一种通信方法及装置

摘要

本申请适用于计算机应用技术领域，提供了通信方法及装置，包括：通过获取待发射的电信号信息；根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息；通过预设的发射换能器阵列将所述电信号信息转换为与所述发射信息对应的涡旋声场信号；发射所述涡旋声场信号。通过根据预设的旋涡声场产生方式，确定电信号信息对应的涡旋声场信号的发射信息，通过预设的水下换能器阵列产生或接收任意涡旋声场，实现涡旋声通讯的核心声场传播，降低了水下传输的信号在编解码过程中的失真。

权利要求

1.一种信号发射方法，其特征在于，包括：

获取待发射的电信号信息；

根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息；

通过预设的发射换能器阵列将所述电信号信息转换为与所述发射信息对应的涡旋声场信号；

发射所述涡旋声场信号；

所述根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息，包括：根据预设的不同拓扑荷数的涡旋声场的产生方式，确定所述电信号信息对应各个阵元的发射相位和幅度；或根据预设的任意涡旋声场的产生方式，确定所述电信号信息对应各个阵元的强度和相位；

所述电信号信息对应各个阵元的幅度为预先设定的常数；所述预设的不同拓扑荷数的涡旋声场的产生方式中，所述电信号信息对应各个阵元的发射相位为：其中，θOAM用于表示每个阵元的发射相位，l用于表示所述阵元对应的涡旋声场的拓扑荷数， 和r分别用于表示每个阵元在以涡旋中心为极点的极坐标下的极角和极径，α用于表示涡旋的旋度。

2.如权利要求1所述的信号发射方法，其特征在于，所述发射所述涡旋声场信号，包括：在预设的频带中加载至少两路彼此独立、互不干扰的涡旋声场信号；

将加载所述至少两路涡旋声场信号频带的涡旋声场信号发送至预设的信号接收装置。

3.如权利要求2所述的信号发射方法，其特征在于，所述根据预设的任意涡旋声场的产生方式中，电信号信息对应各个阵元的强度为：其中， 分别用于表示不同拓扑荷数的涡旋场以涡旋中心为极点的极坐标下的极角；I1～I8分别用于表示不同拓扑荷数的涡旋场的强度；

所述根据预设的任意涡旋声场的产生方式中，电信号信息对应各个阵元的相位为：

4.如权利要求1-3任一项所述的信号发射方法，其特征在于，所述发射换能器阵列为由多个发射换能器组成的平面阵列或弧面阵列，其中，所述多个发射换能器的排列为直角坐标排列、极坐标排列或螺旋排列。

5.一种信号接收方法，其特征在于，包括：

接收涡旋声场信号；

将所述涡旋声场信号通过预设的接收换能器阵列转换成对应的发射信息，包括：采用预设的接收换能器阵列生成单个或多个不同拓扑荷数涡旋声场，通过独立控制每一阵元的相位和幅度，产生单个或多个不同拓扑荷数涡旋声场，在接收到涡旋声场信号之后，将涡旋声场信号通过预设的接收换能器阵列，得到涡旋声场信号的发射信息；

根据预设的信息解码重构方式，对所述发射信息进行解码重构，得到所述涡旋声场信号对应的电信号信息；其中，利用在接收端的接收换能器阵列直接接收声场的强度和相位；

所述电信号信息对应各个阵元的幅度为预先设定的常数；所述预设的接收换能器阵列生成单个或多个不同拓扑荷数涡旋声场中，所述电信号信息对应各个阵元的发射相位为：其中，θOAM用于表示每个阵元的发射相位，l用于表示所述阵元对应的涡旋声场的拓扑荷数，和r分别用于表示每个阵元在以涡旋中心为极点的极坐标下的极角和极径，α用于表示涡旋的旋度。

6.一种信号发射装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述方法的步骤。

7.一种信号接收装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求5所述方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述方法的步骤和/或如权利要求5所述方法的步骤。

说明书

一种通信方法及装置

技术领域

[0001] 本申请属于计算机应用技术领域，尤其涉及一种通信方法及装置。

背景技术

[0002] 海洋是人类生存活动十分重要的领域，随着人类文明的进一步发展，人类对资源的消费急剧增长，要维持人类的进一步发展，就必须了解、开发和利用海洋资源。声波是唯一能在海洋中以辐射形式远距离传播的信号，水声通讯是开发海洋需要解决的重要技术之一。水声通讯的原理是利用水声发射换能器发出携带信息的声波，通过海洋传导至水声接收换能器，水声接收换能器将所述声波转化为电信号，并对所述电信号进行处理，还原信息内容。

