美伯克利实验室研发新型水声通信技术
美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员找到一种通过水传递声波的新方法，打开了水下高速通信活动的大门。这种新方法利用声波传播产生的动态旋转即轨道角动量，能够将更多的信道集中在单一频率，有效增加信息传输量。伯克利实验室材料科学部的资深科学家、伯克利大学教授张翔表示，这项研究在高速水声通信领域具有重大潜力。人类在水下的通信能力有限，因为微波在水中会被快速吸收，传输距离有限。光通信的效果也不好，因为在水中光线会发生散射。
低频声学仍然是远距离水下通信的最佳选择。声纳的用途广泛，包括导航、海底测绘、渔业、海洋石油勘探和舰艇搜索等。研究人员表示水声通信(特别是200米及以上距离)的可用带宽限制在20KHz以内的频率范围。这种低频限制了数据传输率，只能达到每秒几十KB的速度。
研究人员采用了多路复用，或者将不同信道并入单个共用信号的思想。虽然多路复用技术广泛应用于电信和计算机网络，但是多路复用轨道角动量在此前却从未应用于声学通信。随着声音的传播，声波波前会形成螺旋状或漩涡状波束。这种波束的轨道角动量会形成空间自由度和独立信道，供研究人员编码数据。研究人员表示，即使波束本身的频率保持不变，不同轨道角动量的信道，旋转的速度会不同，使得这些信道相互独立。这是研究人员在相同声束或脉冲中编码不同二进制数据的原因。然后使用算法解码不同信道的信息，因为它们彼此独立。
研究人员对该技术进行了演示：使用二进制形式对单词“Berkeley”进行编码，然后随着声波信号传输该信息，该声波信号往常只能携带更少的数据。其试验装置位于伯克利实验室，包含一个由64个换能器组成的数字控制电路。该电路产生螺旋状波前来形成不同的信道。信号通过相互独立的轨道角动量信道同时发出。研究人员使用的频率为16KHz，在声纳当前的使用频率范围之内。由32个传感器组成的接收器测量了声波，并使用算法进行了解码。
研究人员表示，他们调整了每个换能器的振幅和相位来形成不同的模式及不同的信道。实验使用了8个信道，可以同时传输8位数据。理论上，通过轨道角动量形成的信道数量可以更大。研究人员还表示，虽然试验在空气中进行，但是在这个频率范围内，声波在水中和空气中的物理学特征是非常相似的。
研究人员称，拓展水下通信能力开启了新的探索之旅。这种能力最终可能带来水下传输能力从纯文本信息到高清视频信息的巨大跃升，有力推动对海洋的探索与研究。
来源：国防科技要闻(ID：CDSTIC)
原文来源于：Phys.org
作者：中国国防科技信息中心 张珂
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