基于调制磁场量子精密测量的通信方法

1.本发明属于量子探测和无线通信的交叉学科，具体是指利用磁场调制生成单向通信信号、利用超高灵敏度量子磁力探测器探测磁场信号、解决跨介质或超高损耗介质低速率可靠通信问题的技术方法，尤其涉及一种基于调制磁场量子精密测量的通信方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.自由空间通信质量高度决定于信道质量。以微波为信息载体的无线通信具有覆盖范围广、传输距离远、可随遇接入等诸多优势，是自由空间通信的主要手段，然而，无线通信的开放性决定了信号发送的非定向性，这一特性使其极易受到电磁串扰的影响。以光波为信息载体的激光通信具有带宽大、传输距离远、定向性好等优势，能够作为无线通信的重要补充手段，在信道扩容、安全定向等方面发挥性能优势，然而，激光通信需要通信双方配备精密的跟踪瞄准设备，给信道的建立和维持带来较高的挑战。以声波为信息载体能够有效克服水下介质对短波无线电、激光等信号的强吸收作用，除通信速率相对较低、换能效率相对较低、无法跨介质传输等技术瓶颈外，是目前最可靠的水下通信手段。
3.近年来，基于量子精密测量技术的各类仪器，能够突破经典指标瓶颈并接近海森堡极限，可使磁场测量、电场测量、重力场测量、时间基准、空间基准的精度和灵敏度达到前所未有的水平。随着多物理场测试精度的不断提升，量子精密测量开始在计量建标、地理测绘等多个领域发挥作用。


技术实现要素：

4.基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题：如何实现通信双方之间的信道对于无线电、激光、声波损耗相对较高，发送方根据事先协定的编码规则产生调制磁场信号，接收方利用量子磁场精密测量装置测量附近的磁场信号，将其中符合编码规则的信号分离出来进行解析，获取发送方想要传达的信息。
5.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于调制磁场量子精密测量的通信方法，包括发送方和接收方，发送方位于水面以下、接收方位于水面以上，发送方到接收方之间建立通信信道，发送方根据实现协定的编码规则产生调制磁场信号，接收方利用量子磁场精密测量装置对周围所有的磁场信号进行探测，识别其中携带编码信息的磁场信号并获取明文信息，所述接收方利用量子磁场精密测量装置实现超高灵敏度的磁场信号获取，接收方产生一个强度高于磁场背景的调制磁场信号，实现对地下勘探设备和水下勘探设备状态信息的控制。
6.优选的，上述编码规则为通过磁场强度时域调制信号实现信息的编码。
7.优选的，上述发送方将待传输信息编译为磁场强度时变信号，调制磁场强度的峰值需要远高于背景磁场强度。
8.优选的，上述背景磁场是指发送方各种电子设备和金属构件产生的磁场以及地磁
场。
9.优选的，上述方法具体包括：
10.s101、发送方的信号编码，发送方根据实现协定的编码规则产生调制磁场信号；
11.s102、接收方的信号解码，接收方利用量子磁场精密测量装置对周围所有的磁场信号进行探测，识别其中携带编码信息的磁场信号并获取明文信息；
12.s103、接收方利用量子磁场精密测量装置实现超高灵敏度的磁场信号获取，接收方产生一个强度高于磁场背景的调制磁场信号，实现对地下勘探设备和水下勘探设备状态信息的控制。
13.优选的，上述方法具体包括：
14.s201、发送者和接收者实现商定好通信编码法则；
15.s202、发送者将需要发送的信息按照预先协商好的通信编码法则编译到调制磁场上，调制磁场强度远高于背景磁场强度；
16.s203、接收者使用量子磁场精密测量设备对周围磁场信号进行测量，捕获到发送者产生的调制磁场后，根据事先商定的编码法则进行信息解码，确定发送者发送的明文信息。
17.优选的，上述接收方通过量子自旋干涉仪等量子磁场精密测量设备，测量周围的磁场强度变化。
18.优选的，在经过水下信道、自由空间信道衰减后，磁场强度仍高于量子磁场精密测量设备的灵敏阈值。
19.一种实现上述基于调制磁场量子精密测量的通信方法的系统，包括发送方和接收方，发送方位于水面以下、接收方位于水面以上，发送方到接收方之间建立通信信道，还包括信号编码模块、信号解码模块和信号测量模块，其中，
20.信号编码模块，用于发送方根据实现协定的编码规则产生调制磁场信号；
21.信号解码模块，用于接收方利用量子磁场精密测量装置对周围所有的磁场信号进行探测，识别其中携带编码信息的磁场信号并获取明文信息；
22.信号测量模块，用于接收者使用量子磁场精密测量设备对周围磁场信号进行测量，捕获到发送者产生的调制磁场后，根据事先商定的编码法则进行信息解码，确定发送者发送的明文信息，接收方利用量子磁场精密测量装置实现超高灵敏度的磁场信号获取，接收方产生一个强度高于磁场背景的调制磁场信号，实现对地下勘探设备和水下勘探设备状态信息的控制。
23.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
24.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
25.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
26.1、本发明针对各种自由空间通信手段都无法发挥作用的应用场景提出一种全新的通信方法，能够克服水下等特殊信道对无线电、激光载波的强吸收，并能跨介质、穿障碍地实现通信互联。
