一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法和系统

本发明涉及一种声学通信方法和系统，特别是涉及一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法及系统。

背景技术：

目前，水下环境中的信息传输技术成为当前研究的重要问题。由于海水对高频电磁波的吸收以及海洋中微小生物对光波的散射，使得基于电磁波和光波的水下通信只能在短距离内传播。目前，声波成为长距离水下信息传输的理想载体。但是频率过高的声波在水下传输同样存在衰减，无法在远距离内传播，这在很大程度上限制了通信系统的带宽范围。

为了提高声学通信系统的信道容量和频谱效率，轨道角动量作为独立于相位和振幅的新的空间自由度来编码信息。基于轨道角动量的正交性，携带不同阶轨道角动量的扭曲声波可以独立承载信息并复用到同一条传输路径中，这使得声学的通信能力得到提高，但该通信系统的实现需要复杂的传声器阵列进行后处理或者需要多层超表面对声波进行解码，使其受衍射效应和能量损耗的影响显著，因此限制了可用通信信道的最大数目，无法进一步提高通信容量和效率。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法和系统，利用声波的多径扭曲，在没有被动后处理和传感器扫描的情况下，在自由空间中实现了高质量和高信息密度的声学通信系统。结合同轴和非同轴扭曲声波复用的优点，突破了现有空间复用机制中信息传输容量的限制。同时，在接收端用来信息解码的超表面天生对多径效应具有鲁棒性，可以抑制多径效应以及衍射效应带来的信道串扰，实现高精度的信息解码。

技术方案：本发明提供的一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法，包括以下步骤：

(1)在发射端和接收端设有多个发射单元和接收单元，利用多径效应形成多条传输路径，每条路径传输由携带不同阶轨道角动量的扭曲声波构成的复合扭曲声波，不同阶的扭曲声波可以独立携带信息进行传输，形成相互独立的信道。

(2)在发射端，将每组待传输的数据编码到每阶扭曲声波的振幅和相位中，每个发射单元的信号源即为经过编码后的复合扭曲声波信号。每路信号源将合成的声波信号经自由空间传播到对应的接收单元。

可选的，利用二进制振幅键控调制技术对指定频率的扭曲声波进行信息调制，以幅值0代表数据0，幅值1代表数据1；也可以采用其他调制技术，如正交振幅调制，将数据编码到每阶扭曲声波的幅值和相位中。

(3)每条路径上的复合扭曲声波经无源解复用器解旋后在空间中分离，并根据扭曲声波的阶数聚焦到不同的位置。在焦点处放置单个传声器用来接收信号，接收到的声波信号即为原始输入的数据流，基于聚焦效应，接收到的信号能量得到极大的增强。

本发明还提供了一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信系统，包括发射端和接收端，具有n对发射单元和接收单元，构成多条非同轴的传输路径，每条路径传输的声束是由携带不同阶轨道角动量的扭曲声波复合而成。即每个发射单元发射包含m种轨道角动量模式的复合扭曲声束，每阶轨道角动量的扭曲声波可以独立携带信息进行传输，形成nm个独立的数据信道；

将每一组由0和1构成的数据流编码到一组信道的声波的幅值和相位上，作为信号源；不同阶的扭曲声波作为载波携带不同的信息进行传输，构成多组独立的信号通道。

发射端以有源扬声器阵列作为发射单元，用于合成多阶同轴扭曲声波，经自由空间传播到接收端对应的接收单元；接收端以基于超材料设计的无源解复用器作为接收单元，对复合扭曲声波进行解旋，即将每阶扭曲声波转换为平面波，并将解旋后的声波分离并汇聚到不同的位置上；在每阶扭曲声波的汇聚点处设置有一个传声器，用于接收携带原始编码信息的声波信号。

具体地：

(1)在发射端，n个有源扬声器阵列在空间中分隔开来，作为n个发射单元，每个发射单元均可以产生具有m种轨道角动量的复用扭曲声波，从而形成n×m个独立的数据传输信道，将每一组由0和1构成的数据流编码到每阶扭曲声波的幅值和相位上，作为信号源；

(2)在接收端设有单层超表面，该超表面由n个基于超材料的无源解复用器构成，n个解复用器与发射端的n个发射单元相对应。

每个解复用器可以实现对每路复合扭曲声波的解旋并根据扭曲声波携带轨道角动量的阶数将它们分别聚焦到不同的位置。因此，只需在每个焦点处放置一个传声器便可以检测到携载信息的声信号。

其中，每个发射单元均为有源扬声器阵列，用于产生每条路径上的复合扭曲声束。所述有源扬声器阵列由10个扬声器等间隔排列为1圈构成，每个扬声器的角度间隔为36°，阵列半径为15cm。采用一个arduinomega2560单片机对每个扬声器输入信号并独立控制每个信号的振幅和相位；即arduinomega2560单片机给10个扬声器提供输入信号并单独控制每个输入信号的幅值和相位，从而产生携带一阶和负一阶轨道角动量的复合扭曲声波。

