摘 要：將軌道角動量(OAM)理論引入水聲通信中來，利用不同拓撲模式螺旋聲波內在正交性，構建基于OAM拓撲模式復用(TCM)的多入多出(MIMO)水聲系統，獲得更高信道容量和頻譜效率。理論上拓撲模式可以無限制的增大、即模式復用的次數沒有限制，基于此復用的MIMO系統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技術的現狀和發展情況，并提出了未來可能遇到的技術挑戰和問題。OAM-TCM在水聲通信的應用前景令人興奮，即存在機遇、也面臨巨大的技術風險。

　　關鍵詞：水聲通信，MIMO，螺旋聲波，軌道角動量，拓撲模式復用

　　一、引言

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

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

　　圖1中，OAM的四種拓撲模式的聲波，對應MIMO通信的四個正交信道，發射端按照一定構型組成發射換能器陣列，同時產生多個拓撲模式的螺旋聲波，如圖2所示，接收端采用相類似的陣列結構。理論上四種拓撲模式(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理，研究OAM-MIMO聲波復用信號的水下傳播特性與抗串擾方法，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陣列信號產生、分離和處理方法的研究，在民用和軍事領域都具有重要意義和廣闊的應用前景[3-6]。

　　二、OAM技術在水聲通信中應用

　　(一)OAM聲波螺旋的產生

　　無論是在光學領域還是無線電領域，OAM都表征了螺旋相位結構波形的自然屬性;通過引入OAM，通信系統的傳輸能力將得到擴展[7]。攜帶OAM的聲波波束，其螺旋相位取決于OAM拓撲模式，理論上不同的拓撲模式的波在空間上正交，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]，構成一種新的復用機制。

　　對于空氣中的光波和微波，不同拓撲模式螺旋波束的產生方式很多，包括空間光調制器、透射螺旋結構、透射光柵結構、超表面、螺旋反射面、天線陣列、分時對稱環形諧振腔等[7，8]，并通過波束分離器或自旋軌道耦合完成波束復用，以達到增加數據傳輸速率的目的，這些方法為螺旋聲波的產生提供了借鑒。螺旋透射結構一般應用于光學領域，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構，在實際操作中較多使用多階梯螺旋相位板。

　　透射光柵結構的具體產生方法包括基于叉形光柵，基于達曼渦旋光柵疊加渦旋光束，基于Lin算法的多模式，透射光柵結構一般多使用計算全息方法。螺旋反射面產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。螺旋反射面一般應用于低頻段，當波束入射螺旋反射面時，不同區域的波束出現不同的相位延遲，經過巧妙地設計即可讓反射波束的波前發生扭曲形成渦旋波束。

　　環形行波分為環形金屬腔和環形槽線。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，然后對天線進行饋電。饋電電流強度沿環保持恒定，而相位沿環連續變換。電磁超表面材料通過計算每個單元需要改變的相移，設計反射單元尺寸，通過尺寸分布可以的得到反射超表面的拓撲結構。透射型電磁超表面可以同時獨立調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節陣列單元結構可以調節反射波的相位變化，使得反射波束具有任意的相位波前，根據反射陣單元的相移特性可以很方便地構造螺旋的相位波前結構，形成OAM波束。

　　天線陣列產生軌道角動量的方法包括，圓形相控陣，巴特勒矩陣饋電網絡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生相位延遲，也能夠產生軌道角動量波束。

　　陣列天線產生OAM波束實際就是利用連續相位延遲激勵陣列上的不同陣元，產生渦旋電磁波。一般應用在低頻段，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波束產生方式，也會有很大的應用場景。

　　OAM波束的檢測方式一般有單點法和相位梯度法。單點法是使用OAM遠場近似從電場估計磁場，可以通過計算空間中每個點上波束的特定OAM模式數。相位梯度法是顯式地利用螺旋相位結構，通過測量相位梯度來計算OAM模式，通過在XY平面上用兩點相位測量來近似相位梯度。

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

　　無源材料產生聲學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構的吸聲材料表面，利用材料受熱后產生的熱彈效應激發向另一側傳播的壓力波[9]。Ealo等人提出了利用多孔鐵電駐極體材料在空氣中產生渦旋聲場的理論方法，并在實驗上加以實現[10]。基于超表面材料也可以產生聲學渦旋，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化為帶有OAM的渦旋聲束。梁彬等人提出了利用超構表面在聲學體系中引入OAM[11]。

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