海洋湍流下OAM光通信仿真实验设计

　　摘要：水下光通信UWOC具有传输速率高、容量大等特点，轨道角动量OAM具有空间螺旋相位分布特性，为水下光通信提供了空间自由度这一新的信息调制维度。该文建立了水下光通信系统下的海洋湍流随机相位屏模型，设计了海洋湍流下OAM光通信仿真实验，仿真验证了OAM作为信息载体的可行性，并为将其应用于通信系统实验教学与研究提供参考。

　　关键词：轨道角动量;海洋湍流;随机相位屏;空间分布

　　海洋在国际政治、经济、军事、外交中的地位日益凸显，海洋问题已成为国家发展的战略问题。我国是一个海洋大国，海上灾害预警、海岸警戒、海洋勘探、海上气象监测、海上安全、渔业资源监控、海上污染监测和海洋科学研究等，都需要通过海洋通信网络把水下数据实时传输至互联网或陆地服务器。

　　通信论文范例： 230MHz电力无线专网通信终端设计与应用

　　因此，维护海洋权益需要强大的水下信息服务能力作为支撑，需要大力研究海洋信息传输技术以提高我国海洋 资源开发能力。1963年，Duntley等人[1]在研究光波在海洋中的传输特性时发现，相较于其他波段光波，波长处于450~550nm的蓝绿波段光波在海水环境中，有一个衰减系数相对较小的传输窗口，这个发现为水下光通信的实现奠定了物理基础。

　　随着水下光通信(underwateropticalcommunication，UWOC)方面的研究不断深入，光波的基本信息调制维度已呈现出满足水下无线光通信对传输速率和系统容量需求的趋势。对于UWOC来说，光波类型的选择一直是一个关注度极高的话题。具有空间螺旋相位分布的轨道角动量光(orbitalangularmomentum，OAM)为水下无线光通信提供了空间自由度。作为新的信息调制维度资源，OAM光可以大幅提升通信系统的信道容量、信息传输速率、频谱效率和安全性能等[2]。

　　1相关研究

　　2017年，王伟等[3]研究了拉盖尔-高斯光束在海洋湍流下，基于M元轨道角动量键控调制的水下无线光通信系统的性能，并基于Rytov近似，得出接收信号之间的检测概率和功率分布。

　　刘永欣等[4]利用广义惠更斯菲涅耳衍射积分公式，得到了随机电磁高阶贝塞尔高斯光束在海洋湍流中传输的交叉谱密度矩阵的一般表达式。研究结果显示，海洋湍流能够对随机电磁高阶贝塞尔-高斯光束的归一化光谱强度分布产生影响，随着传输距离的增加，零阶贝塞尔-高斯光束中心出现凹陷，高阶贝塞尔-高斯光束中心会变平坦，继而又凹陷下去，当传输距离增加到足够远时，光强分布都会演变成最终的类高斯分布。

　　2018年，CuiXiaozhou等[5]研究了使用卷积神经网络的基于轨道角动量键控的水下光通信解码器，模拟了8种叠加的拉盖尔-高斯光束。结果表明，在温度主导的情况下，基于卷积神经网络的解码器在弱至中度湍流下具有较高的识别精度。当传输距离小于80m时识别精度高于95%，在强湍流下当传输距离小于60m时识别精度高于93%，传输距离大于60m时识别精度低于90%。陈鸣瑜[6]通过数值计算研究了海洋湍流环境下，温度与盐度的比值、各向异性因子等海洋湍流因素和部分一致性对海洋中信号传输质量的影响。

　　2019年，CuiXiaozhou等[7]选择长度为1m的水箱，通过往水箱里注入盐度为3.5%、浓度为3.5mg/m3的氢氧化铝溶液，分别模拟纯净海水和散射海水。通过实验证明了在水下光无线通信系统中，基于卷积神经网络的16进制轨道角动量键控解码器的性能。郭翊麟[8]研究了海洋湍流对径向指数、传输距离、湍流强度、信号波长等参数对水下OAM光通信误码率、容量等性能的影响。2020年，尹霄丽等[9]将空时编码技术应用到水下OAM通信系统中，并基于海洋湍流时变信道对整个通信系统进行了数值仿真。

