Page 157 - 《应用声学》2022年第3期
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第 41 卷 第 3 期            徐洁等： 水声通信中基于均匀圆阵列的涡旋声波性能分析                                          479


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                                                                           L/
                                         L/     L/
                                                                           L/
                                         L/     L/
                                                                 1.0       L/
                      ˟ၥฉౌᝈ/(O)                                 ˟ၥ࢏ϙ/Pa  0.8
                       15

                                                                 0.6
                       10
                                                                 0.4
                              10         15         20                   10         15         20
                                    ᫼ѵӭЋ஝ (˔)                                  ᫼ѵӭЋ஝ (˔)
                                (a) ᫼ѵӭЋ஝vs˟ၥฉౌᝈ                           (b) ᫼ѵӭЋ஝vs˟ၥ࢏ϙ

                                            图 8  阵列单元数与主瓣波束角和峰值关系
                Fig. 8 The relationship between the number of array elements and the main lobe beam angle and peak value

             4 结论                                              修正和实验验证工作。另外，实验团队已经就不同
                                                               场景下的水声信道环境进行了建模仿真，数据收集
                 本文研究通过水声换能器阵列产生 L-G 型                         和试验验证工作。
             OAM 涡旋声波，分析阵列半径、频率、阵列单元
             数等对产生的OAM涡旋声波的性能影响。首先，通
                                                                              参 考 文        献
             过 N 个换能器以相同相位差均匀地放在半径为 a
             的圆周上，以相同频率、相同相位差的信号源接入
                                                                 [1] Shi C, Dubois M, Wang Y, et al. High-speed acoustic
             换能器，模拟出OAM涡旋声波。然后依次对阵列半
                                                                   communication by multiplexing orbital angular momen-
             径、频率、阵列单元数等参数影响进行分析并得出                                tum[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,
             结论。模式数越高，主瓣波束角越大，主瓣峰值越                                2017, 114(28): 7250–7253.
                                                                 [2] 朱敏, 武岩波. 水声通信技术进展 [J]. 中国科学院院刊, 2019,
             小。阵列半径越大，主瓣波束角越大，并且在模式数
                                                                   34(3): 289–296.
             高时更加明显，而主瓣峰值则随着阵列半径的增大                                Zhu Min, Wu Yanbo. Development of underwater acous-
             而减小；频率越高，主瓣波束角越小，主瓣峰值变化                               tic communication technology[J]. Proceedings of Chinese
                                                                   Academy of Sciences, 2019, 34(3): 289–296.
             不大；阵列单元数对主瓣波束角无影响，但与主瓣峰
                                                                 [3] Uchida M, Tonomura A. Generation of electron beams
             值成正比关系，阵列单元数越多，主瓣峰值越大。                                carrying orbital angular momentum[J]. Nature, 2010,
                 目前本文通过模拟换能器产生 OAM 涡旋声                             464(7289): 737–739.
             波，给出它的三维时空图以及幅度和相位图，然后进                             [4] Mahmouli F E, Walker S D. 4-Gbps uncompressed video
                                                                   transmission over a 60-GHz orbital angular momentum
             一步分析了阵列单元数、阵列半径、以及频率对涡
                                                                   wireless channel[J]. IEEE Wireless Communications Let-
             旋声波的主瓣波束角以及峰值的影响。未来的工作                                ters, 2013, 2(2): 223–226.
             将通过 FPGA 调制水声换能器所需的同频固定相                            [5] Park W, Wang L, Brüns H D, et al.  Introducing a
                                                                   mixed-mode matrix for investigation of wireless commu-
             位差的信号源，接入水声换能器中产生实际涡旋声
                                                                   nication related to orbital angular momentum[J]. IEEE
             波信号并通过水听器进行接收检测，同时进一步验                                Transactions on Antennas and Propagation, 2018, 67(3):
             证阵列半径、单元数、频率等对主瓣波束角和峰值                                1719–1728.
                                                                 [6] Zhang Z, Zheng S, Jin X, et al. Generation of plane spiral
             实际影响。
                                                                   OAM waves using traveling-wave circular slot antenna[J].
                 当前的仿真是针对理想信道的理论验证，对标                              IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2016,
             的是实验室水箱静态水环境，以便于与参考文献中                                16: 8–11.
             的仿真结果进行比较 (参考文献中的数据也多是基                             [7] Casanova F, Ealo J L. Dynamic quantification of the angu-
                                                                   lar momentum transferred to objects through an airborne
             于实验室水箱理想信道环境的)；未来将在室外开放
                                                                   acoustic vortex[C]//2016 IEEE International Ultrasonics
             海水环境中，开展实际水声信道的性能分析、算法                                Symposium (IUS). Tours, France: IEEE Press, 2016: 1–4.
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