CN114696919A - 一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法。该方法利用具有热声效应的超表面结构实现，超表面结构由多个单元排列构成，形成二进制的时空相位调制结构；其步骤为：利用电信号激励超表面结构所有单元的电信号延迟，将具有不同轨道角动量的声涡旋对应的相位分布加载到超表面结构上，实现轨道角动量多路复用；持续旋转超表面结构，将上述具有不同轨道角动量的声涡旋从基频转换到相应的谐频位置，然后利用轨道角动量和谐频的对应关系，分离和检测出具有不同轨道角动量的声涡旋。本发明的方法能够实现不同轨道角动量声涡旋的同步传输，并利用时间调制将不同轨道角动量声涡旋转换到不同谐频位置，实现声涡旋的实时传输和及时检测。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，属于声波信号传输领域。
背景技术
随着现代信息技术产业的迅速发展，人们对信息的需求量日益增大，扩大通信系统的信道容量已成为通信领域一个亟待解决的问题。目前，声通信技术主要围绕声波的基本物理维度展开，包括时间、频率、幅值和相位等。利用这些声波物理维度，催生了各种信号复用和调制技术，比如基于时间维度的时分复用技术、基于频率维度的频分复用技术、基于幅值/相位的正交振幅调制技术和差分相移键控技术等，有效解决了通信系统中如何扩大信道容量的问题。然而，现有物理维度的开发和利用几乎到达了极限，容量短缺仍然是声通信方向面临的巨大挑战。
近年来，声波空间维度的探索为声通信的可持续扩容提供了新思路，具有不同空间特征的结构声场奠定了一种基于空间维度的空分复用技术，成为缓解容量需求的有效选择之一。作为典型的结构声场，声涡旋为信道容量的扩大和传输速率的提高提供了简单可靠的方法。声涡旋具有螺旋型相位因子
其中
为方位角，l为轨道角动量模式值。理论上轨道角动量模式值l取值范围无限，具有不同轨道角动量声涡旋相互之间存在正交关系，意味着声涡旋在传输过程中不发生混叠，在空间维度上可以作为一种独立的信息通道。
目前，基于轨道角动量的复用技术将声涡旋作为调制信号的载波，利用不同轨道角动量之间的正交性来实现多路信号的传输与接收，主要包括两种方法：其一是在发射端使用不同轨道角动量声涡旋作为复用信道来传送信息，在接收端通过传感器阵列对声强和相位进行检测，再利用内积算法对声场进行解复用，从而实现多路轨道角动量信道的信息重构。该方法需要运用复杂的算法对传感器阵列反馈的结果进行后处理，因而限制其进一步发展。其二是在不同轨道角动量声涡旋作为复用信道传输信息过程中，利用轨道角动量为零的声涡旋中心声强不为零的特点，在接收端不同距离处连续放置超材料结构单元不断降低声涡旋的轨道角动量，将不同轨道角动量声涡旋携带的信息依次有效地解调区分出来。该方法中声涡旋轨道角动量增加相应地需要更多超材料结构单元，使得系统繁冗庞大不利于实际应用。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，能够将不同轨道角动量声涡旋同步加载到热声超表面的相位中实现轨道角动量多路复用，同时利用时空调制特性对不同轨道角动量声涡旋进行频率转换实现其高效快速分离。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，利用具有热声效应的超表面结构实现，超表面结构由多个单元排列构成，形成二进制的时空相位调制结构；该方法包括以下步骤：利用电信号激励超表面结构所有单元的电信号延迟，将具有不同轨道角动量的声涡旋对应的相位分布加载到超表面结构上，实现轨道角动量多路复用；持续旋转超表面结构，旋转轴为声涡旋的出射方向，将上述具有不同轨道角动量的声涡旋从基频转换到相应的谐频位置，然后利用轨道角动量和谐频的对应关系，分离和检测出具有不同轨道角动量的声涡旋。
进一步地，所述超表面结构的旋转速度为0～3600rpm。
进一步地，所述超表面结构包括圆片和碳纳米管薄膜单元，碳纳米管薄膜单元设置在圆片表面。
