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：軌道角動量;海洋湍流;隨機(jī)相位屏;空間分布

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

　　通信論文范例： 230MHz電力無線專網(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)以提高我國海洋 資源開發(fā)能力。1963年，Duntley等人[1]在研究光波在海洋中的傳輸特性時發(fā)現(xiàn)，相較于其他波段光波，波長處于450~550nm的藍(lán)綠波段光波在海水環(huán)境中，有一個衰減系數(shù)相對較小的傳輸窗口，這個發(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)出滿足水下無線光通信對傳輸速率和系統(tǒng)容量需求的趨勢。對于UWOC來說，光波類型的選擇一直是一個關(guān)注度極高的話題。具有空間螺旋相位分布的軌道角動量光(orbitalangularmomentum，OAM)為水下無線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元軌道角動量鍵控調(diào)制的水下無線光通信系統(tǒng)的性能，并基于Rytov近似，得出接收信號之間的檢測概率和功率分布。

　　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-高斯光束中心會變平坦，繼而又凹陷下去，當(dāng)傳輸距離增加到足夠遠(yuǎn)時，光強(qiáng)分布都會演變成最終的類高斯分布。

　　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別精度。當(dāng)傳輸距離小于80m時識別精度高于95%，在強(qiáng)湍流下當(dāng)傳輸距離小于60m時識別精度高于93%，傳輸距離大于60m時識別精度低于90%。陳鳴瑜[6]通過數(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海洋中信號傳輸質(zhì)量的影響。

　　2019年，CuiXiaozhou等[7]選擇長度為1m的水箱，通過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。通過實(shí)驗(yàn)證明了在水下光無線通信系統(tǒng)中，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的16進(jìn)制軌道角動量鍵控解碼器的性能。郭翊麟[8]研究了海洋湍流對徑向指數(shù)、傳輸距離、湍流強(qiáng)度、信號波長等參數(shù)對水下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，并基于海洋湍流時變信道對整個通信系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真。

　　仿真結(jié)果表明，空時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度，通過分析得到漢克-貝塞爾光束在各向異性海洋湍流中的OAM模態(tài)探測概率的數(shù)學(xué)模型。通過數(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，海洋湍流對漢克-貝塞爾光束的串?dāng)_影響減小，發(fā)射OAM模態(tài)的探測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軌道角動量基礎(chǔ)理論光束不僅可以攜帶線動量，同時也可以攜帶角動量。其中，角動量又可以分為自旋角動量(spinangularmomentum，SAM)和軌道角動量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)，難以被儀器直接觀測到，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，會捕捉液體中的微小粒子，這種現(xiàn)象被稱為光鑷現(xiàn)象。當(dāng)聚焦的光束為攜帶OAM的光束時，OAM會通過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[5]。海洋湍流會在光束的強(qiáng)度閃爍、擴(kuò)展、漂移、波前和振幅失真等方面劣化無線光信號的質(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[14]。因此，可以采用多塊相位屏，通過將其等間距放置來模擬海洋湍流，通過將輸入光場與相位指數(shù)函數(shù)相卷積，來實(shí)現(xiàn)由湍流引起的折射率波動，進(jìn)而引起相位擾動，光束在相鄰的兩個相位屏之間進(jìn)行自由空間傳播。

　　3仿真結(jié)果

　　通過對比仿真結(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

　　本文研究了水下光通信系統(tǒng)中的軌道角動量和海洋湍流基礎(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，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