美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)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(dòng)的大門。這種新方法利用聲波傳播產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)即軌道角動(dòng)量，能夠?qū)⒏嗟男诺兰性趩我活l率，有效增加信息傳輸量。

伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的資深科學(xué)家、伯克利大學(xué)教授張翔表示，這項(xiàng)研究在高速水聲通信領(lǐng)域具有重大潛力。人類在水下的通信能力有限，因?yàn)?a target="_blank">微波在水中會(huì)被快速吸收，傳輸距離有限。光通信的效果也不好，因?yàn)樵谒泄饩€會(huì)發(fā)生散射。

低頻聲學(xué)仍然是遠(yuǎn)距離水下通信的最佳選擇。聲納的用途廣泛，包括導(dǎo)航、海底測(cè)繪、漁業(yè)、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20KHz以內(nèi)的頻率范圍。這種低頻限制了數(shù)據(jù)傳輸率，只能達(dá)到每秒幾十KB的速度。

研究人員采用了多路復(fù)用，或者將不同信道并入單個(gè)共用信號(hào)的思想。雖然多路復(fù)用技術(shù)廣泛應(yīng)用于電信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，但是多路復(fù)用軌道角動(dòng)量在此前卻從未應(yīng)用于聲學(xué)通信。隨著聲音的傳播，聲波波前會(huì)形成螺旋狀或漩渦狀波束。這種波束的軌道角動(dòng)量會(huì)形成空間自由度和獨(dú)立信道，供研究人員編碼數(shù)據(jù)。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(dòng)量的信道，旋轉(zhuǎn)的速度會(huì)不同，使得這些信道相互獨(dú)立。這是研究人員在相同聲束或脈沖中編碼不同二進(jìn)制數(shù)據(jù)的原因。然后使用算法解碼不同信道的信息，因?yàn)樗鼈儽舜霜?dú)立。

研究人員對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了演示：使用二進(jìn)制形式對(duì)單詞“Berkeley”進(jìn)行編碼，然后隨著聲波信號(hào)傳輸該信息，該聲波信號(hào)往常只能攜帶更少的數(shù)據(jù)。其試驗(yàn)裝置位于伯克利實(shí)驗(yàn)室，包含一個(gè)由64個(gè)換能器組成的數(shù)字控制電路。該電路產(chǎn)生螺旋狀波前來形成不同的信道。信號(hào)通過相互獨(dú)立的軌道角動(dòng)量信道同時(shí)發(fā)出。研究人員使用的頻率為16KHz，在聲納當(dāng)前的使用頻率范圍之內(nèi)。由32個(gè)傳感器組成的接收器測(cè)量了聲波，并使用算法進(jìn)行了解碼。

研究人員表示，他們調(diào)整了每個(gè)換能器的振幅和相位來形成不同的模式及不同的信道。實(shí)驗(yàn)使用了8個(gè)信道，可以同時(shí)傳輸8位數(shù)據(jù)。理論上，通過軌道角動(dòng)量形成的信道數(shù)量可以更大。研究人員還表示，雖然試驗(yàn)在空氣中進(jìn)行，但是在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，聲波在水中和空氣中的物理學(xué)特征是非常相似的。

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(dòng)對(duì)海洋的探索與研究。