基于轨道角动量谱分解的多通道水声通信及系统实现

作     者：开诚治 刘天颀 王青东 李禹志 郭各朴 马青玉 Kai Chengzhi;Liu Tianqi;Wang Qingdong;Li Yuzhi;Guo Gepu;Ma Qingyu

作者机构：南京师范大学计算机与电子信息学院/人工智能学院江苏南京210023 山东科技大学海洋工程学院山东青岛266590 

出 版 物：《南京师大学报（自然科学版）》 (Journal of Nanjing Normal University(Natural Science Edition))

年 卷 期：2024年第47卷第1期

页      面：103-110页

学科分类：07[理学] 082403[工学-水声工程] 08[工学] 070206[理学-声学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(11934009、11974187、12174198、12227808) 江苏省自然科学基金项目(BE2022814) 

主　　题：多通道水声通信 轨道角动量复用 环形收发阵列 全息信号 谱分解 

摘      要：水声通信能够实现信息的长距离传输,在深海探索和军事领域发挥重要作用.然而,由于换能器带宽和声波波长的影响,水声通信的发展与应用受到传输衰减大和信道容量低以及频谱利用率不足的限制.本文结合复用涡旋声束(AV)和轨道角动量(OAM)谱分解技术,研究了基于环形收发阵列的多通道水声通信方法,并系统实现.基于发送数据的ASCII编码,利用全息信号的幅度和相位调制,驱动环形换能器阵列发射沿轴传输的多通道OAM复用涡旋声束,并通过环形换能器阵列的信号采样和OAM谱分解完成复用涡旋声束的OAM模态解码,实现了高效的并行数据传输.构建了8声源环形收发阵列和全息相控系统,开展了6通道水声通信研究,成功实现了复用涡旋声场的实验测量和OAM解码,并与传统单通道二进制串行数据通信进行性能比较.理论和实验结果证明,基于OAM谱分解的通信通道数由发射阵列的阵元数N决定,其解码精度由发射信号的相位精度和接收阵列的阵元数决定;阵元数N≥1的大阵列系统在满OAM模式复用条件下的传输速率约为传统水声通信的N倍.本研究表明基于OAM谱分解的多通道通信可大幅提高信道容量和频谱利用率,为其在水声通信中的实际应用提供了一种实用方案.