摘 要：將軌道角動量(OAM)理論引入水聲通信中來，利用不同拓?fù)淠Ｊ铰菪暡▋?nèi)在正交性，構(gòu)建基于OAM拓?fù)淠Ｊ綇?fù)用(TCM)的多入多出(MIMO)水聲系統(tǒng)，獲得更高信道容量和頻譜效率。理論上拓?fù)淠Ｊ娇梢詿o限制的增大、即模式復(fù)用的次數(shù)沒有限制，基于此復(fù)用的MIMO系統(tǒng)將獲得更高的頻譜利用率。本文概述了淺海和深海水聲信道的差異，描述了水聲OAM-MIMO技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展情況，并提出了未來可能遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)和問題。OAM-TCM在水聲通信的應(yīng)用前景令人興奮，即存在機(jī)遇、也面臨巨大的技術(shù)風(fēng)險。

　　關(guān)鍵詞：水聲通信，MIMO，螺旋聲波，軌道角動量，拓?fù)淠Ｊ綇?fù)用

　　一、引言

　　21世紀(jì)初，世界各個海洋國家圍繞海權(quán)的爭端不斷加劇，海洋科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展具有極大的活力和廣闊的前景，成為當(dāng)前的熱點(diǎn)科學(xué)技術(shù)之一。近年來，鑒于海洋油氣等水下資源勘探的需要、以及沿岸有限戰(zhàn)爭概念的提出，并伴隨著我國海洋開發(fā)活動的增加和海上絲綢之路的不斷延伸，水聲通信在國計(jì)民生和軍事活動中占據(jù)越來越重要的地位。

　　有學(xué)者將MIMO技術(shù)引入水聲通信中來，利用聲波在水聲信道中的多徑/多途傳播特性來實(shí)現(xiàn)高速、可靠、多用戶通信[1]。有學(xué)者開展了基于軌道角動量(OAM，Orbit Angular Momentum)多路復(fù)用的陸上實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證聲波螺旋信號高效傳輸理論上的可行性[2];其將OAM螺旋波束復(fù)用與MIMO技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建基于螺旋聲波換能器陣列的通信系統(tǒng)，為水聲通信速率低的難題提供了新的解決途徑。

　　圖1中，OAM的四種拓?fù)淠Ｊ降穆暡ǎ瑢?yīng)MIMO通信的四個正交信道，發(fā)射端按照一定構(gòu)型組成發(fā)射換能器陣列，同時產(chǎn)生多個拓?fù)淠Ｊ降穆菪暡ǎ鐖D2所示，接收端采用相類似的陣列結(jié)構(gòu)。理論上四種拓?fù)淠Ｊ?l = 0，1，2，3)之間的正交性決定了可以將信息速率提升四倍。

　　因此揭示基于OAM的水聲通信高速傳輸機(jī)理，研究OAM-MIMO聲波復(fù)用信號的水下傳播特性與抗串?dāng)_方法，特別是開展針對淺海海域“波—流—湍流”耦合作用、考慮多路徑傳播、多普勒頻移的水聲OAM陣列信號產(chǎn)生、分離和處理方法的研究，在民用和軍事領(lǐng)域都具有重要意義和廣闊的應(yīng)用前景[3-6]。

　　二、OAM技術(shù)在水聲通信中應(yīng)用

　　(一)OAM聲波螺旋的產(chǎn)生

　　無論是在光學(xué)領(lǐng)域還是無線電領(lǐng)域，OAM都表征了螺旋相位結(jié)構(gòu)波形的自然屬性;通過引入OAM，通信系統(tǒng)的傳輸能力將得到擴(kuò)展[7]。攜帶OAM的聲波波束，其螺旋相位取決于OAM拓?fù)淠Ｊ剑碚撋喜煌耐負(fù)淠Ｊ降牟ㄔ诳臻g上正交，在提供了一種與能量、波長和極化方式為一樣的新的自由度[8]，構(gòu)成一種新的復(fù)用機(jī)制。

　　對于空氣中的光波和微波，不同拓?fù)淠Ｊ铰菪ㄊ漠a(chǎn)生方式很多，包括空間光調(diào)制器、透射螺旋結(jié)構(gòu)、透射光柵結(jié)構(gòu)、超表面、螺旋反射面、天線陣列、分時對稱環(huán)形諧振腔等[7，8]，并通過波束分離器或自旋軌道耦合完成波束復(fù)用，以達(dá)到增加數(shù)據(jù)傳輸速率的目的，這些方法為螺旋聲波的產(chǎn)生提供了借鑒。螺旋透射結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域，并且工作在較高頻段的毫米波。螺旋相位板通常使用單階，多階以及多孔狀螺旋相位結(jié)構(gòu)，在實(shí)際操作中較多使用多階梯螺旋相位板。

