美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員找到一種通過(guò)水傳遞聲波的新方法，打開(kāi)了水下高速通信活動(dòng)的大門(mén)。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(lèi)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€(xiàn)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?xún)?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(lái)形成不同的信道。信號(hào)通過(guò)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(lái)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(guò)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(chēng)，拓展水下通信能力開(kāi)啟了新的探索之旅。這種能力最終可能帶來(lái)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。