深海探测及开发能够扩大人类对海洋的认知范围、丰富人类矿藏资源等，因此一直是比较重要的海洋活动。作为常用的探测手段，传统的水声通信存在着传输速度慢、信息容量低的问题，不能满足日益增长的数据传输需求。因此如何提高水声通信的传输速度、扩大信息容量是一个亟待解决的问题。声学轨道角动量复路通信技术为此提供了可行的方案。然而，当前的轨道角动量复路通信研究大多都是在空气中开展的，能够适用于水下环境的轨道角动量复路通信技术尚待进一步探索和研究。

　　中科院噪声与振动重点实验室的研究人员利用五模材料超流体设计了一个水下涡旋波声学超表面，该系统能够分离不同阶数的涡旋波，从而实现水下涡旋波复路通信，有效地扩大通信的信息容量并提高传输效率。

　　相关研究成果2021年3月2日在线发表于国际学术期刊 Journal of Physics D: Applied 。

　　在前人研究的基础上，研究人员利用五模材料设计了一个阻抗匹配的解复用超表面（matching demultiplexing metasurface with pentamode materials, PM-DMM）来实现水下复路声通讯。该工作中复路信号由平面波(Ch1)和一阶涡旋波(Ch2)叠加而成。当信号通过超表面时，平面波会被转换成负一阶涡旋波，而涡旋波则被转换为平面波。在超表面前后分别放置两个探针，利用涡旋波中心声场为零的优势，则可以分别读取Ch1和Ch2的声场信息，进而实现对复路信号的解码。

　　研究人员利用商业有限元软件COMSOL Multiphysics对所设计的超表面进行了声学仿真实验，在仿真实验中，将图片“IOA” 所对应的像素点同时按照幅移键控和相移键控的编码原理编写进复路信号的各个信道中。将复路信号以脉冲的形式发射，每个脉冲周期包含 2bit 数据，分别对应两个像素点。最后在接收端读取各个信道的信号，并进行适当处理，则可以重建所传递的图片。

　　仿真结果证明了该系统在水声复路通信中的有效性，为水下声学轨道角动量复路通信系统的器件设计及实际应用奠定了一定的基础。

　　

　　图1. 水下轨道角动量复路声通讯超表面工作原理（图/中科院声学所）

　　

　　图2. 轨道角动量超表面器件：(a) 超表面由8份不同扇形单元拼装而成，(b) 每个扇形单元的横剖面图示，(c) 每个单元在平面波入射下的透射声场，(d) 8个单元的透射系数及相位（图/中科院声学所）

　　

　　图3. PM-DMM的仿真结果：(a) 频率为7100 Hz的平面波被超表面转换成了-1阶的涡旋波，(b) 涡旋波在z=235 mm处的幅值分布，(c) 涡旋波在z=235 mm处的相位分布，(d) 沿(c)中黄色圆环的相移（图/中科院声学所）

　　

　　图4. (a)与字母“IOA”对应的信号及其所携带的信息，(b)根据两个通道携带的数据所重构的图像（图/中科院声学所）

　　关键词：

　　复路通信；轨道角动量；超表面

　　参考文献：

　　SUN Zhaoyong, SHI Yu, SUN Xuecong, JIA Han, JIN Zhongkun, DENG Ke, YANG Jun. Underwater Acoustic Multiplexing Communication by Pentamode Metasurface. Journal of Physics D: Applied Physics 54(20), 205303 (2021); DOI: 10.1088/1361-6463/abe43e.

　　论文链接：

　　https://doi.org/10.1088/1361-6463/abe43e