27.2、本发明是对量子精密测量应用方式的创新。
28.3、本发明为水下勘探、底下开采等特殊平台提供了日常信息报送和求救信号发送的手段，将为各种水下、地质勘探设备安全运行能力提升提供解决方案。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1示出了本发明基于调制磁场量子精密测量的通信工作原理示意图。
具体实施方式
31.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
32.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
33.本发明提供了一种基于调制磁场量子精密测量的通信方法的实施例，包括发送方和接收方，发送方位于水面以下、接收方位于水面以上，发送方到接收方之间建立通信信道，发送方根据实现协定的编码规则产生调制磁场信号，接收方利用量子磁场精密测量装置对周围所有的磁场信号进行探测，识别其中携带编码信息的磁场信号并获取明文信息，所述接收方利用量子磁场精密测量装置实现超高灵敏度的磁场信号获取，接收方产生一个强度高于磁场背景的调制磁场信号，实现对地下勘探设备和水下勘探设备状态信息的控制。
34.在一些实施例中，编码规则为通过磁场强度时域调制信号实现信息的编码。
35.在一些实施例中，发送方将待传输信息编译为磁场强度时变信号，调制磁场强度的峰值需要远高于背景磁场强度。
36.在一些实施例中，背景磁场是指发送方各种电子设备和金属构件产生的磁场以及地磁场。
37.本发明提供一种基于调制磁场量子精密测量的通信方法的实施例，包括发送方和接收方，发送方位于水面以下、接收方位于水面以上，发送方到接收方之间建立通信信道，方法步骤包括：
38.s101、发送方的信号编码，发送方根据实现协定的编码规则产生调制磁场信号；
39.s102、接收方的信号解码，接收方利用量子磁场精密测量装置对周围所有的磁场
信号进行探测，识别其中携带编码信息的磁场信号并获取明文信息；
40.s103、接收方利用量子磁场精密测量装置实现超高灵敏度的磁场信号获取，接收方产生一个强度高于磁场背景的调制磁场信号，实现对地下勘探设备和水下勘探设备状态信息的控制。
41.本发明提供一种基于调制磁场量子精密测量的通信方法的实施例，包括发送方和接收方，发送方位于水面以下、接收方位于水面以上，发送方到接收方之间建立通信信道，方法步骤包括：
42.s201、发送者和接收者实现商定好通信编码法则；
43.s202、发送者将需要发送的信息按照预先协商好的通信编码法则编译到调制磁场上，调制磁场强度远高于背景磁场强度；
44.s203、接收者使用量子磁场精密测量设备对周围磁场信号进行测量，捕获到发送者产生的调制磁场后，根据事先商定的编码法则进行信息解码，确定发送者发送的明文信息。
45.在一些实施例中，接收方通过量子自旋干涉仪等量子磁场精密测量设备，测量周围的磁场强度变化。
46.在一些实施例中，在经过水下信道、自由空间信道衰减后，磁场强度仍高于量子磁场精密测量设备的灵敏阈值。
47.本发明提供一种基于调制磁场量子精密测量的通信方法的实施例，包括发送方和接收方，发送方位于水面以下、接收方位于水面以上，发送方到接收方之间建立通信信道，方法步骤包括：
48.s301、发送者和接收者实现商定好通信编码法则，商定内容包括但不限于磁场频段、调制周期、头文件格式、加密方式等；
49.s302、发送者将需要发送的信息按照预先协商好的通信编码法则编译到调制磁场上，调制磁场强度需远高于背景磁场强度，调制自由度可以是强度、频率、时序位置等；
50.s303、接收者使用量子磁场精密测量设备对周围磁场信号进行测量，捕获到发送者产生的调制磁场后，根据事先商定的编码法则进行信息解码，确定发送者发送的明文信息，接收者使用的量子磁场精密测量设备可以基于原子自旋或无自旋交换弛豫等各种原理。
51.本发明提供一种实现基于调制磁场量子精密测量的通信方法的系统实施例，包括发送方和接收方，发送方位于水面以下、接收方位于水面以上，发送方到接收方之间建立通信信道，还包括信号编码模块、信号解码模块和信号测量模块，其中，
52.信号编码模块，用于发送方根据实现协定的编码规则产生调制磁场信号；
53.信号解码模块，用于接收方利用量子磁场精密测量装置对周围所有的磁场信号进行探测，识别其中携带编码信息的磁场信号并获取明文信息；
54.信号测量模块，用于接收者使用量子磁场精密测量设备对周围磁场信号进行测量，捕获到发送者产生的调制磁场后，根据事先商定的编码法则进行信息解码，确定发送者发送的明文信息，接收方利用量子磁场精密测量装置实现超高灵敏度的磁场信号获取，接收方产生一个强度高于磁场背景的调制磁场信号，实现对地下勘探设备和水下勘探设备状态信息的控制。
55.如图1所示，展示了一种基于调制磁场量子精密测量的通信方法工作原理实施例，发送方位于水面以下、接收方位于水面以上，发送方到接收方之间的通信信道对无线电、激光吸收极强以至于严重影响通信质量，接收方与水面距离较远以至于无法侦听水下传来的声波信号，则本发明所述通信方法具体步骤为：
56.(1)发送方和通信方实现协商一种编码法则，例如通过磁场强度时域调制信号实现信息的编码；
57.(2)发送方将待传输信息编译为磁场强度时变信号，调制磁场强度的峰值需要远高于背景磁场强度。背景磁场是指，发送方各种电子设备和金属构件产生的磁场以及地磁场。
