹陷固定通孔，所述定位凸起和定位凹陷之间通过凸起固定通孔和凹陷固定通孔进行固定。

更进一步的，所述基阵固定支架上设置有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔与支架连接孔相连，所述第二通孔与尾阵元基元支架中的凸起固定通孔连接固定。

更进一步的，所述导线槽同时作为导线的灌封槽，所述灌封槽的高度大于发射换能器基元的高度。

更进一步的，所述基阵定位支架中心为圆形法兰接口，用以阵列布放，圆形法兰接口向左右两端延伸，在延伸固定距离后两端各分布有连接通孔，一端的连接通孔与一阶声轨道角动量发射换能器基阵相连，另一端的连接通孔与二阶声轨道角动量发射换能器基阵相连。

更进一步的，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵垂直方向高度为一个波长，所述二阶声轨道角动量发射换能器基阵垂直方向高度为两个波长。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有声轨道角动量发射技术难以便捷的生成声轨道角动量，且难以准确快速的解调声轨道角动量的所含信息的问题。

本发明提出一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，单阶驱动方式及多阶复用方式简单，所含声轨道角动量复用信息可被准确快速提取，可用于水声通信。有效提升了声通信频谱效率，极大地简化了声轨道角动量复用及解调方式。本发明利用物理螺旋阵列形式发射各阶声轨道角动量，驱动方式简单，每个阵列仅由单路电路驱动；不同阶数声轨道角动量采用不同半径阵列发射，可将不同阶数声轨道角动量所含信息最大化集中到同一圆周线上，极大地简化声轨道角动量解调难度，提高解调精度；模块化基元结构设计使得阵列排布形式更加灵活。

附图说明

图1为本发明所述的一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵结构示意图；

图2为本发明所述的一阶声轨道角动量发射换能器基阵结构示意图；

图3为本发明所述的基元支架结构示意图；

图4为本发明所述的首阵元基元支架结构示意图；

图5为本发明所述的基阵固定支架结构示意图；

图6为本发明所述的基阵定位支架结构示意图；

图7为本发明所述的发射换能器基元结构示意图。

1-一阶声轨道角动量发射换能器基阵，2-二阶声轨道角动量发射换能器基阵，3-基阵定位支架，4-基元支架，5-首阵元基元支架，6-基阵固定支架，7-基元定位孔，8-导线槽，9-灌封槽，10-定位凸起，11-定位凹陷，12-凸起固定通孔，13-凹陷固定通孔，14-电缆出口，15-支架连接孔，16-第一通孔，17-第二通孔，18-连接通孔，19-发射换能器基元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。

参见图1-7说明本实施方式一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，它包括一阶声轨道角动量发射换能器基阵1、二阶声轨道角动量发射换能器基阵2和基阵定位支架3，一阶声轨道角动量发射换能器基阵1和二阶声轨道角动量发射换能器基阵2均呈等间距空间螺旋状排布，基阵定位支架3两端分别与一阶声轨道角动量发射换能器基阵1和二阶声轨道角动量发射换能器基阵2相连，一阶声轨道角动量发射换能器基阵1半径小于二阶声轨道角动量发射换能器基阵2，一阶声轨道角动量发射换能器基阵1位于二阶声轨道角动量发射换能器基阵2内侧，一阶声轨道角动量发射换能器基阵1空间螺旋高度小于二阶声轨道角动量发射换能器基阵2，一阶声轨道角动量发射换能器基阵1和二阶声轨道角动量发射换能器基阵2围绕同一轴线旋转，且由相互独立的单路电路分别驱动。

本实施例一阶声轨道角动量发射换能器基阵1和二阶声轨道角动量发射换能器基阵2均包括基元支架4、基阵固定支架6和发射换能器基元19，基元支架4数量为多个，每个基元支架4的大小一致，高度相同，沿周向互相贴合，沿高度方向以固定高度差排布，最低位和最高位的基元支架4分别为尾阵元基元支架和首阵元基元支架5，首阵元基元支架5和尾阵元基元支架通过基阵固定支架6相连，每个基元支架4上均设置有发射换能器基元19。首阵元基元支架5与基阵定位支架3相连，一阶声轨道角动量发射换能器基阵1和二阶声轨道角动量发射换能器基阵2中的首阵元基元支架5位于同一高度。基元支架4上设置有基元定位孔7、导线槽8、定位凸起10和定位凹陷11，发射换能器基元19固定在基元定位孔7内，各个发射换能器基元19的导线通过导线槽8并联连接，定位凸起10与相邻的基元支架4上的定位凹陷11配合相连，保证基元支架4以固定的高度差在周向互相贴合，尾阵元基元支架与基元支架4结构相同。首阵元基元支架5上设置有基元定位孔7、导线槽8、定位凸起10、电缆出口14和支架连接孔15，发射换能器基元19固定在基元定位孔7内，发射换能器基元19的导线通过导线槽8并联连接，导线槽8上设置有电缆出口14，通过电缆出口14实现外部电缆接入，首阵元基元支架5通过支架连接孔15与基阵定位支架3相连。定位凸起10和定位凹陷11上分别开设有凸起固定通孔12和凹陷固定通孔13，定位凸起10和定位凹陷11之间通过凸起固定通孔12和凹陷固定通孔13进行固定。基阵固定支架6上设置有第一通孔16和第二通孔17，第一通孔16与支架连接孔15相连，第二通孔17与尾阵元基元支架中的凸起固定通孔12连接固定。导线槽8同时作为导线的灌封槽9，灌封槽9的高度大于发射换能器基元19的高度。基阵定位支架3中心为圆形法兰接口，用以阵列布放，圆形法兰接口向左右两端延伸，在延伸固定距离后两端各分布有连接通孔18，一端的连接通孔18与一阶声轨道角动量发射换能器基阵1相连，另一端的连接通孔18与二阶声轨道角动量发射换能器基阵2相连。理论上一阶声轨道角动量发射换能器基阵1垂直方向高度为一个波长，二阶声轨道角动量发射换能器基阵2垂直方向高度为两个波长，但由于一阶声轨道角动量发射换能器基阵1和二阶声轨道角动量发射换能器基阵2均为等间距排布，实际上，一阶声轨道角动量发射换能器基阵1垂直方向高度略小于一个波长，二阶声轨道角动量发射换能器基阵2垂直方向高度略小于两个个波长。