进一步地，所述碳纳米管薄膜单元的形状为正方形或者长方形，边长为5mm～20mm。
进一步地，所述圆片的半径为50mm～100mm，厚度为3mm～10mm。
进一步地，所述碳纳米管薄膜单元通过导电胶固定在圆片表面。
进一步地，所述碳纳米管薄膜单元有42个，在圆片表面等间隔排列为4圈，其中第一圈半径为7mm，包含2个碳纳米管薄膜单元，两者的角度呈180°；第二圈半径为19mm，包含8个碳纳米管薄膜单元，相邻单元的角度呈45°；第三圈半径为31mm，包含14个碳纳米管薄膜单元，相邻单元的角度呈25°；第四圈半径为43mm，包含18个碳纳米管薄膜单元，相邻单元的角度呈20°。
进一步地，所述碳纳米管薄膜单元通过金属导线连接至电路板，电路板用于控制通过碳纳米管薄膜单元的电信号。
进一步地，所述圆片和电路板通过支撑架固定在电动设备上，电动设备用于持续旋转超表面结构。
进一步地，所述支撑架和电动设备之间配备有导电滑环。
本发明所提出的基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，能够实现不同轨道角动量声涡旋的同步传输，并利用时空调制将不同轨道角动量声涡旋转换到不同谐频位置，实现轨道角动量声涡旋的实时传输和及时检测，在声学复用通信领域具有潜在应用。同时，时空热声超表面具有结构简单、制备方便、设计灵活等优点，能够方便地整合在声学集成器件中，大大促进了该项技术在实际中的应用。
附图说明
图1为基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法的原理示意图。
图2为碳纳米管薄膜单元的照片和碳纳米管薄膜单元在电信号驱动下的热像图。
图3为碳纳米管薄膜单元在电信号驱动下的声信号测量结果，(a)是随时间按正弦规律作周期性变化的声信号，(b)是声信号幅值和相位在不同电信号延迟下的变化情况。
图4为利用碳纳米管薄膜单元制备的热声超表面。
图5为实现轨道角动量为-1和1两种声涡旋复用的相位时空调制。
图6为相位时空调制下频谱分布的仿真和实验结果。
图7为时空热声超表面在1阶谐频处实现声涡旋复用的仿真和实验结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明中，一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，其中热声超表面单元沿圆周方向周期排布，每个单元具有良好的热声效应，通过导线将单元与电压驱动电路连接，在电信号激励下单元发射的声信号相位可以进行任意调制。本发明优选热声超表面但并不局限于此，声学换能器阵列和传统的声学超表面同样可以调制声信号相位。优选地，热声超表面具有平面化、微型化和紧凑化的结构优势，更有利于时空相位调制。进一步在热声超表面中引入时空相位调制，其中空间相位梯度控制不同轨道角动量复用涡旋的声场分布，时间相位梯度将特定轨道角动量涡旋从基频高效地转换到相应谐频上。在时空热声超表面调制下，可以实现不同轨道角动量涡旋的多路复用，并利用轨道角动量和谐频的对应关系(如将1阶轨道角动量转换到1阶谐频，2阶轨道角动量转换到2阶谐频等)，可以高效快速地分离不同轨道角动量涡旋。
本实施例给出一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法的实现过程，如图1所示，包括以下步骤：
将42个大小均一、材质均匀的碳纳米管薄膜单元作为热声超表面单元排布在圆片表面，其中，碳纳米管薄膜单元由高温化学气相沉积法制备而成，方阻具有较高均一性为2.0Ω/sq。碳纳米管薄膜单元具有良好的热声效应，在电热声耦合下可以产生宽频稳定的声信号，并通过电信号延迟可以对声信号相位进行任意调节。利用电压驱动电路控制42个碳纳米管薄膜单元的电信号延迟，在声信号频率为f0的基础上，将轨道角动量为-1和1两种声涡旋的相位同步加载到热声超表面上。通过热声超表面沿圆周方向的空间相位梯度实现不同轨道角动量涡旋的多路复用，而通过时间相位梯度调制轨道角动量涡旋的频率转换，将轨道角动量为1的声涡旋从基频f0转换到相应的谐频f0-fm处，同时将轨道角动量为-1的声涡旋从基频f0转换到相应的谐频f0+fm处。