其中，通信环境为自由空间；可选的，n个发射单元和n个接收单元的排列方式为线性或者圆形排布。

其中，m代表路径数，n代表扭曲声波的数目，m和n均为正整数；可选的，m＝2，n＝2；所述复用扭曲声波是由携带一阶和负一阶轨道角动量的扭曲声波所合成的，整个通信系统有两条传播路径。

优选地，所述有源扬声器阵列由10个扬声器等间隔排列成一圈构成，每个扬声器的角度间隔为36°，阵列半径为15cm。

优选地，发射单元和相应接收单元的直线距离为1.2m。

优选地，相邻两个扬声器阵列的中心间隔为70cm。

优选地，解复用器的大小为50cm×50cm，厚度5cm；相邻两个解复用器的中心间距为70cm。

其中，无源解复用器由多种基本单元依次排列构成的单层平面结构构成；所述基本单元为一侧是谐振腔阵列，另一侧是直管的混合结构，不同种基本单元的直管高度h1不同。即：基于超材料的无源解复用器是由多种基本单元经特殊排列构成的单层平面结构，每个基本单元被设计成由侧面加载谐振腔阵列和一个直管组成的混合结构，且每种基本单元的不同之处在于构成它们的直管高度不同。

发明原理：本发明中的轨道角动量作为独立于振幅和相位之外的空间自由度，构成一组完备的正交基，使得携带不同轨道角动量的扭曲声波可以在空间中进行同轴叠加，并将不同的信息编码到不同阶扭曲声波的振幅和相位中进行传输。引入非同轴这个新的空间自由度，实现复用扭曲声波的多路径传输，进一步增加系统可用通信信道的数量。在接收端，利用单层超表面实现多路径的复合扭曲声波的信息解码。单层超表面由多个基于超材料的解复用器组成，每个解复用器用来接收和解码来自相应发射单元的复合扭曲声波，当复用信号经过解复用器时，不同阶数的扭曲声波被解旋为平面波并根据它们携带的轨道角动量阶数被聚焦到不同的位置，在焦点处利用单个传声器接收到的声信号代表的就是该阶轨道角动量所携带的信息。

而本发明中的接收端不需要复杂的传感器阵列对声场进行扫描和耗时的后处理，基于单层超表面可以实现整个通信系统多路信息的实时准确解码，只需用单个传声器在每个焦点处接收信号即可。焦点区域的声强显著增强，使得接收信号的信噪比得到提高，从而保证了通信过程中的远距离传输和低误码率。同时，该超表面具有很强的方向选择性，对于由声衍射以及多径效应带来的信道串扰具有一定的鲁棒性，可以使得信号在不需要后处理的情况下实现高精度的信息解码。

本发明的技术难点在于：考虑到携带轨道角动量阶数越高的扭曲声波在自由空间中传播时的衍射效应越显著，发射源横向尺寸的缩小也会增加扭曲声波在传播过程中的衍射，在通信中声波衍射所带来的串扰效应和能量损耗需要用大规模传感器阵列去检测信号并对测得的信号进行复杂的后处理来抵消，从而阻碍了轨道角动量阶数的提高和发射单元和接收单元的缩小，因此现有的基于轨道角动量复用的声学通信系统受到轨道角动量阶数和发射/接收尺寸的限制无法获得更多可用的通信信道和实现更高的空间信息密度。同时基于复杂传感器阵列扫描或者多层超表面解调的后处理方式使得信息解码的效率和准确性均有所下降，限制了其在实际中的应用。虽然在光学中利用非同轴扭曲波进行信息复用的可靠性已经得到证实，但它的实现需要复杂耗时的均衡算法去抑制多径效应和衍射效应带来的信道串扰，这种串扰效应对于声波而言要强得多。另外，用于实时解码光学扭曲波束的无源器件过于庞大，无法直接应用于具有宏观波长的声波中。这对利用现有的声学通信机制来进一步提高空间信息密度造成了根本限制。

本发明中通信系统的发射端和接收端设有多个发射单元和接收单元，构成多条非同轴的传输路径，每条路径传输的声束是由携带不同阶轨道角动量的扭曲声波复合而成。将每一组由0和1构成的数据流编码到一组信道的声波的幅值和相位上，作为信号源；不同阶的扭曲声波作为载波携带不同的信息进行传输，构成多组独立的信号通道。每个发射单元为有源扬声器阵列用来合成多阶同轴扭曲声波，经自由空间传播到接收端对应的接收单元。接收单元为基于超材料设计的无源解复用器，该解复用器可以实现对复合扭曲声波的分别解旋即将每阶扭曲声波转换为平面波，并将解旋后的声波汇聚到不同的位置上。在每阶扭曲声波的汇聚点处放置一个传声器，用来接收声波信号，该声波携带着原始编码信息同时其声能量被放大。本发明的基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法及系统，利用复合扭曲声波的多路径传输在自由空间中实现了高信息密度的实时通信，在不需要大规模传声器扫描以及复杂耗时的后处理的情况下，通过单层超表面实现了对不同信道信息的实时准确解码，突破了现有基于空间复用的声学通信的信息容量限制。

