美國伯克利實驗室研發可大幅提高數據傳輸量的水聲通信技術

美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員找到一種通過水傳遞聲波的新方法，打開了水下高速通信活動的大門。這種新方法利用聲波傳播產生的動態旋轉即軌道角動量，能夠將更多的信道集中在單一頻率，有效增加信息傳輸量。

伯克利實驗室材料科學部的資深科學家、伯克利大學教授張翔表示，這項研究在高速水聲通信領域具有重大潛力。人類在水下的通信能力有限，因為微波在水中會被快速吸收，傳輸距離有限。光通信的效果也不好，因為在水中光線會發生散射。

低頻聲學仍然是遠距離水下通信的最佳選擇。聲納的用途廣泛，包括導航、海底測繪、漁業、海洋石油勘探和艦艇搜索等。研究人員表示水聲通信（特別是200米及以上距離）的可用帶寬限制在20 KHz以內的頻率範圍。這種低頻限制了數據傳輸率，只能達到每秒幾十KB的速度。

研究人員採用了多路復用，或者將不同信道併入單個共用信號的思想。雖然多路復用技術廣泛應用於電信和計算機網路，但是多路復用軌道角動量在此前卻從未應用於聲學通信。隨著聲音的傳播，聲波波前會形成螺旋狀或漩渦狀波束。這種波束的軌道角動量會形成空間自由度和獨立信道供研究人員編碼數據。研究人員表示，即使波束本身的頻率保持不變，不同軌道角動量的信道，旋轉的速度會不同，使得這些信道相互獨立。這是研究人員在相同聲束或脈衝中編碼不同二進位數據的原因。然後使用演算法解碼不同信道的信息，因為它們彼此獨立。

研究人員對該技術進行了演示：使用二進位形式對單詞「Berkeley」進行編碼，然後隨著聲波信號傳輸該信息，該聲波信號往常只能攜帶更少的數據。其試驗裝置位於伯克利實驗室，包含一個由64個換能器組成的數字控制電路。該電路產生螺旋狀波前來形成不同的信道。信號通過相互獨立的軌道角動量信道同時發出。研究人員使用的頻率為16 KHz，在聲納當前的使用頻率範圍之內。由32個感測器組成的接收器測量了聲波，並使用演算法進行了解碼。

研究人員表示，他們調整了每個換能器的振幅和相位來形成不同的模式及不同的信道。實驗使用了8個信道，可以同時傳輸8位數據。理論上，通過軌道角動量形成的信道數量可以更大。研究人員還表示，雖然試驗在空氣中進行，但是在這個頻率範圍內，聲波在水中和空氣中的物理學特徵是非常相似的。

研究人員稱，拓展水下通信能力開啟了新的探索之旅。這種能力最終可能帶來水下傳輸能力從純文本信息到高清視頻信息的巨大躍升，有力推動對海洋的探索與研究。

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