摘要：水下光通信UWOC具有傳輸速率高、容量大等特點(diǎn)，軌道角動(dòng)量OAM具有空間螺旋相位分布特性，為水下光通信提供了空間自由度這一新的信息調(diào)制維度。該文建立了水下光通信系統(tǒng)下的海洋湍流隨機(jī)相位屏模型，設(shè)計(jì)了海洋湍流下OAM光通信仿真實(shí)驗(yàn)，仿真驗(yàn)證了OAM作為信息載體的可行性，并為將其應(yīng)用于通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究提供參考。

　　關(guān)鍵詞：軌道角動(dòng)量;海洋湍流;隨機(jī)相位屏;空間分布

　　海洋在國(guó)際政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、外交中的地位日益凸顯，海洋問(wèn)題已成為國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略問(wèn)題。我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，海上災(zāi)害預(yù)警、海岸警戒、海洋勘探、海上氣象監(jiān)測(cè)、海上安全、漁業(yè)資源監(jiān)控、海上污染監(jiān)測(cè)和海洋科學(xué)研究等，都需要通過(guò)海洋通信網(wǎng)絡(luò)把水下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至互聯(lián)網(wǎng)或陸地服務(wù)器。

　　通信論文范例： 230MHz電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)通信終端設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　　因此，維護(hù)海洋權(quán)益需要強(qiáng)大的水下信息服務(wù)能力作為支撐，需要大力研究海洋信息傳輸技術(shù)以提高我國(guó)海洋 資源開(kāi)發(fā)能力。1963年，Duntley等人[1]在研究光波在海洋中的傳輸特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，相較于其他波段光波，波長(zhǎng)處于450~550nm的藍(lán)綠波段光波在海水環(huán)境中，有一個(gè)衰減系數(shù)相對(duì)較小的傳輸窗口，這個(gè)發(fā)現(xiàn)為水下光通信的實(shí)現(xiàn)奠定了物理基礎(chǔ)。

　　隨著水下光通信(underwateropticalcommunication，UWOC)方面的研究不斷深入，光波的基本信息調(diào)制維度已呈現(xiàn)出滿(mǎn)足水下無(wú)線(xiàn)光通信對(duì)傳輸速率和系統(tǒng)容量需求的趨勢(shì)。對(duì)于UWOC來(lái)說(shuō)，光波類(lèi)型的選擇一直是一個(gè)關(guān)注度極高的話(huà)題。具有空間螺旋相位分布的軌道角動(dòng)量光(orbitalangularmomentum，OAM)為水下無(wú)線(xiàn)光通信提供了空間自由度。作為新的信息調(diào)制維度資源，OAM光可以大幅提升通信系統(tǒng)的信道容量、信息傳輸速率、頻譜效率和安全性能等[2]。

　　1相關(guān)研究

　　2017年，王偉等[3]研究了拉蓋爾-高斯光束在海洋湍流下，基于M元軌道角動(dòng)量鍵控調(diào)制的水下無(wú)線(xiàn)光通信系統(tǒng)的性能，并基于Rytov近似，得出接收信號(hào)之間的檢測(cè)概率和功率分布。

　　劉永欣等[4]利用廣義惠更斯菲涅耳衍射積分公式，得到了隨機(jī)電磁高階貝塞爾高斯光束在海洋湍流中傳輸?shù)慕徊孀V密度矩陣的一般表達(dá)式。研究結(jié)果顯示，海洋湍流能夠?qū)﹄S機(jī)電磁高階貝塞爾-高斯光束的歸一化光譜強(qiáng)度分布產(chǎn)生影響，隨著傳輸距離的增加，零階貝塞爾-高斯光束中心出現(xiàn)凹陷，高階貝塞爾-高斯光束中心會(huì)變平坦，繼而又凹陷下去，當(dāng)傳輸距離增加到足夠遠(yuǎn)時(shí)，光強(qiáng)分布都會(huì)演變成最終的類(lèi)高斯分布。

　　2018年，CuiXiaozhou等[5]研究了使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基于軌道角動(dòng)量鍵控的水下光通信解碼器，模擬了8種疊加的拉蓋爾-高斯光束。結(jié)果表明，在溫度主導(dǎo)的情況下，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解碼器在弱至中度湍流下具有較高的識(shí)別精度。當(dāng)傳輸距離小于80m時(shí)識(shí)別精度高于95%，在強(qiáng)湍流下當(dāng)傳輸距離小于60m時(shí)識(shí)別精度高于93%，傳輸距離大于60m時(shí)識(shí)別精度低于90%。陳鳴瑜[6]通過(guò)數(shù)值計(jì)算研究了海洋湍流環(huán)境下，溫度與鹽度的比值、各向異性因子等海洋湍流因素和部分一致性對(duì)海洋中信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響。

　　2019年，CuiXiaozhou等[7]選擇長(zhǎng)度為1m的水箱，通過(guò)往水箱里注入鹽度為3.5%、濃度為3.5mg/m3的氫氧化鋁溶液，分別模擬純凈海水和散射海水。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了在水下光無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的16進(jìn)制軌道角動(dòng)量鍵控解碼器的性能。郭翊麟[8]研究了海洋湍流對(duì)徑向指數(shù)、傳輸距離、湍流強(qiáng)度、信號(hào)波長(zhǎng)等參數(shù)對(duì)水下OAM光通信誤碼率、容量等性能的影響。2020年，尹霄麗等[9]將空時(shí)編碼技術(shù)應(yīng)用到水下OAM通信系統(tǒng)中，并基于海洋湍流時(shí)變信道對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真。