58.(3)接收方通过量子自旋干涉仪等量子磁场精密测量设备，测量周围的磁场强度变化；鉴于调制磁场强度的信号远高于背景磁场，在经过水下信道、自由空间信道衰减后，磁场强度仍高于量子磁场精密测量设备的灵敏阈值。
59.(4)接收方根据磁场精密测量结果，按照预先商定的解码法则将明文信息解码出来，完成完整通信流程。
60.本发明提供了一种基于调制磁场量子精密测量的通信方法的实施例，包括发送方和接收方，在其他自由空间通信手段部分或完全失灵的场合下，发送者和接收者共同协商一套通信编码准则，发送者按照通信编码准则调制磁场信号，接收者利用量子磁力仪测试磁场信号，经过编码
→
传输
→
解码
→
后处理等标准步骤实现低速率通信。
61.在一些实施例中，其它自由空间通信手段部分或完全失灵的场合，通信信道对无线电、激光产生较强的信道损耗，无线通信或激光通信无法可靠稳定运行甚至完全无法使用，或者通信信道包含多种介质，声波信号无法实现跨介质传输；
62.在一些实施例中，场合包括但不限于地下勘探设备与地面站通信、水下测绘设备与水上平台通信、倾覆船只与搜救队伍通信等。
63.在一些实施例中，通信编码准则中通信双方需要就磁场频段、调制周期、头文件格式、加密方式等信息达成一致，通信编码准则一方面能够帮助使用量子磁场精密测量设备的接收者从磁场背景中准确识别出携带通信信号的部分，另一方面能够完成有效地信息解析。
64.在一些实施例中，低速率通信中的发送者在不知道接收方具体位置、没有确定发送方向的前提下，在本地产生一个强磁场并根据通信编码准则对磁场进行调制，调制磁场强度需远大于其它电子设备、金属结构产生的磁场以及地磁场；接收方在不知道发送者具体位置、没有确定发送者存在的前提下，实时监控周遭磁场变化，并根据通信编码准则对磁场强度进行解析；当接收者识别到远高于磁场背景的磁场信号、并且能够通过通信编码准则确定其中的明文信息，即完成了一次低速率通信。发送者可以反复发送相同信息直至受到回复，接收者可以长时间监测磁场直至接收到信号，不限定通信协议、重传方式、信息内容和应用场景。
65.在一些实施例中，量子磁力仪通过原子自旋、无自旋交换弛豫等原理实现磁场信号的精密测量，突破传统磁场测量设备在精度和灵敏度方面面临的散粒噪声极限并有望接近海森堡极限，测量灵敏度达到飞特量级甚至更高。
66.在一些实施例中，不限定量子磁力仪的具体原理、实现方式，不限定量子磁场精密
测量系统中关于地磁补偿、稳定运行方面的具体设计。
67.本发明还提供一种计算机可读存储介质的实施例，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
68.本发明还提供一种计算机程序的实施例，该程序被处理器执行时实现上述方法。
69.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
70.首先，本发明针对各种自由空间通信手段都无法发挥作用的应用场景提出一种全新的通信方法，能够克服水下等特殊信道对无线电、激光载波的强吸收，并能跨介质、穿障碍地实现通信互联。
71.其次，本发明是对量子精密测量应用方式的创新。
72.此外，本发明为水下勘探、底下开采等特殊平台提供了日常信息报送和求救信号发送的手段，将为各种水下、地质勘探设备安全运行能力提升提供解决方案。
73.本发明还具有以下优势：
74.一是双向性，即在信道损耗相同的情况下，通信双方位置可以互换；
75.二是低速性，即基于调制磁场的通信方法对通信速率要求较低；
76.三是重复性，受限于信道的高度不确定性，在极端特殊场合例如水下设备位置实时播报、水下设备故障示警等，需要反复发送待传输的明文信息，确保接收方能够接收到至少一次通信信号。
77.为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本技术时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
78.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
79.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
80.本技术可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本技术，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
81.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
82.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
83.在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
84.内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
85.计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
86.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
87.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
88.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。