本發(fā)明屬于通信，尤其涉及一種基于冰內(nèi)受陷氣泡編碼的信息傳遞系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著全球氣候變暖和海冰融化，極地的資源、科研等價值日益顯現(xiàn)。極地鐵礦石足夠全世界使用200年；在世界未發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)儲量中，有20%的石油和30%的天然氣埋藏在北極圈內(nèi)，其煤炭儲量也占全球總量的1/4左右。此外，北極航線開通后，中國沿海港口到北美東海岸的航程將縮短2000至3500海里，到西歐和北歐的航程將縮短25%至55%，每年可節(jié)省運費533億至1274億美元。然而，極地的極端低溫、高濕度、高風(fēng)速、強磁場等惡劣環(huán)境引起諸多問題，尤其是在信息傳遞方面，極端低溫和強磁場給傳統(tǒng)電磁通訊方法的設(shè)備正常工作和信號穩(wěn)定傳輸都帶來巨大挑戰(zhàn)。

2、針對傳統(tǒng)電磁通信方式在極地所遇到的難題，一些新型通信方法和技術(shù)被提出。中國專利cn?116846484?a《一種基于水中氣槍源的極地冰下聲通信方法和裝置》提出了一種以氣槍為發(fā)射源，利用脈沖時延差法對二進(jìn)制編碼的信息進(jìn)行的傳輸?shù)姆椒?。但該方法易受環(huán)境噪聲的影響，在低信噪比下的誤碼率較高。中國專利cn?115208483?a《一種極地脈沖干擾下的水聲通信方法》給出了可以有效抵抗干擾的水下脈沖通信方法。中國專利《基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的極地環(huán)境水下聲信道建模方法及裝置》則利用生成對抗網(wǎng)絡(luò)提高傳統(tǒng)極地信道模型的預(yù)測精度。這些通信方式都局限在水下通信。這些極地環(huán)境的通信方法往往采用在水下通信的方法，通信效率低且易受到環(huán)境因素的干擾。

3、中國專利cn202311791449.x《一種控制冰內(nèi)氣泡類型的方法和裝置》提出了一種通過改變凍結(jié)速率來控制冰中出現(xiàn)氣泡類型的方法。而中國專利文獻(xiàn)cn202321856767.5《一種新型氣泡輔助透明冰制作裝置》則利用不溶于水的氣體沖擊排出水中溶解的氣體輔助制備透明冰。這些方法通過控制氣泡來制備特定類型的冰。而沒有充分利用冰中氣泡的信息載體功能。中國專利cn202223091352.1《漂浮式氣泡防冰裝置》設(shè)計了一種向水中釋放氣泡的裝置，利用氣泡的擾動作用，可以起到延緩和阻止凍結(jié)的作用。

4、因此，極地的通信方式多是在水面以下進(jìn)行，并且抗干擾能力差，而在凍結(jié)過程中關(guān)于氣泡的研究也是從制冰角度進(jìn)行的。因此，目前還沒有采用受陷氣泡進(jìn)行通信的研究。同時，現(xiàn)有電磁通信技術(shù)主要通過電磁波在大氣中的傳播進(jìn)行信息傳遞，其具有通信時間短，效率高和容錯率高等特點。但是，由于其都是電子器件組成，在某些惡劣的環(huán)境中使用還存在以下問題：

5、（1）傳統(tǒng)電磁通信設(shè)備中含有電池等電子元器件，而它們對溫度和濕度極其敏感，尤其在低溫環(huán)境和高濕度環(huán)境下，電池的容量和電子元器件的工作穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致不能在低溫環(huán)境下正常工作；

6、（2）傳統(tǒng)電磁通信設(shè)備的運行依賴與電磁波的傳輸，而電磁波的遠(yuǎn)距離傳輸需要信號塔和基站。極地磁場強度大、電離層獨特、復(fù)雜、多變會影響電磁波的傳輸，并且極地環(huán)境也難以建設(shè)和維持信號塔和基站；

7、（3）傳統(tǒng)電磁通信方式傳遞的信息都是以電磁波形式傳輸，需要接收設(shè)備將電信號轉(zhuǎn)化為可視化的信息，這就造成通信方法復(fù)雜，缺少接收設(shè)備將無法進(jìn)行正常的通信。

8、（4）傳統(tǒng)電磁通信傳輸?shù)男畔⒁噪姶挪檩d體，而接收設(shè)備接收到電磁波后的信息保存在接收設(shè)備中。而如果長時間保存接收設(shè)備中的信息需要消耗能量，導(dǎo)致較高的信息保存和維護成本。

9、上述問題都會導(dǎo)致電磁通信方法和設(shè)備在低溫等惡劣環(huán)境下無法正常工作。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有電磁通信技術(shù)使用受限，在低溫等惡劣環(huán)境中的通信可靠性低維護成本高的問題，本發(fā)明提供一種基于冰內(nèi)受陷氣泡編碼的信息傳遞系統(tǒng)，利用冰內(nèi)受陷氣泡編碼來傳遞信息，具有不易受周圍環(huán)境影響，穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單和操作方便的特點。