本实施例一阶声轨道角动量发射换能器基阵1和二阶声轨道角动量发射换能器基阵2均呈空间螺旋状，水平维度投影形式为等间距圆周形式，垂直维度相邻两基元高度差相同。一阶声轨道角动量发射换能器基阵1半径小高度低，二阶声轨道角动量发射换能器基阵2半径大高度高。基阵定位支架3两端截面为矩形，其上穿孔起阵列定位作用，中间为穿孔圆形法兰盘，起阵列布放连接作用。灌封槽9保证发射换能器基元与基元导线水密状态。基元支架4左右两侧分别设置定位凸起10和定位凹陷11作为基元支架定位装置，基元支架定位装置在基元支架左右两侧各有一个，一侧为凸起状，一侧为凹陷状，任一定位凸起10与另一定位凹陷11搭配使用，其上分别穿有对应的圆形通孔，螺杆穿过通孔使支架固定。

基阵定位支架3中心为圆形法兰接口，用以阵列布放，圆形法兰接口向左右两端延伸，在延伸固定距离后两端各分布有连接通孔18，一端连接通孔18连接一阶声轨道角动量发射换能器阵列1，另一端连接通孔18连接二阶声轨道角动量发射换能器阵列2，从而保证两螺旋阵列围绕同一轴线旋转，并且两螺旋阵列首阵元位于同一水平面。

基元定位孔7将发射换能器基元19固定，发射换能器基元19的导线通过导线槽8并联连接，导线槽8同时作为导线的灌封槽9，保证导线的水密状态，灌封槽9的高度大于发射换能器基元19的高度，保证发射换能器基元19的水密状态，定位凸起10与定位凹陷11配合，通过凸起固定通孔12和凹陷固定通孔13固定，保证发射换能器基元19以固定的高度差在周向互相贴合，从而满足阵列螺旋形式的空间分布。

首阵元基元支架5除定位凹陷11与凹陷固定通孔13外包含基元支架4的所有特征，除此之外首阵元基元支架5附带电缆出口14，便于外部电缆接入，支架连接孔15用以连接首阵元基元支架5、基阵固定支架6与基阵定位支架3。

基阵固定支架6用以固定基阵的首阵元基元支架5和尾阵元基元支架，第一通孔16与首阵元基元支架5上的支架连接孔15连接固定，第二通孔17与凸起固定通孔12连接固定。

本发明的特点在于各基元支架4大小一致，高度相同，沿周向互相贴合，沿高度方向以固定高度差排布，保证了各发射换能器基元19满足等间距空间螺旋阵排布方式；一阶声轨道角动量发射换能器基阵1高度低半径小，分布于内侧，二阶声轨道角动量发射换能器阵列2高度高半径大，分布于外侧；一阶与二阶声轨道角动量发射换能器基阵围绕同一轴线旋转，首阵元基元支架5位于同一高度处；一阶与二阶声轨道角动量发射换能器基阵由相互独立的单路电路分别驱动。

