一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法及系统

摘要

本发明提供了一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法及系统，包括：向声源阵列中的每个阵元施加激励信号；在每个子信道内对所述激励信号进行调制，以获得每个子信道内携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号；对所述携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号进行信道复用，驱动声源阵列产生信道复用后的OAM螺旋声场；接收所述OAM螺旋声场信号，并对接收到的信号进行解复用处理，以获得每个独立OAM拓扑荷上加载的子信道信息；对解复用后的信息进行解调，获取所述原始数字基带信号。所述方法大幅提高了基于水下声波的通信传输的信道容量和传输速率。

说明书

技术领域

本申请涉及水声通信技术领域，尤其涉及一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法及系统。

背景技术

海洋拥有广阔的空间和大量的资源，同时海洋环境的变化又对人类的财产安全造成巨大的威胁，对于海洋资源的开发利用和海洋环境的监测预警离不开实时可靠的水下通信技术，然而由于电磁或光波在水中固有的高损耗特性，导致其难以像在空气中那样进行远距离高速通信，就目前已知的能量辐射形式而言，声波在水中的衰减较小，是水下无线通信的最佳载体。

但是，由于声波在水中的衰减与声波频率呈正相关，高频声波难以进行长距离传播，而低频声波由于其频带较低，导致通信容量难以提高，因此，为了同时兼顾长通信距离与高通信速率，借鉴电磁通信领域的研究方法，水声通信技术开始采用一些高级调制格式如多进制数字振幅调制(MASK)、多进制数字频率调制(MFSK)、多进制数字相位调制(MPSK)。由于水声远距通信固有的低频障碍，且其可利用的频段又十分有限，导致即使采用了高级调制格式，通信速率仍然远远不能达到要求，所以必须结合信道复用技术来提高信道容量，如目前正在研究的正交频分复用技术(OFDM)，但是，因为OFDM的发送信号是由许多相互正交子载波上的发送信号的叠加而成的，所以OFDM系统容易受到多普勒频偏的干扰，且由于长距水声通信所固有的低频窄带宽限制，导致可通信频段内OFDM可利用的子载波数量十分有限。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法及系统，通过采用声波轨道角动量(OAM)的新型自由度，提供信息传输复用方式，并结合二进制振幅键控调制(OOK)的高级调制格式，大幅提高基于水下声波的通信传输的信道容量和传输速率。

本发明的第一方面提供了一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法，包括：向声源阵列中的每个阵元施加激励信号；在每个子信道内对所述激励信号进行调制，以获得每个子信道内携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号；对所述携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号进行信道复用，驱动声源阵列产生信道复用后的OAM螺旋声场；接收所述OAM螺旋声场信号，并对接收到的信号进行解复用处理，以获得每个独立OAM拓扑荷上加载的子信道信息；对解复用后的信息进行解调，获取所述原始数字基带信号。

进一步的，所述声源阵列具有n个独立可驱动的阵元，所述阵元分布于半径为一个声波波长的圆周上，其中n≥3。

进一步的，每个阵元所施加的激励信号为：

U_i(t)＝A·exp[i(2πft+lθ_i)]，

其中，A为声波振幅，l为拓扑荷数，为各阵元与参考阵元的顺时针夹角，n为声源阵列上独立可驱动的阵元数，i为顺时针顺序的阵元标号，其中i＝0,1,2,...,n-1，t为时间。

进一步的，所述每个子信道内携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号为：

U_i^s(t)＝S(t)·U_i(t)＝S(t)·A·exp[i(2πft+lθ_i)]，

其中，S(t)为基带数字信息。

进一步的，当复用的信道数量为R时，声源阵列的第i个阵元的阵元驱动信号为：

其中，A为声波振幅，为各阵元与参考阵元的顺时针夹角，n为声源阵列上独立可驱动的阵元数，i为顺时针顺序的阵元标号，其中i＝0,1,2,...,n-1，t为时间，拓扑荷数l＝+1,+2,+3,...,+R。

进一步的，所述接收所述OAM螺旋声场信号，并对接收到的信号进行解复用处理，进一步包括：将接收到的OAM螺旋声场数据与预存的OAM拓扑荷数在接收端的独立声场数据进行内积操作，根据OAM螺旋声场与各基底声场内在的相关性，将OAM复用信号进行解复用。

进一步的，所述调制和解调使用二进制振幅键控(OOK)法来实现。

本发明的第二方面提供了一种基于轨道角动量复用技术的水声通信系统，包括：用于向声源阵列中的每个阵元施加激励信号的模块；用于在每个子信道内对所述激励信号进行调制，以获得每个子信道内携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号的模块；用于对所述携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号进行信道复用，驱动声源阵列产生信道复用后的OAM螺旋声场的模块；用于接收所述OAM螺旋声场信号，并对接收到的信号进行解复用处理，以获得每个独立OAM拓扑荷上加载的子信道信息的模块；用于对解复用后的信息进行解调，获取所述原始数字基带信号的模块。