2、一種基于冰內(nèi)受陷氣泡編碼的信息傳遞系統(tǒng)，包括輸入單元1、編碼單元2、制冷單元3、凍結(jié)單元4、采集單元5、轉(zhuǎn)化單元6、解碼單元7和輸出單元8；

3、所述編碼單元2用于對經(jīng)由輸入單元1輸入的待傳遞信息進(jìn)行編碼，并將編碼得到控制信號傳遞給制冷單元3；

4、所述制冷單元3按照控制信號產(chǎn)生冷量，并將冷量傳遞給凍結(jié)單元4，使得凍結(jié)單元4中的工質(zhì)在遇冷凍結(jié)的過程中形成一系列氣泡；其中，不同的冷量對應(yīng)的不同的氣泡形態(tài)、氣泡數(shù)量以及氣泡位置；

5、所述采集單元5用于采集凍結(jié)單元4中的氣泡分布信號；

6、所述轉(zhuǎn)化單元6用于從氣泡分布信號中提取氣泡特征信息；

7、所述解碼單元7用于將氣泡特征信息解碼為待傳遞信息，再將解碼得到的待傳遞信息傳遞給輸出單元8進(jìn)行輸出。

8、進(jìn)一步地，所述編碼單元2用于對經(jīng)由輸入單元1輸入的待傳遞信息進(jìn)行二進(jìn)制編碼，編碼得到控制信號為高電平和低電平組合得到的電壓信號，其中，高電平對應(yīng)二進(jìn)制中的1，低電平對應(yīng)二進(jìn)制中的0；

9、同時，制冷單元3接收到控制信號中的高電平時，增大冷量，使得凍結(jié)速率大于臨界值；制冷單元3接收到控制信號中的低電平時，減小冷量，使得凍結(jié)速率不大于臨界值。

10、進(jìn)一步地，凍結(jié)單元4中的工質(zhì)按照與制冷單元3由近及遠(yuǎn)的順序進(jìn)行凍結(jié)，且凍結(jié)單元4中的工質(zhì)的凍結(jié)長度由控制信號的持續(xù)時長確定；

11、將控制信號對應(yīng)的二進(jìn)制編碼的位數(shù)記為n，則將工質(zhì)按照與制冷單元3由近及遠(yuǎn)的順序平均劃分為n個工質(zhì)區(qū)間，每個工質(zhì)區(qū)間對應(yīng)一個二進(jìn)制比特位；

12、當(dāng)制冷單元3?按照控制信號產(chǎn)生冷量凍結(jié)單元4中的工質(zhì)時，若接收到高電平，則增大冷量，使得當(dāng)前接收到的高電平所對應(yīng)的二進(jìn)制比特位對應(yīng)的工質(zhì)區(qū)間的凍結(jié)速率大于臨界值，則該工質(zhì)區(qū)間中產(chǎn)生氣泡；若接收到低電平，則減小冷量，使得當(dāng)前接收到的高電平所對應(yīng)的二進(jìn)制比特位對應(yīng)的工質(zhì)區(qū)間的凍結(jié)速率不大于臨界值，則該工質(zhì)區(qū)間中不產(chǎn)生氣泡。

13、進(jìn)一步地，當(dāng)轉(zhuǎn)化單元6提取的氣泡特征信息為灰度值時，工質(zhì)所對應(yīng)的灰度值曲線出現(xiàn)峰值的位置為出現(xiàn)氣泡的位置，則出現(xiàn)氣泡的位置所在的工質(zhì)區(qū)間代表數(shù)字1；工質(zhì)所對應(yīng)的灰度值曲線未出現(xiàn)峰值的位置所在的工質(zhì)區(qū)間代表數(shù)字0。

14、進(jìn)一步地，當(dāng)轉(zhuǎn)化單元6提取的氣泡特征信息為氣泡類型時，出現(xiàn)針狀氣泡的位置所在的工質(zhì)區(qū)間代表數(shù)字2；出現(xiàn)蛋狀氣泡的位置所在的工質(zhì)區(qū)間代表數(shù)字1；其余位置的工質(zhì)區(qū)間代表數(shù)字0。

15、進(jìn)一步地，將編碼單元2、制冷單元3、凍結(jié)單元4組合為一個編碼組件，采用兩個以上的編碼組件并聯(lián)，實現(xiàn)待傳遞信息的批量傳遞。

16、進(jìn)一步地，所述采集單元5采集到的氣泡分布信號為氣泡圖片或氣泡視頻。

17、進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)化單元6從氣泡分布信號中提取的氣泡特征信息為圖片灰度值曲線、氣泡數(shù)量、氣泡面積占比、氣泡平均面積或者氣泡平均周長。