[0003] 为了提高通讯信号的信道容量，目前普遍采用时分多路复用和频分多路复用的处理方法，其主要原理是基于将信息编码在不同时间段或不同频率范围的载体波中。现有技术中一般通过频率或时间自由度作为编解码的基矢，但是随着信息量的增大，仅使用频率或时间自由度作为编解码的基矢，信道总容量是有限的。此外，若所传输的信号在频率或时间维度发生混叠，将会导致解码后的信号有较大失真。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本申请实施例提供了通信方法及装置，可以解决现有技术中的编解码方式在传输过程中容易出现信号失真较大的问题。

[0005] 本申请实施例的第一方面提供了一种信号发射方法，包括：

[0006] 获取待发射的电信号信息；

[0007] 根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息；

[0008] 通过预设的发射换能器阵列将所述电信号信息转换为与所述发射信息对应的涡旋声场信号；

[0009] 发射所述涡旋声场信号。

[0010] 其中，所述根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息，包括：

[0011] 根据预设的不同拓扑荷数的涡旋声场的产生方式，确定所述电信号信息对应各个阵元的发射相位和幅度；或

[0012] 根据预设的任意涡旋声场的产生方式，确定所述电信号信息对应各个阵元的强度和相位。

[0013] 其中，所述发射所述涡旋声场信号，包括：

[0014] 在预设的频带中加载至少两路彼此独立、互不干扰的涡旋声场信号；

[0015] 将加载所述至少两路涡旋声场信号频带的涡旋声场信号发送至预设的信号接收装置。

[0016] 其中，所述电信号信息对应各个阵元的幅度为预先设定的常数；所述预设的不同拓扑荷数的涡旋声场的产生方式中，所述电信号信息对应各个阵元的发射相位为：

[0017]

[0018] 其中，θOAM用于表示每个阵元的发射相位，l用于表示所述阵元对应的涡旋声场的拓扑荷数， 和r分别用于表示每个阵元在以涡旋中心为极点的极坐标下的极角和极径，α用于表示涡旋的旋度。

[0019] 其中，所述根据预设的任意涡旋声场的产生方式中，电信号信息对应各个阵元的强度为：

[0020]

[0021] 其中， 分别用于表示不同拓扑荷数的涡旋场以涡旋中心为极点的极坐标下的极角；I1～I8分别用于表示不同拓扑荷数的涡旋场的强度；

[0022] 所述根据预设的任意涡旋声场的产生方式中，电信号信息对应各个阵元的相位为：

[0023]

[0024] 其中，所述发射换能器阵列为由多个发射换能器组成的平面阵列或弧面阵列，其中，所述多个发射换能器的排列为直角坐标排列、极坐标排列或螺旋排列。

[0025] 本申请实施例的第二方面提供了一种信号接收方法，包括：

[0026] 接收涡旋声场信号；

[0027] 将所述涡旋声场信号通过预设的接收换能器阵列转换成对应的发射信息；

[0028] 根据预设的信息解码重构方式，对所述发射信息进行解码重构，得到所述涡旋声场信号对应的电信号信息。

[0029] 本申请实施例的第三方面提供了一种信号发射装置，包括：

[0030] 生成单元，用于获取待发射的电信号信息；

[0031] 确定单元，用于根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息；

[0032] 声场单元，用于通过预设的发射换能器阵列将所述电信号信息转换为与所述发射信息对应的涡旋声场信号；

[0033] 发送单元，用于发射所述涡旋声场信号。

[0034] 本申请实施例的第四方面提供了一种信号发射装置，包括：处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储支持装置执行上述方法的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行上述第一方面的方法。

[0035] 本申请实施例的第五方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行上述第一方面的方法。

[0036] 本申请实施例的第六方面提供了一种信号接收装置，包括：

[0037] 接收单元，用于接收涡旋声场信号；

[0038] 环能单元，用于将所述涡旋声场信号通过预设的接收换能器阵列转换成对应的发射信息；

[0039] 重构单元，用于根据预设的信息解码重构方式，对所述发射信息进行解码重构，得到所述涡旋声场信号对应的电信号信息。

[0040] 本申请实施例的第七方面提供了一种信号接收装置，包括：处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储支持装置执行上述方法的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行上述第二方面的方法。

[0041] 本申请实施例的第八方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行上述第二方面的方法。

[0042] 本申请实施例的第九方面提供了一种通信方法，包括：

[0043] 获取待发射的电信号信息；

[0044] 根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息；

[0045] 通过预设的发射换能器阵列将所述电信号信息转换为与所述发射信息对应的涡旋声场信号；

[0046] 发射所述涡旋声场信号；

[0047] 接收所述涡旋声场信号；

[0048] 将所述涡旋声场信号通过预设的接收换能器阵列转换成对应的发射信息；

[0049] 根据预设的信息解码重构方式，对所述发射信息进行解码重构，得到所述涡旋声场信号对应的电信号信息。

[0050] 本申请实施例的第十方面提供了一种通信系统，包括：

[0051] 信号发射装置，用于获取待发射的电信号信息；根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息；通过预设的发射换能器阵列将所述电信号信息转换为与所述发射信息对应的涡旋声场信号；发射所述涡旋声场信号；