　　仿真結(jié)果表明，空時(shí)編碼可以有效降低水下OAM通信系統(tǒng)的誤碼率，增加通信的最大有效距離。荷鋒濤等[10]建立了各向異性海洋湍流的折射譜模型，并基于該模型推導(dǎo)了漢克-貝塞爾光束在各向異性海洋湍流中的空間相干長(zhǎng)度，通過(guò)分析得到漢克-貝塞爾光束在各向異性海洋湍流中的OAM模態(tài)探測(cè)概率的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)數(shù)值仿真，研究了不同參數(shù)下漢克-貝塞爾光束的OAM模態(tài)探測(cè)概率、串?dāng)_發(fā)生概率和OAM螺旋譜分布。仿真結(jié)果表明，隨著溫度方差耗散率的增加以及動(dòng)能耗散率的減小，接收端模式串?dāng)_加重，發(fā)射OAM模態(tài)的探測(cè)概率降低，螺旋相位譜彌散嚴(yán)重。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，隨著各向異性因子的增大，海洋湍流對(duì)漢克-貝塞爾光束的串?dāng)_影響減小，發(fā)射OAM模態(tài)的探測(cè)概率和螺旋相位譜的擴(kuò)展有顯著改善。

　　2基礎(chǔ)理論及模型建立

　　2.1軌道角動(dòng)量基礎(chǔ)理論光束不僅可以攜帶線(xiàn)動(dòng)量，同時(shí)也可以攜帶角動(dòng)量。其中，角動(dòng)量又可以分為自旋角動(dòng)量(spinangularmomentum，SAM)和軌道角動(dòng)量OAM。光束攜帶的OAM的波前在傳播方向上以螺旋的方式扭轉(zhuǎn)，難以被儀器直接觀(guān)測(cè)到，但卻可以從光子與微小粒子之間的相互作用得到驗(yàn)證。光束被聚焦時(shí)，會(huì)捕捉液體中的微小粒子，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為光鑷現(xiàn)象。當(dāng)聚焦的光束為攜帶OAM的光束時(shí)，OAM會(huì)通過(guò)相互作用使微小粒子圍繞光軸旋轉(zhuǎn)[11]。

　　OAM最大的特點(diǎn)是具有一個(gè)空間螺旋相位因子exp()il，其中是拓?fù)浜蓴?shù)，取值可為任意整數(shù)，為方向相位角。是OAM的模態(tài)值，任意兩兩不同模態(tài)值的OAM相互正交，這就使得OAM模態(tài)可以作為空間正交基，從而實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。目前，已發(fā)現(xiàn)可攜帶OAM的常見(jiàn)渦旋光束有拉蓋爾-高斯(LaguerreGaussian，LG)光束、貝塞爾高斯(BesselGaussian，BG)光束、厄米-高斯(HermiteGaussian，HG)光束、矢量旋渦光束和完美渦旋光束等。本文選擇LG光束作為研究對(duì)象。

　　2.2海洋湍流基礎(chǔ)理論

　　海洋湍流的本質(zhì)是在溫度梯度、鹽度梯度等復(fù)雜因素的綜合作用下造成海水折射率的隨機(jī)波動(dòng)[5]。海洋湍流會(huì)在光束的強(qiáng)度閃爍、擴(kuò)展、漂移、波前和振幅失真等方面劣化無(wú)線(xiàn)光信號(hào)的質(zhì)量，從而導(dǎo)致UWOC的性能大幅下降[12]。

　　2.3建立模型

　　海洋湍流對(duì)光束傳輸造成的影響可以近似等效為單純的空間相位擾動(dòng)[14]。因此，可以采用多塊相位屏，通過(guò)將其等間距放置來(lái)模擬海洋湍流，通過(guò)將輸入光場(chǎng)與相位指數(shù)函數(shù)相卷積，來(lái)實(shí)現(xiàn)由湍流引起的折射率波動(dòng)，進(jìn)而引起相位擾動(dòng)，光束在相鄰的兩個(gè)相位屏之間進(jìn)行自由空間傳播。

　　3仿真結(jié)果

　　通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，OAM在弱湍流環(huán)境下可以保持光強(qiáng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)和相位的螺旋狀結(jié)構(gòu)，說(shuō)明OAM具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以作為信息的載體。即使在強(qiáng)湍流環(huán)境下OAM的傳輸受到了較大的影響，也可以在接收端通過(guò)圖像處理或卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段進(jìn)行信息還原，仍然可以實(shí)現(xiàn)有效通信。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　本文研究了水下光通信系統(tǒng)中的軌道角動(dòng)量和海洋湍流基礎(chǔ)理論，建立了海洋湍流隨機(jī)相位屏模型，并通過(guò)數(shù)值仿真分析了基于OAM的傳輸特性，為通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與研究提供了參考。

　　參考文獻(xiàn)(References)

　　[1]DUNTLEYSQ.Lightinthesea[J].JournaloftheOpticalSocietyofAmerica,1963(53):214–233.

　　[2]MORGANKS,JOHSONEG,COCHENOURBM.Attenuationofbeamswithorbitalangularmomentumforunderwatercommunicationsystems:IEEEOCEANS2015-MTS/IEEEWashington[C].Washington:IEEE,2015.

　　[3]WANGW,WANGP,CAOT,etal.PerformanceinvestigationofunderwaterwirelessopticalcommunicationsystemusingM-aryOAMSKmodulationoveroceanicturbulence[J].IEEEPhotonicsJournal,2017,9(5):1–15.

　　[4]劉永欣，陳子陽(yáng)，蒲繼雄.隨機(jī)電磁高階Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中的傳輸特性[J].物理學(xué)報(bào)，2017,66(12):199–205.

　　作者：李曉記，孫雷鳴，王偉，黃潔梅