背景

声涡旋具有螺旋状的波阵面，在传播轴中心处形成相位奇点及声压零值区。它所携带的轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)能够作用于物体产生扭矩，在生物医学超声等领域具有重要应用价值，如非接触式细胞筛选、药物靶向递送等。此外，得益于模式间的正交性，OAM可作为新的通信自由度并与现有的调制和复用技术兼容，提高声通信的容量和传输效率，为实现医学超声器件的无线传感和高速通信提供了新方案。

电磁系统中成熟应用的大规模阵元调制和接收阵列器件促进了电磁OAM通信技术的发展。与之相比，声学系统中难以实现类似的大规模动态调制和接收，限制了OAM复用技术在声传感和通信中的应用。对OAM的空间解复用需要获取二维声场信息，通过空间扫描的方法难以实现实时通信，而传感器阵列接收面临着软硬件复杂、阵元数受限的问题；超材料可作为一种替代声场扫描的被动解调方法，其要求各阶OAM通道对应单独的接收传感器，并且将引入插入损失、空间混叠等问题，难以解调高阶OAM。因此对进一步扩展OAM复用通信容量仍存在较大限制。目前，尚无一种有效的方法，能仅使用单一传感器实现对所有复用OAM阶数的空间解复用。

内容

研究通过引入旋转多普勒效应，在接收端将OAM域的信息变换至频域，对单传感器接收到的时域信号进行快速傅里叶变换即可反演不同OAM阶数所携带的信息，该方案可以仅使用单传感器就解调所有复用的OAM阶数。得益于OAM的正交性和旋转多普勒效应下OAM模态与频偏的一一对应性，在不同类型噪声的环境下均可保持低误码率。

图1.声学OAM通信解复用原理对比。(a)-(d)本工作所提出的单传感器OAM解复用技术。(e)-(h)基于声场扫描的OAM解复用。

在信号发射端，通过迭代优化算法，使用16 x 16阵元的低精度相控阵实现了完美涡旋声束的构建。完美涡旋声束将不同的OAM模态耦合至相同半径，同时，算法可抑制低精度相控阵发射导致的OAM间的复用混叠。在接收端，仅使用单个旋转传感器即可同时探测所有OAM通道内的信号并实现解调和信息提取。所展示的案例中，作者构建了从-4阶到4阶的8个OAM复用通道。结合完美涡旋的发射和旋转多普勒的接收解调，搭建声学OAM复用通信系统，实时地传输了8幅图片，在现有硬件基础上实现了8倍的速率提升。进一步可通过引入更高阶OAM和提高传感器的旋转速度来提高通信速率。

图2.声学OAM复用通信实验

为评估单传感器声学通信方法的噪声鲁棒性，研究中进一步分析了在高斯型和非高斯型（alpha stable）噪声干扰下误码率随信噪比的变化，同时对比了在幅移键控(ASK)和相移键控(PSK)编码方法下的结果。在高斯噪声模型中信噪比大于2dB时，ASK误码率小于1%，PSK的误码率小于0.02%；在非高斯噪声模型中信噪比大于2dB时，ASK的误码率小于1%，PSK的误码率小于0.2%。

图3单传感器声学通信系统的误码率分析

总结

在这项研究中，作者提出了基于旋转多普勒的单传感器声学轨道角动量通信系统。基于旋转多普勒的解复用和完美涡旋发射将对后续声学轨道角动量通信带来启发，并有望在医学超声器件的无线传感和高速通信中实现关键应用。研究成果以“Spatiotemporal Acoustic Communication by a Single Sensor via Rotational Doppler Effect”为题发表在“Advanced Science”(DOI:10.1002/advs.202206619)。论文第一作者为博士生张传鑫和江雪副教授，通讯作者为江雪副教授和他得安教授。

原文：http://dx.doi.org/10.1002/advs.202206619