[0052] 信号接收装置，用于接收所述涡旋声场信号；将所述涡旋声场信号通过预设的接收换能器阵列转换成对应的发射信息；根据预设的信息解码重构方式，对所述发射信息进行解码重构，得到所述涡旋声场信号对应的电信号信息。

[0053] 本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

[0054] 通过获取待发射的电信号信息；根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息；通过预设的发射换能器阵列将所述电信号信息转换为与所述发射信息对应的涡旋声场信号；发射所述涡旋声场信号。通过根据预设的旋涡声场产生方式，确定电信号信息对应的涡旋声场信号的发射信息，通过预设的换能器阵列产生或接收任意涡旋声场，实现涡旋声通讯的核心声场传播，降低了水下传输的信号在编解码过程中的失真。

附图说明

[0055] 为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0056] 图1是本申请实施例一提供的信号发射方法的流程图；

[0057] 图2是本申请实施例一提供的实验所用换能器阵列；

[0058] 图3是本申请实施例一提供的不同拓扑荷数涡旋声场的发射相位图；

[0059] 图4是本申请实施例一提供的不同拓扑荷数涡旋声场垂直于传播方向的一截面的幅度和相位示意图；

[0060] 图5是本申请实施例二提供的信号接收方法的流程图；

[0061] 图6是本申请实施例二提供的信号发射装置与信号接收装置在通信的流程图；

[0062] 图7是本申请实施例二提供的换能器阵列单元排列形状示意图；

[0063] 图8是本申请实施例二提供的不同阶数涡旋声场的正交性示意图；

[0064] 图9是本申请实施例二提供的理论和实验获得的数字0-9的声强幅度分布示意图；

[0065] 图10是本申请实施例二提供的理论和实验获得的数字0-9的声场相位分布示意图；

[0066] 图11是本申请实施例二提供的换能器阵列信号解码示意图；

[0067] 图12是本申请实施例三提供的信号发射装置的示意图；

[0068] 图13是本申请实施例四提供的信号发射装置的示意图；

[0069] 图14是本申请实施例五提供的信号接收装置的示意图；

[0070] 图15是本申请实施例六提供的信号接收装置的示意图。

具体实施方式

[0071] 以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

[0072] 为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

[0073] 参见图1，图1是本申请实施例一提供的一种信号发射方法的流程图。本实施例中信号发射方法的执行主体为具有信号发射功能的装置，如信号发射装置。如图所示的信号发射方法可以包括以下步骤：

[0074] S101：获取待发射的电信号信息。

[0075] 海洋是人类生存活动十分重要的领域，随着人类文明的进一步发展，人类对资源的消费急剧增长，要维持人类的进一步发展，就必须了解、开发和利用海洋资源。声波是唯一能在海洋中以辐射形式远距离传播的信号，水声通讯是开发海洋需要解决的重要技术之一。水声通讯的原理是利用水声换能器发出携带信息的声波，通过海洋传导至水声接收换能器并将其转化为电信号，经过信号与信息处理，还原信息内容。涡旋声场中的轨道角动量可作为独立于时间和频率的新自由度，成为扩充声学通讯信号传输信道容量的全新选择。本实施例提出一种基于轨道角动量远距离通信的阵列结构及其激励方法，为实现基于涡旋声场的水下通讯提供新的声场实现手段。

[0076] 在水下传输信号时，先获取待发射的电信号信息。由于非电的物理量可以通过各种传感器较容易地转换成电信号，而电信号又容易传送和控制，所以使其成为应用最广的信号。电信号是指随着时间而变化的电压或电流，因此在数学描述上可将它表示为时间的函数，并可画出其波形。本实施例中通过电信号的形式生成要传输的信息。

[0077] S102：根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息。

[0078] 现有技术中提出的涡旋声通信都是基于空气中的换能器或声人工结构，无法直接应用到水环境中。本实施例提出的涡旋声场远距离通信的阵列结构及其激励方法，是基于水环境设计的阵列结构，能够直接产生和接收涡旋声场，可以真正实现动态、高效、大容量声信息传输。

[0079] 本实施例中的涡旋声场是指具有螺旋形相位的声场，数学上可表示为p(r)＝p(r,z)e-ikzeiφ，这里 用于表示声束的波矢量，p(r,z)用于表示z处的声场径向分布，φ＝mθ用于表示螺旋相位，θ用于表示方位角大小，m恒为整数，用于表示拓扑荷数或涡旋场的阶数。本实施例中拓扑荷数用于表示一个波长的传播距离内波阵面发生扭转的次数，|m|取值越大，表示波阵面沿着轴旋转得越快；m取正数或负数，表示其扭转方向是正向或反向。