　　透射光柵結(jié)構(gòu)的具體產(chǎn)生方法包括基于叉形光柵，基于達(dá)曼渦旋光柵疊加渦旋光束，基于Lin算法的多模式，透射光柵結(jié)構(gòu)一般多使用計(jì)算全息方法。螺旋反射面產(chǎn)生軌道角動量的方法包括階梯型反射面和扭曲拋物反射面。螺旋反射面一般應(yīng)用于低頻段，當(dāng)波束入射螺旋反射面時，不同區(qū)域的波束出現(xiàn)不同的相位延遲，經(jīng)過巧妙地設(shè)計(jì)即可讓反射波束的波前發(fā)生扭曲形成渦旋波束。

　　環(huán)形行波分為環(huán)形金屬腔和環(huán)形槽線。行波天線模型一般采用偶極子天線，偶極子尺寸較小，通過將天線彎曲成圓環(huán)，然后對天線進(jìn)行饋電。饋電電流強(qiáng)度沿環(huán)保持恒定，而相位沿環(huán)連續(xù)變換。電磁超表面材料通過計(jì)算每個單元需要改變的相移，設(shè)計(jì)反射單元尺寸，通過尺寸分布可以的得到反射超表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。透射型電磁超表面可以同時獨(dú)立調(diào)控電磁波的幅度與相位的特性，可以將球面波變換為渦旋波束。反射陣列天線通過調(diào)節(jié)陣列單元結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)反射波的相位變化，使得反射波束具有任意的相位波前，根據(jù)反射陣單元的相移特性可以很方便地構(gòu)造螺旋的相位波前結(jié)構(gòu)，形成OAM波束。

　　天線陣列產(chǎn)生軌道角動量的方法包括，圓形相控陣，巴特勒矩陣饋電網(wǎng)絡(luò)天線陣和光延時單元天線陣。對于按照一定順序排列的天線陣列，依次對其饋送相同但相位依次延遲的信號，能夠使得發(fā)射的電磁波帶有軌道角動量。對空間上呈一定分布的天線使用相同饋電，利用空間分布的不同來產(chǎn)生相位延遲，也能夠產(chǎn)生軌道角動量波束。

　　陣列天線產(chǎn)生OAM波束實(shí)際就是利用連續(xù)相位延遲激勵陣列上的不同陣元，產(chǎn)生渦旋電磁波。一般應(yīng)用在低頻段，并且能做到輕量化和小型化，因此，陣列天線特別是圓形相控陣列天線的是目前最常用且常用的OAM波束產(chǎn)生方式，也會有很大的應(yīng)用場景。

　　OAM波束的檢測方式一般有單點(diǎn)法和相位梯度法。單點(diǎn)法是使用OAM遠(yuǎn)場近似從電場估計(jì)磁場，可以通過計(jì)算空間中每個點(diǎn)上波束的特定OAM模式數(shù)。相位梯度法是顯式地利用螺旋相位結(jié)構(gòu)，通過測量相位梯度來計(jì)算OAM模式，通過在XY平面上用兩點(diǎn)相位測量來近似相位梯度。

　　產(chǎn)生聲渦旋OAM的方式一般分為兩大類，有源和無源。有源技術(shù)屬于聲學(xué)相控技術(shù)，原理是通過對聲學(xué)換能器的獨(dú)立調(diào)控來形成相控陣列，產(chǎn)生能夠形成螺旋狀的相位分布。聲學(xué)OAM的有源產(chǎn)生方法需要昂貴的成本和復(fù)雜的電路，在高頻段應(yīng)用有一定的困難。

　　無源材料產(chǎn)生聲學(xué)OAM相對有源材料來講，方法更加簡單。Gspan等人通過在水槽中用脈沖激光來照射具有特殊結(jié)構(gòu)的吸聲材料表面，利用材料受熱后產(chǎn)生的熱彈效應(yīng)激發(fā)向另一側(cè)傳播的壓力波[9]。Ealo等人提出了利用多孔鐵電駐極體材料在空氣中產(chǎn)生渦旋聲場的理論方法，并在實(shí)驗(yàn)上加以實(shí)現(xiàn)[10]。基于超表面材料也可以產(chǎn)生聲學(xué)渦旋，劉正猷課題組提出了利用尺度小于波長的超表面將平面波轉(zhuǎn)化為帶有OAM的渦旋聲束。梁彬等人提出了利用超構(gòu)表面在聲學(xué)體系中引入OAM[11]。

　　推薦閱讀：計(jì)算機(jī)視覺論文投稿期刊