本发明的第三方面提供了一种水声通信系统，包括：

声源处理器，用于向声源阵列中的每个阵元施加激励信号，在每个子信道内对所述激励信号进行调制，以获得每个子信道内携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号，对所述携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号进行信道复用，驱动声源阵列产生信道复用后的OAM螺旋声场；

声源阵列，

声场接收阵列，

接收端处理器，用于对声场接收阵列接收的所述OAM螺旋声场信号进行解复用处理，以获得每个独立OAM拓扑荷上加载的子信道信息，并对解复用后的信息进行解调，获取所述原始数字基带信号。

进一步的，所述声源阵列具有n个独立可驱动的阵元，所述阵元分布于半径为一个声波波长的圆周上，其中n≥3。

本发明提供的基于轨道角动量复用技术的水声通信方法及系统，以声学轨道角动量自由度进行信道复用，并结合二进制振幅键控调制(OOK)技术，大幅提高基于水下声波的通信传输的信道容量和传输速率。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明拓扑荷数l不同时的涡旋波束的波阵面形态示意图；

图2为本发明实施例1提供的基于轨道角动量复用技术的水声通信方法的流程图；

图3为本发明第1、2、3实施例中声源阵列的20个换能器的分布图；

图4为本发明一个实施例中基于轨道角动量复用技术的水声通信方法传输视频信号的原理图；

图5为本发明第三实施例提供的水声通信系统的组成结构图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施例。虽然附图中显示了本申请的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

本实施例提出了一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法，作为示例将其用于视频图像的实时传输。

具有螺旋形相位的声涡旋场可以携带轨道角动量，在涡旋场中，声波会在行进过程中沿着其轴扭转，形成类似螺丝锥的形态，具体参见图1，其为拓扑荷数l不同时的涡旋波束的波阵面形态示意图。这种扭转会造成轴线上波的彼此相消，产生一个具有零场强的中心。若涡旋声束投影在一个平坦表面上，声涡旋看起来将会像一个环，在中心处存在一个没有声压的“黑色”区域。涡旋声束的传播相位关于其零场强中心呈现螺旋形的变化关系，数学上可写作e^ilθ，其中θ为方位角大小，l恒为整数，称为拓扑荷数或涡旋场的阶数，定义为在一个波长的传播距离内波阵面发生扭转的次数。当l＝0时，不存在螺旋波模式，波阵面为多个不连续的平面，涡旋场退化为平面波场。l＝±1的涡旋波束的波阵面是一个连续的螺旋面，沿传播方向无限延拓。而当|l|≥2时，波阵面将由l个相互交织的螺旋面构成。|l|取值越大，表示波阵面沿着轴旋转得越快，l的正负表示其扭转方向。拓扑荷用的越多通信容量越大，理论上没上限，但实际受限于物理实现。这种依赖于螺旋形波阵面的角动量属于轨道角动量(OAM)。

由于具有不同OAM拓扑荷数的声涡旋束彼此之间具有正交性，由每个OAM声束传输的信息彼此保持独立，因此可以将携带OAM的声学涡旋场作为一组独立的信息编解码基矢进行信号传输，不同拓扑荷数的声学涡旋场代表了不会发生混叠的不同信道，且由于OAM与传统的多路复用自由度如频率、相位、幅值等相互正交，这保证了能够利OAM作为独立于传统技术的新的自由度，方便地与现有的多路复用传输系统合并兼容。具有OAM的螺旋波束可以构成无穷维的希尔伯特空间，因此理论上同一载频利用OAM复用可获得无穷的传输能力。

具体的，参见图2，以视频传输为例水声通信方法包括如下步骤：

步骤S101：向声源阵列中的每个阵元施加激励信号；

根据OAM涡旋声场的生成机理，设计发射声源阵列，以激励出纯净的高稳定性的涡旋声场。首先根据所需视频通信的距离和可靠性标准，例如通讯速率、误码率等，选用一个较高的可用频率f，其波长对应于其中，c为水中的声速。将n个声源换能器均匀地分布于半径为一个声波波长λ的圆周上，以图3为例，n为20，通常n大于2，每个声源换能器被称为一个阵元，并对每一个阵元设计相应的独立驱动电信号波形，以控制各阵元激发声波后形成相应拓扑荷数的螺旋相位分布。选取发射声源阵列上的某一阵元为参考阵元，每个阵元上所施加的激励信号，也即未调制的OAM，服从下式：

U_i(t)＝A·exp[i(2πft+lθ_i)]

其中，A为声波振幅，l为拓扑荷数，为各阵元与参考阵元的顺时针夹角，n为声源阵列上独立可驱动的阵元数，i为顺时针顺序的阵元标号，其中i＝0,1,2,...,n-1，t为时间。

步骤S102：在每个子信道内对所述激励信号进行调制，以获得每个子信道内携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号；

参见图4，将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输1路信号，在每个子信道内应用二进制振幅键控调制OOK技术对指定频率的OAM声载波(阵元被施加激励信号后产生)进行信息调制，得到单个信道已调OAM声载波的声源阵列的各阵元驱动信号形式。具体的，将每一像素的8个bit分别与各阶OAM声载波相乘，此时，携带了基带数字信息S(t)的已调信号为