[0080] 进一步的，步骤S102可以具体包括步骤S1021～S1022：

[0081] S1021：根据预设的不同拓扑荷数的涡旋声场的产生方式，确定所述电信号信息对应各个阵元的发射相位和幅度。

[0082] 本实施例中预设有不同拓扑荷数的涡旋声场中各个阵元的产生方式，具体的，步骤S1021可以包括：

[0083] 所述电信号信息对应各个阵元的幅度为预先设定的常数；所述预设的不同拓扑荷数的涡旋声场的产生方式中，所述电信号信息对应各个阵元的发射相位为：

[0084]

[0085] 其中，θOAM用于表示每个阵元的发射相位，l用于表示所述阵元对应的涡旋声场的拓扑荷数， 和r分别用于表示每个阵元在以涡旋中心为极点的极坐标下的极角和极径，α用于表示涡旋的旋度。

[0086] 本实施例中通过确定当前电信号信息对应的发射相位信息，以根据发射相位信息来生成涡旋声场信号。

[0087] 进一步的，本实施例中还包括：其中，发射换能器阵列为由多个发射换能器组成的平面阵列或弧面阵列，其中，所述多个发射换能器的排列为直角坐标排列、极坐标排列或螺旋排列。所述发射换能器阵列安装在信号发射装置中，用于产生不同拓扑荷数的涡旋声场，以基于所述涡旋声场进行涡旋声通信；与发射换能器对应的，接收换能器阵列安装在信号接收装置中，用于在水下接收任意涡旋声场。

[0088] 具体的，请一并参阅图2，图2为本申请实施例一提供的实验所用换能器阵列，其为16*16阵元正方排列的换能器阵列，工作中心频率在1MHz。本实施例中的激励和接收系统选用Verasonics Vantage 256system激励系统，该系统可以实现独立控制每一个阵元的发射相位和幅值。按照如下公式计算每一个阵元的发射相位和幅值：

[0089] A＝constant；

[0090] 其中，θOAM用于表示每个阵元的发射相位，l用于表示所述阵元对应的涡旋声场的拓扑荷数，和r分别用于表示每个阵元在以涡旋中心为极点的极坐标下的极角和极径，α用于表示涡旋的旋度；A代表每个阵元的发射幅值，是一个常数，即所有阵元的发射幅值都是相同的。

[0091] 请一并参阅图3，图3为本申请实施例一提供的不同拓扑荷数涡旋声场的发射相位图，图3用不同的像素颜色表示了拓扑荷数I＝1、-1、4以及-4的情况下，涡旋声场的发射相位，其中，不同像素的颜色深度用于表示不同的相位大小，x和y分别用于表示涡旋声场中不同方向对应的像素位。

[0092] 请一并参阅图4，图4为本申请实施例一提供的不同拓扑荷数涡旋声场垂直于传播方向的一截面的幅度和相位示意图，图4用不同的像素颜色表示了拓扑荷数I＝+1、-1、+2、-2、+3、-3、+4以及-4时，涡旋声场垂直于传播方向的一截面幅度和相位变化情况，其中，不同像素的颜色深度用于表示不同的幅度大小和相位大小。

[0093] S1022：根据预设的任意涡旋声场的产生方式，确定所述电信号信息对应各个阵元的强度和相位。

[0094] 本实施例中预设有任意涡旋声场信号中任意涡旋声场的产生方式，具体的，步骤S1022可以包括：

[0095] 所述根据预设的任意涡旋声场的产生方式中，电信号信息对应各个阵元的强度为：

[0096]

[0097] 其中， 分别用于表示不同拓扑荷数的涡旋场以涡旋中心为极点的极坐标下的极角；I1～I8分别用于表示不同拓扑荷数的涡旋场的强度；

[0098] 所述根据预设的任意涡旋声场的产生方式中，电信号信息对应各个阵元的相位为：

[0099]

[0100] 具 体的 ，由 于不 同 拓扑 荷 数的 涡 旋 声场 之 间 相互 正交 ，因 为因此可以利用不同拓扑荷数的涡旋声场之间的彼此正交性，实现同一频带同时传输多路彼此独立、互不干扰的信号，将极大提升频谱的利用率和通信速率。例如，可以将-4到-1，和1到4的拓扑荷数涡旋声场作为基本模式，计算任意信号的相位为： 任意信号的声场强度为：
如数字“1”对应的美国信息
交换标准代码编码为为00010001，因此其-1模式和4模式涡旋声场叠加后即为数字1对应的声场形态。

