[发明专利]一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的方法和系统

权利要求书

1.一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在发射端和接收端设置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，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为经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；

（3）每条路径上的复合扭曲声波经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，在焦点处设置用于接收信号的传声器；

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。

2.根据权利要求1所述的基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信方法，其特征在于：步骤（2）中，将每组待传输的数据采用二进制振幅键控调制或正交振幅调制，将数据编码到每阶扭曲声波的幅值和相位中。

3.一种基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信系统，其特征在于：包括发射端和接收端，具有N对发射单元和接收单元，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，形成NM组独立的数据信道；将每一组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；

发射端以N个有源扬声器阵列作为N个发射单元，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N个基于超材料设计的无源解复用器作为N个接收单元，每个解复用器接收来自相应发射单元的复合扭曲声波并对复合扭曲声波进行解旋，并根据扭曲声波携带轨道角动量的阶数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；其中，M和N均为正整数。

4.根据权利要求3所述的基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信系统，其特征在于：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。

5.根据权利要求3所述的基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信系统，其特征在于：M=2，N=2，所述复合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。

6.根据权利要求3所述的基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信系统，其特征在于：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°。

7.根据权利要求3所述的基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信系统，其特征在于：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。

8.根据权利要求3所述的基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信系统，其特征在于：相对应的发射单元和接收单元之间的直线距离为1.2m。

9.根据权利要求3所述的基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信系统，其特征在于：相邻两个扬声器阵列的中心间隔为70cm。

10.根据权利要求3所述的基于复合扭曲声波的多路径空间复用的声学通信系统，其特征在于：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。