有益效果：

(1)本发明提出了一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法及系统，在自由空间中实现了具有高空间信息密度的通信系统，突破了现有的基于轨道角动量复用的声学通信的信道数量，进一步提高了通信容量和效率。

(2)与现有的体积庞大的光通信系统相比，该机制采用了设计合理、三维尺寸紧凑的单层超表面来接收和解码发射声束所携带的信息。设计的超表面具有很强的空间选择性，因为任何斜入射的扭曲声波都不会显著影响指定焦点处的声强，这使得该系统对串扰效应的增长具有固有的鲁棒性，因此在不需要传感器扫描和后处理的情况下设计了一个简单且低成本的接收系统，实现了远低于前向纠错标准的误码率。

(3)本发明接收到的信号具有增强的幅度和原始相位信息，这不仅显著地提高了信噪比，而且体现了本发明的机制与传统复用技术和信号处理的兼容性，可以进一步提高传输数据的容量和精度。同时该通信系统实现了创纪录的高空间信息密度，这是由发射端和接收端的紧凑性以及引入非同轴扭曲声波作为新的编码自由度所保证的。

(4)此外，由于单层超表面设计，其所有基本单元与入射声束之间具有高透射率和平行相互作用，该系统可以很容易地扩展到具有更多的通信信道，同时降低了传统通信机制中增加的硬件复杂度和能量消耗。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明进行实验提供的基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信系统示意图。

图3为本发明进行实验所使用的有源扬声器阵列示意图。

图4为构成解复用器的基本单元结构示意图及其不同的直管高度h1对应于声波相移和透射率的曲线图；其中，图a为基本单元结构示意图，图b为声波相移和透射率曲线图。

图5为本发明进行实验所用的解复用器的连续和离散相位分布以及结构示意图。

图6为解复用器的放大结构示意图。

图7为四个通道内的50bits信息输入、输出结果对比图。

图8为利用四个信道传输复杂图像的实验结果，并于目标图像进行对比。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。

如图1所示，一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法及系统，在发射端和接收端设有n对发射单元和接收单元，每个发射单元可以发射包含m种轨道角动量模式的复合扭曲声束，每阶轨道角动量的扭曲声波可以独立携带信息进行传输，因此共形成了nm个独立的数据信道，与使用轨道角动量复用的现有声学通信机制相比，这是一个显著的提升。注意到这里发射单元和接收单元的排列方式可以是多种方式，线性或者圆形排布都适用。

本发明中，在发射端将有源扬声器阵列作为发射单元产生多阶轨道角动量复合的扭曲声束，在接收端多个解复用器被用作接收单元，接收来自相应发射单元的复合声场。由于声波在自由空间中传播带来的衍射，每个接收单元不仅接收到来自对应发射单元的声波，还会接收到其他发射单元的发散声波，从而产生了信道之间的串扰。复合的扭曲声波经过解复用器后被转变为平面波并在空间中分离，不同阶的扭曲声波被聚焦到不同的位置，通过使用单个传声器在指定的区域接收声信号，我们可以精确地提取每阶扭曲声波所携带的原始信息，这意味着我们的通信系统只需要与信道数量相同的传声器数量就可以实现对所有传输信息的检测。

如图2所示，本实施例选取m＝2，n＝2，即发射端设有两个有源扬声器阵列，每个发射单元发射由一阶和负一阶轨道角动量复合的扭曲声波，共形成了四个信道进行信息传输。接收端的单层超表面由两个解复用器构成，每个解复用器后面放置两个传声器，它们分别位于一阶扭曲声波和负一阶扭曲声波的焦点上，用于接收经过解复用器后聚焦到焦点处的声信号，从而获得该信道所传输的信息。

图3为该系统使用的由10个扬声器组成的有源扬声器阵列，它们等间隔排列为1圈，半径为15cm。其中1、3、5、7、9号扬声器用于产生携带一阶轨道角动量的扭曲声束，2、4、6、8、10号扬声器用于产生携带负一阶轨道角动量的扭曲声束。利用arduinomega2560单片机控制每个扬声器输入信号的幅值和相位。

将每组由0和1构成的二进制数据流编码在每阶扭曲声波的幅值和相位上进行信息传输。本发明利用二进制振幅键控调制技术对指定频率的扭曲声波进行信息调制，以幅值0代表数据0，幅值1代表数据1。也可以采用其他调制技术，如正交振幅调制，将数据编码到每阶扭曲声波的幅值和相位中。