[0101] S103：通过预设的发射换能器阵列将所述电信号信息转换为与所述发射信息对应的涡旋声场信号。

[0102] 本实施例中采用的预设的发射换能器阵列生成单个或多个不同拓扑荷数涡旋声场，例如采用16*16发射换能器阵列，通过独立控制每一阵元的相位和幅度，产生单个或多个不同拓扑荷数涡旋声场。因此，该换能器阵列也可以作为信号接收装置中的配置原件，接受并检测携带信息的涡旋声场。

[0103] S104：发射所述涡旋声场信号。

[0104] 在生成涡旋声场信号之后，将涡旋声场信号通过水下发送至预设的信号接收装置。本实施例的换能器阵列产生或接收的涡旋声场是可以直接用于信号通讯。加州大学提出了一种基于有源换能器阵列的声学轨道角动量通信技术。其原理是通过一个由64个扬声器辐射出复合涡旋态编码的信号组成的相控阵产生包含8个拓扑荷数的声涡旋场，并在接收端用另一个声学相控阵进行接收和解调。然而其换能器是空气中传播的低频微喇叭，该声场的产生方式无法适用于信号通讯。南京大学基于利用声学共振型超构材料实现对声学轨道角动量的加减级联运输，其声源换能器仅使用单个声学麦克风，相关实验是在空气声中完成。但由于其声学特殊结构以及传导声场需要在声学刚性结构中实现，在当前实验条件下，水声系统中很难实现相似功能。本实施例利用换能器阵列产生或接收任意涡旋声场，实现涡旋声通讯的核心声场传播。

[0105] 进一步的，步骤S104可以包括：在预设的频带中加载至少两路彼此独立、互不干扰的涡旋声场信号；将加载所述至少两路涡旋声场信号频带的涡旋声场信号发送至预设的信号接收装置。

[0106] 具体的，涡旋声场是指具有螺旋形相位的声场，数学上可表示为p(r)＝p(r,z)e-ikzeiφ，这里 是声束的波矢量，p(r,z)是z处的声场径向分布，φ＝mθ是螺旋相位，θ是方位角大小，m恒为整数的拓扑荷数或涡旋场的阶数。拓扑荷数定义为一个波长的传播距离内波阵面发生扭转的次数，|m|取值越大，表示波阵面沿着轴旋转得越快；m取正数或负数，表示其扭转方向是正向或反向。不同拓扑荷数的涡旋声场之间相互正交，因为因此可以利用不同拓扑荷数的涡旋声场之间的彼此正交性，实现同一频带同时传输多路彼此独立、互不干扰的信号，将极大提升频谱的利用率和通信速率，也提高了通讯信号的信道容量。

[0107] 上述方案，通过获取待发射的电信号信息；根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息；通过预设的发射换能器阵列将所述电信号信息转换为与所述发射信息对应的涡旋声场信号；发射所述涡旋声场信号。通过根据预设的旋涡声场产生方式，确定电信号信息对应的涡旋声场信号的发射信息，通过预设的换能器阵列产生或接收任意涡旋声场，实现涡旋声通讯的核心声场传播，降低了传输的信号在编解码过程中的失真。

[0108] 参见图5，图5是本申请实施例二提供的一种信号接收方法的流程图。本实施例中信号接收方法的执行主体为具有信号接收功能的装置，如信号接收装置，本实施例中信号接收装置与实施例一中的信号发射装置在信号通信过程中对信号的处理手段一一对应，此处对其功能不做赘述。如图所示的信号接收方法可以包括以下步骤：

[0109] S501：接收涡旋声场信号。

[0110] 本实施例利用水下接收换能器阵列产生或接收任意涡旋声场，实现涡旋声通讯的核心声场传播。本实施例的信号接收装置是把声能转换成电能或电能转换成声能的器件，电声工程中的传声器、扬声器和耳机是最典型的电能、声能之间相互变换的器些器件统称为电声换能器。通过信号接收装置中的接收换能器阵列，可以接收信号发射装置发射的涡旋声场信号。

[0111] 请一并参阅图6，图6为本实施例中提供的信号发射装置与信号接收装置在通信的流程图。根据图6中的示例，本实施例中通过在信号发射装置端产生信息电信号，将信息电信号通过预设的换能器得到N个换能器阵元，之后将N个换能器阵元编码为涡旋声场信号并进行发射，将涡旋声场信号传输至接收端。在接收端端通过信号接收装置接收声涡旋编码，得到N各换能器阵元，最后将这些换能器阵元进行解码，得到原来的电信号信息，此为实施例一中的信号发射装置和实施例二中的信号接收装置之间的通信交互方式。

