[發明專利]基于旋轉多普勒效應的渦旋聲束解復用方法

在審

• 申請號: 202310697211.4
• 申請日: 2023-06-13
• 公開（公告）號: CN116599601A
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 劉聯鋆
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H04B11/00
• 分類號: H04B11/00
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 方鐘苑

本發明涉及一種基于旋轉多普勒效應的渦旋聲束解復用方法，屬于聲通信技術領域。該方法為：首先構建一圓形陣列聲源系統和一傳聲器圓形陣列；通過圓形陣列聲源系統生成復用渦旋聲束，再依次提取等間隔傳聲器采集的時域信號，以測量隨旋轉觀察者轉速變化的聲壓頻譜；在頻譜中對每一個渦旋聲束拓撲級數對應的峰值進行識別，并依據峰值頻率與渦旋聲束拓撲級數的關系實現對復用渦旋聲束的解復用。本發明可避免單個傳聲器低頻響應不足的問題，能夠快速簡便的進行渦旋聲束解復用，實現實時、大容量、高精度聲通信。

技術領域

本發明屬于聲通信技術領域，涉及一種基于旋轉多普勒效應的渦旋聲束解復用方法。

背景技術

由于電磁波在水下的長距離傳播受限，聲通信技術在水下定位與通信應用中具有不可替代的重要意義，然而聲波相比電磁波更低的頻率和傳播速度極大地限制了聲通信的數據量和速率。基于渦旋聲束的軌道角動量(Orbital?Angular?Momentum，OAM)復用技術以其固有正交性、緯度無限性以及與現有通信技術兼容等特點，近年來逐漸成為提高水聲通信能力的有效解決方法。渦旋聲束也可稱為旋轉聲波，是類似于行波和駐波的第三種聲波，具有與方位角成正比的螺旋相位關系，數學表達式為其中表示圓柱坐標系中方位角坐標，l表示OAM拓撲級數，表示渦旋聲束在一個圓周內的波長個數，其正負表示渦旋旋轉方向。基于渦旋聲束的通信技術將相互正交的不同拓撲級數OAM作為復用信道，通過與其它先進通信技術(例如多通道輸入輸出均衡技術)結合，可極大提升通信速率。渦旋聲束通信技術分成發射端復用和接收端解復用兩部分。

現有渦旋聲束解復用技術主要采用聲場內積和超材料解調兩種方法，前者利用OAM正交性對復用聲場和單拓撲聲束進行二維內積以提取各信道信息；后者將復用聲場穿過超材料結構，在空間上分離OAM模式并檢測每個信道攜帶的信息。SHI等在文章《High-speed?acoustic?communication?by?multiplexing?orbital?angular?momentum》中采用26×26傳聲器陣列對48cm×48cm平面進行掃描測量，解調了包含8個OAM信道的復用信號。LI等在文章《Principle?and?performance?of?orbital?angular?momentumcommunication?of?acoustic?vortex?beams?on?single-ring?transceiver?arrays》和GUO等在文章《Spectrum?decomposition-based?obital?angular?momentumcommunicationof?acoustic?vortex?beams?using?single-ring?transceiver?arrays》中采用傳聲器圓形陣列減少了內積運算量，但聲場內積法仍然較為繁瑣耗時。超材料解調法不需要傳聲器陣列，信號采集過程簡單高效，但存在插入損失、衍射效應和信號重疊等問題。

為了規避上述兩種方法的限制，ZHANG等在文章《Spatiotemporal?acousticcommunication?by?a?single?sensor?via?rotational?doppler?effect》中用電機驅動單個傳聲器按頻率Ω旋轉，通過測量渦旋聲束的旋轉多普勒頻移效應(f_D＝f₀+lΩ)來解調OAM拓撲級數信息，其中f_D表示頻移后頻率，f₀表示源頻率，該方法采用單個旋轉傳聲器，以低成本設備實現了實時、大容量和高精度通信。然而該方法并未涉及當l為負，f_D接近0Hz時傳聲器的低頻響應不足的問題，也未對發生極限多普勒效應(f_D＜0Hz)時可能存在的OAM信道串擾問題進行說明。

參考文獻：