图2为碳纳米管薄膜单元的照片和碳纳米管薄膜单元在电信号驱动下的热像图，其中碳纳米管薄膜单元的形状不限于正方形，可以根据实际需求制成长方形。为了保障碳纳米管薄膜单元的热均匀特性，其边长可以在5mm～20mm范围内浮动。作为优选，碳纳米管薄膜单元为正方形，边长设定为10mm。作为理想的热声超表面单元，在电压大小为1.4V的正弦电信号驱动下，碳纳米管薄膜单元由于电热耦合作用温度迅速升高至28℃。图3为碳纳米管薄膜单元在电信号驱动下发射声信号的测量结果。在电热声耦合作用下，碳纳米管薄膜单元能够产生稳定的声信号。由于碳纳米管薄膜单元在半个电信号周期内可以辐射一次热量，碳纳米管薄膜单元产生的声信号频率为电信号的两倍，且通过改变电信号延迟可以实现声信号相位在0～2π范围内的任意调制。
图4为利用碳纳米管薄膜单元制备的热声超表面，包括碳纳米管薄膜、圆片、电路板和支撑架。其中，42个正方形碳纳米管薄膜单元设置在圆片表面，碳纳米管薄膜单元等间隔排列为4圈，第一圈半径(即圆片中心至正方形单元的中心)为7mm，包含2个碳纳米管薄膜单元，两者的角度呈180°；第二圈半径为19mm，包含8个碳纳米管薄膜单元，相邻单元的角度为45°；第三圈半径为31mm，包含14个碳纳米管薄膜单元，相邻单元的角度为25°；第四圈半径为43mm，包含18个碳纳米管薄膜单元，相邻单元的角度为20°。碳纳米管薄膜单元在圆片上的排布方式不限于此，可以根据实际需求变换排布方式。圆片的半径为50mm，厚度为5mm，由耐热性尼龙材料3D打印而成，可以保障碳纳米管薄膜单元的高电热声转换效率。半径为50mm，厚度为5mm的电路板上设置了电压驱动电路，通过银导线穿过圆片与碳纳米管薄膜单元相连接。为实现热声超表面的时间相位梯度调制，碳纳米管薄膜、圆片和电路板依次固定到由尼龙材料3D打印而成的支撑架上。
图5为实现轨道角动量为-1和1两种声涡旋的相位时空调制。在初始时刻，热声超表面具有二进制相位分布，相位沿圆周方向被分成-π和0两部分，对应了轨道角动量为-1和1两个声涡旋的复用声场相位分布。随时间增加，二进制相位分布呈线性梯度变化。对应时空热声超表面的实际结构，42个排布在热声超表面的碳纳米管薄膜单元沿中心轴均分成两组，每组通过银导线与驱动电路连接，利用电压驱动电路控制两路电信号，两组碳纳米管薄膜单元分别具有-π/2和0的电信号相位延迟。根据电信号和声信号的关系，两组碳纳米管薄膜单元产生的声信号相位分别为-π和0。另外，使用电动设备沿顺时针方向持续低速地旋转热声超表面，实现热声超表面沿圆周方向的时间相位梯度调制。需要说明的是，电动设备的旋转方向不限于顺时针方向，可以是逆时针方向，要求旋转速率控制在0～3600rpm范围内。优选地，本实施案例中电动设备的旋转速率为600rpm。支撑架和电动设备之间配备导电滑环，保障机械运动过程中电路稳定性。
图6为时空相位调制下频谱分布的仿真和实验结果。在仿真中，热声超表面设为一个半径为50mm，厚度为5mm的圆柱体。其中，入射面的42个碳纳米管薄膜单元部分设为平面波辐射，沿圆周方向具有-π和0相位延迟，剩余部分设为声学硬边界。声信号频率为f0＝6000Hz，时间周期为T0＝1/f0。背景介质为空气，密度和声速分别为1.21kg/m^3和343m/s。热声超表面区域设定为旋转域，沿顺时针方向的旋转速率为fm＝10Hz。在实验中，热声超表面的42个碳纳米管薄膜单元的电信号频率为3000Hz，热声超表面沿圆周方向的电信号相位延迟为-π/2和0。根据声信号和电信号的对应关系，热声超表面发射的声信号频率为6000Hz，沿圆周方向的声信号相位延迟为-π和0。利用电动设备驱动热声超表面沿顺时针方向旋转，旋转速率为10Hz，旋转轴为图1中的Z轴方向。为防止声反射干扰实验结果，整个实验过程在消声室中进行。实验结果和仿真结果吻合地较好，说明热声超表面在时空调制下可以将涡旋复用声场从基频f0分别转换到谐频f0-fm和f0+fm处，体现了相位时空调制对声涡旋的频率转换具有重要意义。