[0112] 请一并参阅图7，图7为实施例二提供的换能器阵列单元排列形状示意图。本实施例中的换能器阵列包括但不限于发射换能器阵列和接收换能器阵列。如图所示，本实施例的换能器阵列为由多个换能器组成的平面阵列或弧面阵列，其中，多个发射换能器的排列为直角坐标排列、极坐标排列或螺旋排列，本实施例中的发射换能器阵列可以是平面阵，也可以是弧面阵等，此处不做限定。例如图7中的阵元平面圆形排列1、阵元平面圆形排列2以及阵元弧面排列。本实施例的换能器阵列的工作频率为水下声通讯的工作频率10Hz-5MHz。

[0113] S502：将所述涡旋声场信号通过预设的接收换能器阵列转换成对应的发射信息。

[0114] 在实施例一中，采用的预设的接收换能器阵列生成单个或多个不同拓扑荷数涡旋声场，例如，可采用16*16接收换能器阵列，通过独立控制每一阵元的相位和幅度，产生单个或多个不同拓扑荷数涡旋声场。因此，该接收换能器阵列安装于信号接收装置中，用于接受并检测携带信息的涡旋声场。在接收到涡旋声场信号之后，将涡旋声场信号通过预设的接收换能器阵列，得到涡旋声场信号的发射信息。

[0115] S503：根据预设的信息解码重构方式，对所述发射信息进行解码重构，得到所述涡旋声场信号对应的电信号信息。

[0116] 利用在接收端的接收换能器阵列直接接收传播声场的强度和相位，并分别与拓扑荷数为-4，-3，-2，-1，1，2，3以及4的涡旋场进行内积运算，实现对对螺旋模式的信息解码重构，获得电信号，实现信息通讯。

[0117] 本实施例已经经过模拟和实验验证，结果可行。首先我们理论和实验验证了不同阶数涡旋声场的正交性，请一并参阅图8所示，图8为本申请实施例二提供的不同阶数涡旋声场的正交性示意图，其中图8(a)为模拟结果，图8(b)为实验结果。其中，平面轴分别表示不同拓扑荷数对应的涡旋场OAM，竖轴用于表示正交性参数。

[0118] 进一步理论和实验分别获得的数字0-9的声场强度和相位图，请一并参阅图9-图11。其中，图9为本申请实施例二提供的理论和实验获得的数字0-9的声强幅度分布示意图，图像中的像素颜色深浅用于表示声强幅度的大小；图10为本申请实施例二提供的理论和实验获得的数字0-9的声场相位分布示意图，图像中的像素颜色深浅用于表示声场相位的大小。此外，我们对接收到的涡旋信号进行解码，获得字母“Nature”信息，理论与实验吻合；图
11为本申请实施例二提供的接收换能器阵列信号解码示意图，其中(a)为模拟结果，(b)为实验结果，其中平面轴分别表示不同拓扑荷数对应的涡旋场OAM，竖轴用于表示信号强度，利用接收换能器阵列对字母“Nature”信号进行解码过程就是将接受到的声场信号与不同拓扑荷数涡旋声场进行内积，获得各个拓扑荷数涡旋场的信号强度，即可解码信息。

[0119] 上述方案，通过接收涡旋声场信号；将所述涡旋声场信号通过预设的接收换能器阵列转换成对应的发射信息；根据预设的信息解码重构方式，对所述发射信息进行解码重构，得到所述涡旋声场信号对应的电信号信息。本实施例中将旋涡声场信号通过预设的接收换能器阵列转换成对应的发射信息，通过预设的水下接收换能器阵列进行解码重构，得到涡旋声场信号对应的电信号信息，实现涡旋声通讯的核心声场传播，降低了水下传输的信号在编解码过程中的失真。

[0120] 参见图12，图12是本发明实施例三提供的一种信号发射装置的示意图。信号发射装置包括的各单元用于执行图1对应的实施例中的各步骤。具体请参阅图1对应的实施例中的相关描述。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。本实施例的信号发射装置1200包括：

[0121] 生成单元1201，用于获取待发射的电信号信息；

[0122] 确定单元1202，用于根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息；

[0123] 声场单元1203，用于通过预设的发射换能器阵列将所述电信号信息转换为与所述发射信息对应的涡旋声场信号；

[0124] 发送单元1204，用于发射所述涡旋声场信号。

[0125] 进一步的，所述确定单元1202包括：

[0126] 第一确定单元，用于根据预设的不同拓扑荷数的涡旋声场的产生方式，确定所述电信号信息对应各个阵元的发射相位和幅度；或

[0127] 第二确定单元，用于根据预设的任意涡旋声场的产生方式，确定所述电信号信息对应各个阵元的强度和相位。

[0128] 进一步的，所述发送单元1204包括：

[0129] 加载单元，用于在预设的频带中加载至少两路彼此独立、互不干扰的涡旋声场信号；

[0130] 载波发送单元，用于将加载所述至少两路涡旋声场信号频带的涡旋声场信号发送至预设的信号接收装置。

[0131] 进一步的，所述电信号信息对应各个阵元的幅度为预先设定的常数；所述预设的不同拓扑荷数的涡旋声场的产生方式中，所述电信号信息对应各个阵元的发射相位为：

[0132]