每条路径上的复合扭曲声波经过解复用器后分别被转换为平面波并聚焦到不同的位置，在各个焦点处均放置一个传声器用来接收时域信号，传声器检测到的声波的归一化幅值(0，1)即代表了原始输入的二进制数据流。

解复用器的工作原理是通过操纵分布在超表面中的相位函数来实现对复合扭曲声束的同时解复用和聚焦，根据叠加原理将复用扭曲声束的各阶反向扭曲相位因子与对应的聚焦相位相乘后相加即可得到解复用器上的相位分布。如图4的a所示，本实施例中解复用器的基本单元设计为一个声学混合结构，由侧面加载的谐振腔阵列和一个直管组成，分别用于调控入射声波的传播相位和提高传输效率。基本单元的总高度h＝0.25λ，构成单元的直管高度为h1，通过调整几何参数h1，可以得到单元对于入射声波的相位调控和透射率变化，如图4的b所示，从中可以看到构成解复用器的基本单元随着h1的改变可以在0到2π产生任意相移，同时保持本发明的机制所需的接近1的透射率。我们将本实施例中用来解调一阶和负一阶复合扭曲声波所需的相位分布离散为π/4、3π/4、5π/4和7π/4四个相位点的分布，利用四种基本单元(图4的b中用四个点标记)实现上述对入射声波的四个离散相位点的调控并按照所需的相位分布进行排列，得到了如图5、6所示的单层解复用器。解复用器的大小为5λ*5λ，由20×20个基本单元构成，在传播方向上的厚度为i＝0.5λ，λ为入射声波的波长，例如，在后续的结果展示中，设定背景介质为空气，其密度和声速分别为1.21kg/m³和343m/s，入射声波的频率为3430hz，其波长λ＝0.1m。若设计其他阶数的扭曲声波解复用器，只需根据离散后的目标相位分布改变四种基本单元的排布方式即可。

下面对本发明提出的通信系统进行试验测试，具体如下：

入射声波的频率f0＝3430hz，周期tc＝2.92×10^-4s，解复用器的材料为abs塑料。其他声学阻抗足够大的材料同样能够用来制作所设计的结构，只需材料的声学阻抗大于空气阻抗的300倍即可，例如各类金属、合金等材料，都能够成为备选材料。

本实施例首先通过一个并行独立传输四组50bits数据流的例子来证明本发明提出的机制的有效性。本实施例中，两条路径中传输由一阶和负一阶合成的扭曲波束，共形成四个独立信道(标记为信道1到信道4)用来传输四组数据流。将四组数据流以2ask格式编码到每个信道中的扭曲声波的振幅上。数据承载信号采用脉冲调制，脉冲周期为20t0，每个脉冲周期包含1位数据。图7中绘制了四个信道中的解码数据流与目标信号的比较。显然，解码后的信息流与输入的信息流一致，没有任何失真，这表明本发明提出的机制即使没有复杂的后处理也可以实现实时和高精度的信息解码。

接下来，通过实验实时传输了一幅复杂的二值图像“lena”，该图像包含432×416个像素，用数据0代表像素值为0的像素点，用数据1代表像素值为255的像素点。如图7所示，将目标图像分为四个部分，并同时通过四个信道传输。通过将四个测量的数据流组合在一起，得到了输出图像，并将结果绘制在图8中，这显示了非常高的图像恢复质量，与目标图像没有明显的差异。在实验中，本发明的通信系统测得的四个信道的平均误码率低至9.2×10^-4，比前向纠错标准低了近一个数量级。这验证了提出的机制对串扰效应的强鲁棒性，它可以实现高精度和高容量的信息通信，同时避免了传统的基于计算机的后处理对时延和能量消耗的依赖。与原来的单路径轨道角动量复用机制相比，本发明提出的机制中的传输速率提高了一个因子，即为路径数乘以每条路径中轨道角动量模式的总数。利用扭曲声波的多路径空间复用，实现了高质量和高空间信息密度的实时图像传输。

图7和图8从实验上证明了，所提出的基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法及系统，引入非同轴扭曲声波作为新的编码自由度，使得通信系统具有更多高质量的传输信道，在保证系统稳定性的同时提高了系统的通信容量和频谱效率。在接收端所使用的基于超材料的解复用器具有很强的方向选择性，对由衍射效应带来的信道串扰具有很高的鲁棒性，同时该解复用器的聚焦机制提高了焦点处信号检测的信噪比，使得信号在不需要后处理的情况下实现了高精度解码。这也保证了本发明的通信系统可以扩展到更多的传输路径和轨道角动量模式，传播更远的距离。注意，通过使用高阶移位键控编码数据，可以进一步提高我们系统的通信容量和频谱效率。