图7为时空热声超表面在1阶谐频处实现声涡旋复用的仿真和实验结果，实验结果和仿真结果具有一致性表明了相位时空调制将f0频率处的静态声场成功调制为谐频f0-fm处轨道角动量为1的声涡旋和谐频f0+fm处轨道角动量为-1的声涡旋。
以上所述，仅为本发明的优选实例，不能以此限定本发明的实施范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所做的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆盖的范围内。
Claims (10)
1.一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，其特征在于，利用具有热声效应的超表面结构实现，超表面结构由多个单元排列构成，形成二进制的时空相位调制结构；该方法包括以下步骤：
利用电信号激励超表面结构所有单元的电信号延迟，将具有不同轨道角动量的声涡旋对应的相位分布加载到超表面结构上，实现轨道角动量多路复用；
持续旋转超表面结构，旋转轴为声涡旋的出射方向，将上述具有不同轨道角动量的声涡旋从基频转换到相应的谐频位置，然后利用轨道角动量和谐频的对应关系，分离和检测出具有不同轨道角动量的声涡旋。
2.根据权利要求1所述的一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，其特征在于，所述超表面结构的旋转速度为0～3600rpm。
3.根据权利要求1所述的一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，其特征在于，所述超表面结构包括圆片和碳纳米管薄膜单元，碳纳米管薄膜单元设置在圆片表面。
4.根据权利要求3所述的一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，其特征在于，所述碳纳米管薄膜单元的形状为正方形或者长方形，边长为5mm～20mm。
5.根据权利要求3所述的一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，其特征在于，所述圆片的半径为50mm～100mm，厚度为3mm～10mm。
6.根据权利要求3所述的一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，其特征在于，所述碳纳米管薄膜单元通过导电胶固定在圆片表面。
7.根据权利要求3所述的一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，其特征在于，所述碳纳米管薄膜单元有42个，在圆片表面等间隔排列为4圈，其中第一圈半径为7mm，包含2个碳纳米管薄膜单元，两者的角度呈180°；第二圈半径为19mm，包含8个碳纳米管薄膜单元，相邻单元的角度呈45°；第三圈半径为31mm，包含14个碳纳米管薄膜单元，相邻单元的角度呈25°；第四圈半径为43mm，包含18个碳纳米管薄膜单元，相邻单元的角度呈20°。
8.根据权利要求3所述的一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，其特征在于，所述碳纳米管薄膜单元通过金属导线连接至电路板，电路板用于控制通过碳纳米管薄膜单元的电信号。
9.根据权利要求8所述的一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，其特征在于，所述圆片和电路板通过支撑架固定在电动设备上，电动设备用于持续旋转超表面结构。
10.根据权利要求9所述的一种基于时空热声超表面的轨道角动量多路复用方法，其特征在于，所述支撑架和电动设备之间配备有导电滑环。
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