[0133] 其中，θOAM用于表示每个阵元的发射相位，l用于表示所述阵元对应的涡旋声场的拓扑荷数，和r分别用于表示每个阵元在以涡旋中心为极点的极坐标下的极角和极径，α用于表示涡旋的旋度。

[0134] 进一步的，所述根据预设的任意涡旋声场的产生方式中，电信号信息对应各个阵元的强度为：

[0135]

[0136] 其中， 分别用于表示不同拓扑荷数的涡旋场以涡旋中心为极点的极坐标下的极角；I1～I8分别用于表示不同拓扑荷数的涡旋场的强度；

[0137] 所述根据预设的任意涡旋声场的产生方式中，电信号信息对应各个阵元的相位为：

[0138]

[0139] 其中，所述发射换能器阵列为由多个发射换能器组成的平面阵列或弧面阵列，其中，所述多个发射换能器的排列为直角坐标排列、极坐标排列或螺旋排列。

[0140] 上述方案，通过获取待发射的电信号信息；根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息；通过预设的发射换能器阵列将所述电信号信息转换为与所述发射信息对应的涡旋声场信号；发射所述涡旋声场信号。通过根据预设的旋涡声场产生方式，确定电信号信息对应的涡旋声场信号的发射信息，通过预设的水下换能器阵列产生或接收任意涡旋声场，实现涡旋声通讯的核心声场传播，降低了水下传输的信号在编解码过程中的失真。

[0141] 图13是本发明实施例四提供的信号发射装置的示意图。如图13所示，该实施例的信号发射装置13包括：处理器1300、存储器1301以及存储在所述处理器1302中并可在所述处理器1301上运行的计算机程序1303。所述处理器1301执行所述计算机程序1303时实现上述各个信号发射方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤101至104。或者，所述处理器1301执行所述计算机程序1303时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图12所示单元1201至1204的功能。

[0142] 示例性的，所述计算机程序1303可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述处理器1302中，并由所述处理器1301执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序1303在所述信号发射装置13中的执行过程。

[0143] 所述信号发射装置13可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述信号发射装置可包括，但不仅限于，处理器1301、处理器1302。本领域技术人员可以理解，图13仅仅是信号发射装置13的示例，并不构成对信号发射装置13的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述信号发射装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

[0144] 所称处理器1301可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

[0145] 所述处理器1302可以是所述信号发射装置13的内部存储单元，例如信号发射装置13的硬盘或内存。所述处理器1302也可以是所述信号发射装置13的外部存储设备，例如所述信号发射装置13上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card，FC)等。进一步地，所述处理器1302还可以既包括所述信号发射装置13的内部存储单元也包括外部存储设备。所述处理器1302用于存储所述计算机程序以及所述信号发射装置所需的其他程序和数据。所述处理器1302还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

[0146] 参见图14，图14是本发明实施例五提供的一种信号接收装置的示意图。信号接收装置包括的各单元用于执行图5对应的实施例中的各步骤。具体请参阅图5对应的实施例中的相关描述。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。本实施例的信号接收装置1400包括：

[0147] 接收单元1401，用于接收涡旋声场信号；

[0148] 换能单元1402，用于将所述涡旋声场信号通过预设的接收换能器阵列转换成对应的发射信息；

[0149] 重构单元1403，用于根据预设的信息解码重构方式，对所述发射信息进行解码重构，得到所述涡旋声场信号对应的电信号信息。

[0150] 其中，所述接收换能器阵列为由多个接收换能器组成的平面阵列或弧面阵列，其中，所述多个接收换能器的排列为直角坐标排列、极坐标排列或螺旋排列。

[0151] 上述方案，通过接收涡旋声场信号；将所述涡旋声场信号通过预设的接收换能器阵列转换成对应的发射信息；根据预设的信息解码重构方式，对所述发射信息进行解码重构，得到所述涡旋声场信号对应的电信号信息。本实施例中将旋涡声场信号通过预设的接收换能器阵列转换成对应的发射信息，通过预设的水下接收换能器阵列进行解码重构，得到涡旋声场信号对应的电信号信息，实现涡旋声通讯的核心声场传播，降低了水下传输的信号在编解码过程中的失真。

