应用于深空通信的X射线系统

张宇 袁杰 尚吉扬 赵静 于大海

摘要：随着太空探索技术的进步，深空通信已经受到世界各国的重视，成为研究热点。X射线具有波长短、穿透能力强、无色散等性质，成为深空通信的新型手段。

关键词：X射线通信;深空通信;真空传输

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）04-0019-02

0 引言

深空通信是联系人类与深空探测器的纽带，然而，深空通信却面临着巨大的困难和挑战，比如信息传输距离过远、链路具有间断性、高精度导航定位困难，数据传输率低等。针对深空通信面临的困难，急需要一种新的具有传输距离远、传输率高的无线通信新方式。

由于X射线本身具有光子能量大、频率高、穿透力强、方向性好等特点，相比于其他波段的通信，X射线具有频率高、应用场合广泛、真空传输无衰减等优势。

1 X射线通信系统优势

目前基于微波无线电技术的深空通信发展已经到了瓶颈。继续对深空微波通信技术进行改进，能够获得的性能和成本的提升空间已经非常小了。NASA已决定不再开展Ka以上频段微波深空地面站的建设。

目前深空通信的发展主要集中在激光通信技术上，美国正在开展深空火星与地球间的激光通信原理样机研制工作，并且之前已经成功实现了月球到地球38.44万公里远的深空激光通信试验，实现了下行622Mbps、上行20Mbps的高速深空通信速率。

从电磁波谱示意图可以看到，比激光频率更加高的波谱是X射线和γ射线，可以定性的推测如果用X射线实现深空通信，那么以更低的质量和功耗资源获得更高的通信能力的潜力一定比激光还好！

X射线有两个突出的特性，一是真空无衰减，二是传输无色散，用于深空通信将具有极大优势。并且X射线的频段比激光也更宽，可实现更宽的通信总带宽。

此外，X射线的光子能量高，穿透力极强，用于通信还有望解决至今困扰航天器返回地球大气层时的黑障问题。

2 X射线通信发展现状

X射线通信是2007年美国NASA提出的新概念，目前国内外还处于进行探索研究的阶段，并没有真正实现。

2.1 美国戈达德航天中心

第一次发出X射线模拟信号的通信的是K.C.Gendreau博士，他们使用的是600m真空光束线，在戈达德航天中心的相干X射线测试平台上实现了这个实验。系统的总功耗为150W，信息传输速率最高可达到1Mbps。虽然目前仍处于实验室开发阶段，并没有成为实用的通讯系统，但这一实验的成功标志着X射线通信成为可以实现的通信技术。K.C.Gendreau博士先打开一个紫外LED光，然后将需要传输的信号加载在上面，通过组合生成的调制紫外光去打击一个光电阴极，激发的光电效应产生出电子发射，发射出来的电子再经过一个电子倍增器放大后轰击阳极靶材产生X射线信号，使用这一信号进行通信。

2.2 美国Stanford大学

2011年，美国斯坦福大学物理系的Catherine Kealhofer等人于提出一种可以用于空间通信的超快X射线发射源技术。该新型X射线源的原理首先利用一个飞秒激光脉冲（30mw，30-fs）打击一个纳米尺寸的发射尖端产生电子发射，然后对电子经过加速后轰击阳极靶材产生X射线。这种X射线发射源的特点是尺寸小，亮度高，速度快等。

2.3 中国西安光机所

中国科学研究院西安精密光学机械研究所赵宝升团队结合自身的研究领域，提出了一种新型的X射线栅控调制源作为发射装置和一种基于微通道板的X射线探测器作为接收装置（分别申请了1个国际专利和两个中国发明专利）。X射线通信装置图如图1所示。

目前，中国科学院西安光学精密机械研究所已经实现了OOK（开关键控）和PWM（脉冲宽度调制）两种调制方式下的语音通信，在6米真空管道中通信速率达64kbps。但是，与国外相比，在信号传输速率等方面仍然存在一定的距离。

2.4 中科院国家天文台和高能物理研究所

此外国内还有高能所对X射线探测器有较为深入的研究。中科院国家天文台和高能物理研究所联合申报了空间科学与应用第一批舱外试验项目：X射线全天监视器。

3 研究内容

目前国内外均已经在实验室中实现了X射线通信，为了能够转化到实际应用中，在技术研究本身上，还有一些X射线通信的基础通信理论问题需要研究，有很多关键技术和关键材料需要突破。

3.1 X射线通信信道模型的研究

目前，还没有针对X射线通信进行的链路计算。其中所需要的参数为：光电阴极转换效率，MCP增益，阳极靶转换效率，空间损耗，CsI闪烁转换屏转换效率、光耦合连接效率、PMT-MCP探测器灵敏度。

3.2 深空环境对X射线通信的影响

由于X射线的特殊性质，主要可用于深空通信中，但其性质由于光通信和微波通信不同。光通信和微波通信实质上都是电磁波的传输，而硬X射线由于其本身的性质，更偏向于高能粒子流的传输。而深空中存在的引力场、太阳风暴、黑子、其他高能粒子是否会对X射线产生影响目前还没有相关研究。

3.3 X射线靶后X射线光束整形

高能粒子束轰击阳极靶后，产生的X射线发散角对空间传输效率有一定影响。发散角越小接收面积越集中。轰击阳极靶的电子束直径、在阳极靶上的束斑与X射线发散角的关系目前还没有研究。如何减小X射线光子束的发散角是研究的目的。

3.4 X射线对其他元器件的影响

X射线是一种高能光子流，这种光子流是否会对深空通信中接收星上的其他器件产生影响以及如何对敏感器件进行防护是研究的目的。

3.5 X射线对准方式研究

X射线频率高、波长短，如何实现两通信点的捕获对准跟踪。目前激光通信的APT系统的精度已经达到一个极限，所以X射线通信的对准方式必须要采用新技术。重点研究基于X射线脉冲星信标的光束瞄准新技术及引力弯曲效应对自主跟瞄的影响。

3.6 X射线直接调制技术

目前X射线通信系统依然是将信号调制在光上，再将光转换成X射线尽心通信传输。还没有一种能够将信号直接调制到X射线上的方法。对X射线直接调制技术进行研究，能够提高通信速率，对深空通信具有深远的影响。

4 结语

X射線技术是新兴技术，还有许多关键技术没有进行研究，与原理样机的生产有较大差距，因此，应立足于现有研究，对标国内外情况，将X射线通信亟待解决的问题逐个进行技术攻关，并搭建原理验证系统。

参考文献

[1] 周贤伟，尹志忠，王建萍等.深空通信[M].北京：国防工业出版社，2009.