基于旋转多普勒效应的涡旋声束解复用方法技术

本发明专利技术涉及一种基于旋转多普勒效应的涡旋声束解复用方法，属于声通信技术领域。该方法为：首先构建一圆形阵列声源系统和一传声器圆形阵列；通过圆形阵列声源系统生成复用涡旋声束，再依次提取等间隔传声器采集的时域信号，以测量随旋转观察者转速变化的声压频谱；在频谱中对每一个涡旋声束拓扑级数对应的峰值进行识别，并依据峰值频率与涡旋声束拓扑级数的关系实现对复用涡旋声束的解复用。本发明专利技术可避免单个传声器低频响应不足的问题，能够快速简便的进行涡旋声束解复用，实现实时、大容量、高精度声通信。高精度声通信。高精度声通信。

【技术实现步骤摘要】
of Sciences of the United States of America,2017,114(28):7250
‑
7253.
[0007][2]LI X,LI Y,MA Q,GUO G,et al.Principle and performance of orbital angular momentumcommunication of acoustic vortex beams on single
‑
ring transceiver arrays[J].Journal of Applied Physics,2020,127(12):124902.
[0008][3]GUO G,LI X,WANG Q,LI Y,et al.Spectrum decomposition
‑
based obital angular momentum communication of acoustic vortex beams using single
‑
ring transceiver arrays[J].IEEE Transcations on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2020,68(4):1399
‑
1407.
[0009][4]ZHANG C,JIANG X,HE J,et al.Spatiotemporal acoustic communication by a single sensor via rotational doppler effect[J].Advanced Science.2023,2:2206619.

技术实现思路

[0010]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于旋转多普勒效应的涡旋声束解复用方法，通过依次提取等间隔传声器时域信号测量随旋转观察者转速变化的声压频谱，并基于旋转多普勒效应进行快捷的涡旋声束解复用，解决单旋转传声器解复用在低频声通信领域可能存在的传声器响应不足和信道串扰问题。
[0011]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0012]一种基于旋转多普勒效应的涡旋声束解复用方法，该方法不需要预先测量单拓扑声束，而是采用静止圆形传声器阵列直接测量多拓扑涡旋声束的时域声压信号，并假想存在一观察者沿着传声器圆形阵列旋转，依次提取该观察者接收的声压信号，最终基于该声信号的多普勒频移特性进行解复用。其中，旋转多普勒效应是指，观察者在涡旋声束平面旋转时，接收的信号频率f
D
随观察者转速Ω变化而改变(f
D
＝f0+lΩ)。
[0013]该方法具体为：首先构建一圆形阵列声源系统和一传声器圆形阵列；通过圆形阵列声源系统生成复用涡旋声束，再依次提取等间隔传声器采集的时域信号，以测量随旋转观察者转速变化的声压频谱；在频谱中对每一个涡旋声束拓扑级数对应的峰值进行识别，并依据峰值频率与涡旋声束拓扑级数的关系实现对复用涡旋声束的解复用。
[0014]其中圆形阵列声源系统由N
s
个沿圆环均匀分布的声源组成，且每个声源相对于前一声源具有的相位延迟以产生涡旋声束，其中l表示涡旋声束拓扑级数。
[0015]进一步地，声压频谱的生成方式如下：通过传声器圆形阵列采集得到原始信号，再按相同时间间隔依次采集传声器圆形阵列中各传声器的原始信号得到声压信号p
D
，通过快速傅里叶变换将p
D
转换为频谱P
D
。
[0016]时间间隔为ΔNΔt0，其中ΔN和Δt0分别为：
[0017][0018]Δt0＝1/F
s0
[0019]式中，round{
·
}表示取整函数，Ω
ar
表示旋转观察者的旋转频率，F
s0
表示声卡的采样频率，N
r
表示传声器总数。
[0020]进一步地，复用涡旋声束的解复用具体为：
[0021]在频谱中对涡旋声束不同拓扑级数对应的峰值进行识别，若频谱中存在某拓扑级数对应的峰值，则该拓扑级数解码为1，否则解码为0。
[0022]各拓扑级数对应的峰值表示为：
[0023]f
D
＝|f0+lΩ|
[0024]式中，f0表示涡旋声束源频率，Ω表示观察者的实际离散旋转频率，
[0025]进一步地，生成的复用涡旋声束的源频率需要满足：
[0026]f0＞Ω
·
max(|l
‑
|)
[0027]式中，l
‑
表示负拓扑级数。
[0028]本专利技术的有益效果在于：本专利技术基于旋转多普勒效应，采用简单的圆形传声器阵列即可方便快捷地实现复用涡旋声束的解复用，同时能够有效避免拓扑级数为负时传声器低频响应不足导致信号采集失真的问题；此外，针对涡旋声束信道串扰，本专利技术通过限制涡旋声束源频率以避免串扰问题。本专利技术装置安装简单，低频测量准确，并可一次性测量多转速工况。
[0029]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0030]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：
[0031]图1为涡旋声束生成及采集装置结构示意图；
[0032]图2为传声器圆形阵列结构示意图；
[0033]图3为采样得到的声压频谱，图3(a)为Ω＝28Hz的P
D
频谱，图3(b)为Ω＝50Hz的P
D
频谱；
[0034]图4为解复用失效的频谱示意图，图4(a)为Ω＝30Hz的P
D
频谱，图4(b)为Ω＝60Hz的P
D
频谱。
具体实施方式
[0035]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0036]请参阅图1～图4，为一种基于旋转多普勒效应的涡旋声束解复用方法，该方法首先构建一圆形阵列声源系统和一传声器圆形阵列；通过圆形阵列声源系统生成复用涡旋声
束，再依次提取等间隔传声器采集的时域信号，以测量随旋转观察者转速变化的声压频谱；在频谱中对每一个涡旋声束拓扑级数对应的峰值进行识别，并根据峰值频率与涡旋声束拓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于旋转多普勒效应的涡旋声束解复用方法，其特征在于：该方法首先构建一圆形阵列声源系统和一传声器圆形阵列；通过圆形阵列声源系统生成复用涡旋声束，再依次提取等间隔传声器采集的时域信号，以测量随旋转观察者转速变化的声压频谱；在频谱中对每一个涡旋声束拓扑级数对应的峰值进行识别，并依据峰值频率与涡旋声束拓扑级数的关系实现对复用涡旋声束的解复用。2.根据权利要求1所述的涡旋声束解复用方法，其特征在于：所述圆形阵列声源系统由N
s
个沿圆环均匀分布的声源组成。3.根据权利要求2所述的涡旋声束解复用方法，其特征在于：所述圆形阵列声源系统中每个声源相对于前一声源具有的相位延迟以产生涡旋声束，其中l表示涡旋声束拓扑级数。4.根据权利要求1所述的涡旋声束解复用方法，其特征在于：所述声压频谱的生成方式如下：通过传声器圆形阵列采集得到原始信号，再按相同时间间隔依次采集传声器圆形阵列中各传声器的原始信号得到声压信号p
D
，通过快速傅里叶变换将p
D
转换为频谱P
D
。5.根据权利要求4所述的涡旋声束解复用方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘联鋆，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：