本发明的具体装配过程如下：

步骤一：将发射换能器基元19固定于基元定位孔7处；

步骤二：将基元支架4中定位凸起10与相邻的定位凹陷11配合，通过凸起固定通孔12和凹陷固定通孔13固定，首阵元基元支架5固定于基阵首端；

步骤三：将发射换能器基元19导线沿导线槽8并联连接，并由电缆出口14接出；

步骤四：将第一通孔16与首阵元基元支架5上的支架连接孔15连接固定，第二通孔17与凸起固定通孔12连接固定；

步骤五：将基阵定位支架3中的一端连接通孔18连接固定一阶声轨道角动量发射换能器阵列1，另一端连接通孔18连接固定二阶声轨道角动量发射换能器阵列2。

本发明的多阶声轨道角动量发射换能器基阵在水中工作时，在只对一阶声轨道角动量发射换能器基阵1施加固定频率的交变电场时，将在介质中产生一阶声轨道角动量，只对二阶声轨道角动量发射换能器基阵2施加固定频率的交变电场时，将在介质中产生二阶声轨道角动量，对一阶与二阶声轨道角动量发射换能器基阵同时施加固定频率的交变电场时，将在介质中产生一阶与二阶声轨道角动量的耦合，并且一阶与二阶声轨道角动量具有相同发散性质，因此只需要测量同一条圆周线上的声压信息就可以准确解调声轨道角动量耦合的阶数信息。

以上对本发明所提供的一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，其特征在于：它包括一阶声轨道角动量发射换能器基阵(1)、二阶声轨道角动量发射换能器基阵(2)和基阵定位支架(3)，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵(1)和二阶声轨道角动量发射换能器基阵(2)均呈等间距空间螺旋状排布，所述基阵定位支架(3)两端分别与一阶声轨道角动量发射换能器基阵(1)和二阶声轨道角动量发射换能器基阵(2)相连，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵(1)半径小于二阶声轨道角动量发射换能器基阵(2)，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵(1)位于二阶声轨道角动量发射换能器基阵(2)内侧，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵(1)空间螺旋高度小于二阶声轨道角动量发射换能器基阵(2)，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵(1)和二阶声轨道角动量发射换能器基阵(2)围绕同一轴线旋转，且由相互独立的单路电路分别驱动。

2.根据权利要求1所述的一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，其特征在于：所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵(1)和二阶声轨道角动量发射换能器基阵(2)均包括基元支架(4)、基阵固定支架(6)和发射换能器基元(19)，所述基元支架(4)数量为多个，每个基元支架(4)的大小一致，高度相同，沿周向互相贴合，沿高度方向以固定高度差排布，最低位和最高位的基元支架(4)分别为尾阵元基元支架和首阵元基元支架(5)，所述首阵元基元支架(5)和尾阵元基元支架通过基阵固定支架(6)相连，所述每个基元支架(4)上均设置有发射换能器基元(19)。

3.根据权利要求2所述的一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，其特征在于：所述首阵元基元支架(5)与基阵定位支架(3)相连，所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵(1)和二阶声轨道角动量发射换能器基阵(2)中的首阵元基元支架(5)位于同一高度。

4.根据权利要求3所述的一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，其特征在于：所述基元支架(4)上设置有基元定位孔(7)、导线槽(8)、定位凸起(10)和定位凹陷(11)，所述发射换能器基元(19)固定在基元定位孔(7)内，各个发射换能器基元(19)的导线通过导线槽(8)并联连接，所述定位凸起(10)与相邻的基元支架(4)上的定位凹陷(11)配合相连，保证基元支架(4)以固定的高度差在周向互相贴合，所述尾阵元基元支架与基元支架(4)结构相同。

5.根据权利要求4所述的一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，其特征在于：所述首阵元基元支架(5)上设置有基元定位孔(7)、导线槽(8)、定位凸起(10)、电缆出口(14)和支架连接孔(15)，所述发射换能器基元(19)固定在基元定位孔(7)内，发射换能器基元(19)的导线通过导线槽(8)并联连接，所述导线槽(8)上设置有电缆出口(14)，通过电缆出口(14)实现外部电缆接入，所述首阵元基元支架(5)通过支架连接孔(15)与基阵定位支架(3)相连。

6.根据权利要求5所述的一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，其特征在于：所述定位凸起(10)和定位凹陷(11)上分别开设有凸起固定通孔(12)和凹陷固定通孔(13)，所述定位凸起(10)和定位凹陷(11)之间通过凸起固定通孔(12)和凹陷固定通孔(13)进行固定。

7.根据权利要求6所述的一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，其特征在于：所述基阵固定支架(6)上设置有第一通孔(16)和第二通孔(17)，所述第一通孔(16)与支架连接孔(15)相连，所述第二通孔(17)与尾阵元基元支架中的凸起固定通孔(12)连接固定。

8.根据权利要求4所述的一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，其特征在于：所述导线槽(8)同时作为导线的灌封槽(9)，所述灌封槽(9)的高度大于发射换能器基元(19)的高度。

9.根据权利要求1所述的一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，其特征在于：所述基阵定位支架(3)中心为圆形法兰接口，用以阵列布放，圆形法兰接口向左右两端延伸，在延伸固定距离后两端各分布有连接通孔(18)，一端的连接通孔(18)与一阶声轨道角动量发射换能器基阵(1)相连，另一端的连接通孔(18)与二阶声轨道角动量发射换能器基阵(2)相连。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的一种多阶声轨道角动量发射换能器基阵，其特征在于：所述一阶声轨道角动量发射换能器基阵(1)垂直方向高度为一个波长，所述二阶声轨道角动量发射换能器基阵(2)垂直方向高度为两个波长。

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