18、進(jìn)一步地，所述制冷單元3包括銅片301、熱電制冷片302、微通道換熱器303、恒溫低溫槽304、保溫棉305；其中，銅片301的一側(cè)通過導(dǎo)熱硅脂粘結(jié)有熱電制冷片302，另一側(cè)覆蓋有保溫棉305；熱電制冷片302的非粘接側(cè)與微通道換熱器303連接，同時，微通道換熱器303還與恒溫低溫槽304連接；恒溫低溫槽304中的流動乙醇用于給微通道換熱器303降溫；

19、所述凍結(jié)單元4包括亞克力板殼體?401和位于亞克力板殼體?401中的去離子水402；

20、銅片301將熱電制冷片302按照控制信號產(chǎn)生的變化的冷量傳遞給與之連接的去離子水402，使得去離子水402按照控制信號對應(yīng)的規(guī)律進(jìn)行凍結(jié)。

21、進(jìn)一步地，當(dāng)工質(zhì)為去離子水時，控制信號的獲取方法為：

22、采用如下公式將待傳遞信息轉(zhuǎn)化為凍結(jié)信號：

23、

24、

25、其中， h為凍結(jié)鋒面位置； k為冰的導(dǎo)熱系數(shù)； t為凍結(jié)時間； tm為水凝固相變溫度； t為制冷單元3的溫度； ρ為冰的密度； l為水的凝固相變潛熱； v為凍結(jié)速率；

26、根據(jù)制冷單元3的溫度 t隨凍結(jié)時間 t的變化趨勢設(shè)置控制信號，其中，制冷單元3的溫度 t越低的時間段，控制信號的電平越高，制冷單元3的溫度 t越高的時間段，控制信號的電平越低，得到由高電平和低電平組合而成的控制信號。

27、有益效果：

28、1、本發(fā)明提供一種基于冰內(nèi)受陷氣泡編碼的信息傳遞系統(tǒng)，輸入待傳遞信息，并通過一定的編碼規(guī)則將待傳遞信息轉(zhuǎn)化為控制信號，之后按照控制信號控制凍結(jié)過程，從將待傳遞的信息轉(zhuǎn)化為冰中受陷氣泡分布信息；當(dāng)需要輸出待傳遞信息時，首先采集氣泡分布信號，并將其轉(zhuǎn)化為氣泡特征信息，然后再將氣泡特征信息解碼為待傳遞的信息；也就是說，本發(fā)明以水凍結(jié)過程中出現(xiàn)在冰中的受陷氣泡為載體，通過控制氣泡在冰中的分布來對信息進(jìn)行編碼，從而實現(xiàn)在極端低溫環(huán)境中進(jìn)行信息傳遞和通信，具有編碼單元和解碼單元的運行不易受周圍環(huán)境影響、簡單可靠、成本低廉、效率高、誤差低、操作方便的優(yōu)點；同時，本發(fā)明可以充分利用極地和高海拔地區(qū)的低溫的環(huán)境條件和廉價的原材料，具有綠色環(huán)保的特點。

29、2、本發(fā)明提供一種基于冰內(nèi)受陷氣泡編碼的信息傳遞系統(tǒng)，可以采用去離子水作為被凍結(jié)的工質(zhì)，則凍結(jié)后的媒介是冰，具有方便攜帶和轉(zhuǎn)移，可長時間保存的優(yōu)點，且編碼過程也不易受到環(huán)境因素的影響，安全穩(wěn)定，出錯率低；同時，在信息解碼過程中，本發(fā)明既可以通過人工識別出冰內(nèi)的氣泡分布信息進(jìn)行解碼，也可以使用機器進(jìn)行自動操作。

30、3、本發(fā)明提供一種基于冰內(nèi)受陷氣泡編碼的信息傳遞系統(tǒng)，利用冰內(nèi)受陷氣泡編碼進(jìn)行傳遞信息，其原理是將信息轉(zhuǎn)化為凍結(jié)控制信號，利用凍結(jié)控制信號控制冰內(nèi)的氣泡出現(xiàn)在特定的位置和范圍內(nèi)，從而將信息內(nèi)容轉(zhuǎn)化為了冰內(nèi)受陷氣泡的位置分布信息；由于編碼規(guī)則多種多樣且極其復(fù)雜，可提取的氣泡特征也多樣，因而本發(fā)明具有隱蔽性強，安全性高的特點；同時，將信息內(nèi)容轉(zhuǎn)化為冰內(nèi)氣泡的信息，也具有操作簡單，成本低廉的特點，并且可以實現(xiàn)低能耗的信息長久保存。

31、4、本發(fā)明提供一種基于冰內(nèi)受陷氣泡編碼的信息傳遞系統(tǒng)，將信息內(nèi)容轉(zhuǎn)化為氣泡分布信息，并利用灰度值將氣泡在冰中位置信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信息，以冰為信息載體，安全性高，出錯率低，設(shè)備簡單，能耗少，設(shè)備運行維持成本低。