　　仿真结果表明，空时编码可以有效降低水下OAM通信系统的误码率，增加通信的最大有效距离。荷锋涛等[10]建立了各向异性海洋湍流的折射谱模型，并基于该模型推导了汉克-贝塞尔光束在各向异性海洋湍流中的空间相干长度，通过分析得到汉克-贝塞尔光束在各向异性海洋湍流中的OAM模态探测概率的数学模型。通过数值仿真，研究了不同参数下汉克-贝塞尔光束的OAM模态探测概率、串扰发生概率和OAM螺旋谱分布。仿真结果表明，随着温度方差耗散率的增加以及动能耗散率的减小，接收端模式串扰加重，发射OAM模态的探测概率降低，螺旋相位谱弥散严重。进一步发现，随着各向异性因子的增大，海洋湍流对汉克-贝塞尔光束的串扰影响减小，发射OAM模态的探测概率和螺旋相位谱的扩展有显著改善。

　　2基础理论及模型建立

　　2.1轨道角动量基础理论光束不仅可以携带线动量，同时也可以携带角动量。其中，角动量又可以分为自旋角动量(spinangularmomentum，SAM)和轨道角动量OAM。光束携带的OAM的波前在传播方向上以螺旋的方式扭转，难以被仪器直接观测到，但却可以从光子与微小粒子之间的相互作用得到验证。光束被聚焦时，会捕捉液体中的微小粒子，这种现象被称为光镊现象。当聚焦的光束为携带OAM的光束时，OAM会通过相互作用使微小粒子围绕光轴旋转[11]。

　　OAM最大的特点是具有一个空间螺旋相位因子exp()il，其中是拓扑荷数，取值可为任意整数，为方向相位角。是OAM的模态值，任意两两不同模态值的OAM相互正交，这就使得OAM模态可以作为空间正交基，从而实现信息的传输。目前，已发现可携带OAM的常见涡旋光束有拉盖尔-高斯(LaguerreGaussian，LG)光束、贝塞尔高斯(BesselGaussian，BG)光束、厄米-高斯(HermiteGaussian，HG)光束、矢量旋涡光束和完美涡旋光束等。本文选择LG光束作为研究对象。

　　2.2海洋湍流基础理论

　　海洋湍流的本质是在温度梯度、盐度梯度等复杂因素的综合作用下造成海水折射率的随机波动[5]。海洋湍流会在光束的强度闪烁、扩展、漂移、波前和振幅失真等方面劣化无线光信号的质量，从而导致UWOC的性能大幅下降[12]。

　　2.3建立模型

　　海洋湍流对光束传输造成的影响可以近似等效为单纯的空间相位扰动[14]。因此，可以采用多块相位屏，通过将其等间距放置来模拟海洋湍流，通过将输入光场与相位指数函数相卷积，来实现由湍流引起的折射率波动，进而引起相位扰动，光束在相邻的两个相位屏之间进行自由空间传播。

　　3仿真结果

　　通过对比仿真结果可以发现，OAM在弱湍流环境下可以保持光强的环形结构和相位的螺旋状结构，说明OAM具有很强的稳定性，可以作为信息的载体。即使在强湍流环境下OAM的传输受到了较大的影响，也可以在接收端通过图像处理或卷积神经网络等技术手段进行信息还原，仍然可以实现有效通信。

　　4结语

　　本文研究了水下光通信系统中的轨道角动量和海洋湍流基础理论，建立了海洋湍流随机相位屏模型，并通过数值仿真分析了基于OAM的传输特性，为通信系统的实验教学设计与研究提供了参考。

　　参考文献(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]刘永欣，陈子阳，蒲继雄.随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中的传输特性[J].物理学报，2017,66(12):199–205.

　　作者：李晓记，孙雷鸣，王伟，黄洁梅