U_i^s(t)＝S(t)·U_i(t)＝S(t)·A·exp[i(2πft+lθ_i)]，

其中，S(t)为基带数字信息，其表示要传送的视频二进制数据。

步骤S103：对所述携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号进行信道复用，驱动声源阵列产生信道复用后的OAM螺旋声场；

对各子信道在驱动前进行信号处理形式上的信道复用，得到信道复用后的每个驱动阵元的电信号波形，参见图4，本实施例以传输视频数据为例，视频数据最常见的情形是一个像素数据包含8个bit，因此需要有8个OAM子信道携带信息，对所述8个OAM子信道进行复用，即将调制后的8组信号在每一驱动上相加，生成复用后的20个驱动信号，更具体的，图4中的视频帧的一个像素点灰度值为155，即8位二进制为10011011，则复用时，将+1、+4、+5、+7、+8阶OAM的20个阵元的激励信号对应相加，得到复用信号。之后应用相控阵技术生成多通道并行驱动信号，驱动整体声源阵列激发复用后的OAM螺旋声场。上述复用过程的数学表达式为：

其中，拓扑荷数l＝+1,+2,+3,...,+8，U_i^MUX(t)为发射声源阵列平面的第i个阵元的复用后的激励信号。

步骤S104：接收所述OAM螺旋声场信号，并对接收到的信号进行解复用处理，以获得每个独立OAM拓扑荷上加载的子信道信息；

具体的，根据传播介质的类型，选定适当分辨率(即接收阵元的数目)的麦克风阵列/水听器阵列作为声场接收阵列。所述声场接收阵列可以和声源阵列相同，也可以不同，既可以是圆形阵列，又可以是方阵。接收阵元的数目越多分辨率越高，例如误码率等效果就越好。

声场接收阵列用于接收端声场信号的实时采样接收，记录接收到的涡旋声场的振幅和相位信息，然后对接收到的声场数据进行数值信号处理，形成处理后的瞬时声场数据，将该瞬时声场数据与预存的各基底声场数据进行内积操作，根据复用声场与各基底声场内在的相关性，将OAM复用信号进行解复用，得到各个独立OAM拓扑荷上加载的子信道信息。需要进一步说明的是，以视频传输为例，所述各基底声场数据通过如下方式获得，选取8个声学OAM拓扑荷数形成各独立子信道，分别对应于视频图像中每一个像素的8个bit位，并预先存储选用的各个OAM拓扑荷数在接收端的独立声场数据信息，作为解复用时拓扑荷空间上的正交基底。

步骤S105：对解复用后的信息进行解调，获取所述原始数字基带信号。

对得到的解复用信息进行二进制振幅键控OOK解调，恢复出发送的原始数字基带信号。解调过程是调制过程的逆过程，在此不做赘述。

实施例二

本实施例提出了一种基于轨道角动量复用技术的水声通信系统，包括如下模块：

用于向声源阵列中的每个阵元施加激励信号的模块；

用于在每个子信道内对所述激励信号进行调制，以获得每个子信道内携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号的模块；

用于对所述携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号进行信道复用，驱动声源阵列产生信道复用后的OAM螺旋声场的模块；

用于接收所述OAM螺旋声场信号，并对接收到的信号进行解复用处理，以获得每个独立OAM拓扑荷上加载的子信道信息的模块；

用于对解复用后的信息进行解调，获取所述原始数字基带信号的模块。

不难发现，实施例二是与实施例一相对应的装置实施例，本实施例可与实施例一互相配合实施。实施例一中提到的相关技术细节在实施例二中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施例中提到的相关技术细节也可应用在实施例一中。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为程序模块或逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑模块可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施例中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施例中不存在其它的单元。

实施例三

参见图5，本实施例提出了一种水声通信系统，包括：

声源处理器，用于向声源阵列中的每个阵元施加激励信号，在每个子信道内对所述激励信号进行调制，以获得每个子信道内携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号，对所述携带有基带数字信息的调制后的阵元驱动信号进行信道复用，驱动声源阵列产生信道复用后的OAM螺旋声场；

声源阵列，

声场接收阵列，

接收端处理器，用于对声场接收阵列接收的所述OAM螺旋声场信号进行解复用处理，以获得每个独立OAM拓扑荷上加载的子信道信息，并对解复用后的信息进行解调，获取所述原始数字基带信号。

不难发现，本实施例是用来执行实施例一的水声通信方法的硬件设备，上述声源处理器可以是普通的计算机构成的上位机，也可以是处理器芯片，例如DSP、FPGA、单片机等等，上述接收端处理器同样可以是普通的计算机，也可以是处理器芯片，例如DSP、FPGA、单片机等等。本实施例中的声源阵列、声场接收阵列具有实施例一、二所述方法中的声源阵列、声场接收阵列的一切特征，在此不做赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。