[发明专利]一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法及系统

权利要求书

1.一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法，包括如下步骤：

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，获取所述基带数字信息；

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；

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，f为声波频率；

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；

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。

2.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于轨道角动量复用技术的水声通信方法，其特征在于，所述调制和解调使用二进制振幅键控(OOK)法来实现。

4.一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，获取所述基带数字信息的模块；

其中，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；

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，f为声波频率；

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；

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。

5.一种水声通信系统，其特征在于包括：

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，获取所述基带数字信息；

其中，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；

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，f为声波频率；

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；

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。