[0152] 图15是本发明实施例六提供的信号接收装置的示意图。如图15所示，该实施例的信号接收装置15包括：处理器1501、处理器1502以及存储在所述处理器1502中并可在所述处理器1501上运行的计算机程序1503。所述处理器1501执行所述计算机程序1503时实现上述各个信号接收方法实施例中的步骤，例如图5所示的步骤501至503。或者，所述处理器1501执行所述计算机程序1503时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图14所示单元1401至1403的功能。

[0153] 示例性的，所述计算机程序1503可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述处理器1502中，并由所述处理器1501执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序1503在所述信号接收装置15中的执行过程。

[0154] 所述信号接收装置15可以包括，但不仅限于，处理器1501、处理器1502。本领域技术人员可以理解，图15仅仅是信号接收装置15的示例，并不构成对信号发射装置15的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述信号发射装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

[0155] 所称处理器1501可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

[0156] 所述处理器1502可以是所述信号接收装置15的内部存储单元，例如信号接收装置15的硬盘或内存。所述处理器1502也可以是所述信号接收装置15的外部存储设备，例如所述信号接收装置15上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card，FC)等。进一步地，所述处理器1502还可以既包括所述信号接收装置15的内部存储单元也包括外部存储设备。所述处理器1502用于存储所述计算机程序以及所述信号接收装置所需的其他程序和数据。所述处理器1502还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

[0157] 所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的终端的内部存储单元，例如终端的硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是所述终端的外部存储设备，例如所述终端上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述计算机可读存储介质还可以既包括所述终端的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序及所述终端所需的其他程序和数据。所述计算机可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

[0158] 本申请实施例的还提供了一种通信方法，包括：

[0159] 获取待发射的电信号信息；

[0160] 根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息；

[0161] 通过预设的发射换能器阵列将所述电信号信息转换为与所述发射信息对应的涡旋声场信号；

[0162] 发射所述涡旋声场信号；

[0163] 接收所述涡旋声场信号；

[0164] 将所述涡旋声场信号通过预设的接收换能器阵列转换成对应的发射信息；

[0165] 根据预设的信息解码重构方式，对所述发射信息进行解码重构，得到所述涡旋声场信号对应的电信号信息。

[0166] 具体的，本实施例中的通信方法通过信号发射装置和信号接收装置进行涡旋声场信号的发送和接收，实现通信。信号发射装置生成涡旋声场信号，以在水下将涡旋声场信号发送至信号接收装置，信号接收装置接收涡旋声场信号，并对涡旋声场信号进行解码得到电信号信息。本实施例通过信号发射装置获取待发射的电信号信息，根据预设的旋涡声场产生方式，确定电信号信息对应的涡旋声场信号的发射信息；根据涡旋声场信号的发射信息，将电信号信息通过预设的换能器阵列，产生涡旋声场信号，将涡旋声场信号发送至预设的信号接收装置。信号接收装置通过预设的换能器阵列接收信号发射装置发送的所述涡旋声场信号，根据预设的信息解码重构方式，对所述发射信息进行解码重构，得到所述涡旋声场信号对应的电信号信息。其中，具体的通信方法请参考本申请实施例一和实施例二提供的具体实施方式，此处不做赘述。

[0167] 本申请实施例的还提供了一种通信系统，包括：

[0168] 信号发射装置，用于获取待发射的电信号信息；根据预设的旋涡声场产生方式，确定所述电信号信息对应的发射信息；通过预设的发射换能器阵列将所述电信号信息转换为与所述发射信息对应的涡旋声场信号；发射所述涡旋声场信号；

[0169] 信号接收装置，用于接收所述涡旋声场信号；将所述涡旋声场信号通过预设的接收换能器阵列转换成对应的发射信息；根据预设的信息解码重构方式，对所述发射信息进行解码重构，得到所述涡旋声场信号对应的电信号信息。

[0170] 具体的，本实施例中的通信系统通过信号发射装置和信号接收装置进行涡旋声场信号的发送和接收，实现通信。信号发射装置生成涡旋声场信号，以在水下将涡旋声场信号发送至信号接收装置，信号接收装置接收涡旋声场信号，并对涡旋声场信号进行解码得到电信号信息。本实施例通过信号发射装置获取待发射的电信号信息，根据预设的旋涡声场产生方式，确定电信号信息对应的涡旋声场信号的发射信息；根据涡旋声场信号的发射信息，将电信号信息通过预设的换能器阵列，产生涡旋声场信号，将涡旋声场信号发送至预设的信号接收装置。信号接收装置通过预设的换能器阵列接收所述涡旋声场信号，根据预设的信息解码重构方式，对所述发射信息进行解码重构，得到所述涡旋声场信号对应的电信号信息。其中，具体的通信系统的功能请参考本申请实施例一和实施例二提供的具体实施方式，此处不做赘述。

[0171] 本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

[0172] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的终端和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

[0173] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

[0174] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本申请实施例方案的目的。另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

[0175] 所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0176] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。