空间X射线通信技术研究现状分析

张颖军 蒙静 古松 彭凯 朱鹏 孙静 方进勇

（1 中国空间技术研究院西安分院，2 钱学森空间技术实验室）

美国国家航空航天局（NASA）计划于2019年上半年在国际空间站试验一种新型空间通信技术――X射线通信，首次开展X射线通信空间技术试验。该技术是近年来空间科学领域的前沿技术，X射线具有自由空间传输无衰减、超高带宽及不易被截获等特性，在深空探测、空间编队飞行及黑障通信等领域具有潜在应用优势。

1 引言

随着人类空间探测任务的不断拓展，对大容量、高速率、远距离、复杂深空环境中的新一代空间通信技术提出了重大需求。X射线作为一种更高频率的电磁波，利用X射线作为信息载体的新型空间通信技术将是一项具有突破意义的应用技术。该技术具有如下特点：

1）X射线（能量大于10keV）光子在真空（气压低于10-1Pa）中几乎无衰减，且在任何介质中折射率近似为1，无色散；

2）与射频、微波、激光等相比，X射线的短波特性可使X射线发射系统具有尺寸、重量和功耗（SWaP）优势；

3）X射线高达1018Hz的频率，其通信系统具有非常大的传输带宽，美国加州大学的Porter George教授认为X射线通信的最大理论速率可达40000Tbit/s；

4）X射线通信（XCOM）与X射线导航（XNAV）在航天器终端的融合，使得XCOM的捕获、跟踪与瞄准（ATP）可以充分利用XNAV的准直、聚焦等技术；

5）X射线通信技术能应用于一些微波、激光无法穿透的特殊场合，如用于电磁屏蔽地区的通信、飞行器内部通信和地球等离子层内的飞行器通信。

对于无线通信系统，主要由三部分组成：发射端、接收端、通信信道。空间X射线通信系统也是如此，需要一个可以将信息加载至X射线脉冲上的调制发射源，以及对X射线频段敏感且能将信息参量还原的探测装置。X射线由于特殊的物理性质，发射、接收、调制等核心元件与微波、激光等频段相比具有巨大的差异。

2 空间X射线通信技术研究现状

1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线，120多年来，X射线在医疗透视、无损探伤和物质结构分析等领域得到了广泛的应用，为人类做出了巨大的贡献。美国Henke博士通过多年对X射线的研究发现，当X射线光子能量大于10keV（λ＜0.1nm），大气压强低于10-1Pa时，X射线的透过率为100%。2007年，美国NASA戈达德空间飞行中心（GSFC）的天文物理学家Keith Gendreau博士提出利用X射线实现空间飞行器点对点通信的概念，并首次证明了X射线通信的可行性。Daniel G博士等人利用信息论的克拉美-罗（Cramer-Rao）不等式、费希尔（Fisher）信息以及香农熵（Shannon-entropy）等概念，对XNAV和XCOM的基本原理进行了理论分析。2010年，NASA的空间研究发展计划的14个技术领域中，将XNAV和XCOM称为革命性概念，被认为是“下一代新的空间通信方法”。2011年，作为X射线导航和通信的带头人，Keith Gendreau技术团队被授予美国研究和发展创新团队。2013年，戈达德空间飞行中心以XNAV项目为基础启动“空间站X射线定时与导航技术”（SEXTANT）项目，包括服务于科学目标的“中子星内部组成探测器”（NICER）项目与验证新概念的XCOM项目，即：SEXTANT=XNAV+NICER+XCOM。XCOM项目组计划于2019年在国际空间站安装调制X射线源（MXS），使 用 NavCube（SpaceCube2.0+Navigator） 计 算平台驱动调制X射线源，实现距离约50m的空间X射线通信演示试验。2014年，美国ASTER实验室的科学家们提出了将X射线传感器直接集成到无线电和光通信系统（iROC）的构想，实现无线电、光和X射线于一体的通信系统（iROX）。2017年，GSFC飞行中心的研究人员提出了完整的X射线应用构想，包括基于X射线的星间相对导航通信链路、超音速黑障区的X射线安全通信、电磁屏蔽环境下的X射线通信等。

继美国NASA的XCOM概念提出之后，国内相关科研机构在X射线通信概念及应用模式等方面也开展了一系列的研究工作，如中国科学院西安光学精密机械研究所（简称：中科院西安光机所）提出了一种栅控X射线源作为发射器，以及基于微通道板的X射线单光子探测器作为接收器的X射线空间语音通信方案；西安电子科技大学许录平团队提出了利用X射线实现通信测距一体化的技术方案；南京航空航天大学汤晓斌团队分析了X射线在黑障环境下的传输特性；上海卫星工程研究所提出了一种调制太阳辐射的X射线信号实现深空通信的方案构想；西北核技术研究所提出了激光-X射线联袂通信系统方法。

3 调制X射线源

X射线是由于物质受到能量相当高的电子、质子、α粒子或其他重离子轰击，或受到能量相当高的电磁辐射而产生的，波长为0.01～10nm的电磁波。当前，产生X射线的方式主要有以下4种：X射线管、激光等离子体、同步辐射X射线光和X射线自由电子激光。

综合考虑结构复杂度、技术难度、成本等方面因素，X射线管体制对于空间X射线通信系统发射源最为适用。现在提出的用于空间X射线通信的调制X射线源均属于此类射线源。下面对典型调制X射线源的结构和优缺点进行分析与比较。

美国GSFC调制X演射线源方案

美国NASA的Keith Gendreau博士的X射线通信方案中，先将数字信号加载在一个紫外发光二级管（LED）上，产生的调制紫外光去照射光电阴极，通过光电效应产生调制电子流，调制电子流再经过一个电子倍增器放大、静电加速并轰击阳极靶产生X射线信号用于信息传输。

GSFC调制X射线源实物图

对于该方案，由于光电阴极的光电发射电流和输入光功率成正比，但当输入光增大到一定数值时，光阴极会受到永久性的损伤，这样就限制了调制X射线源的发射功率，导致通信信噪比低，误码率高等问题。另外，通过增加电子倍增管的功率来增加发射功率，会造成电子束弥散，限制射线调制带宽。

超快X射线调制发射源技术

美国斯坦福大学物理系的Catherine Kealhofer教授等人提出一种可用于空间通信的超快X射线调制发射源技术。该装置由飞秒激光、冷阴极纳米尖端（金属钨材料组成，半径范围20～150nm）、栅极和阳极靶组成，其中，飞秒激光由钛宝石激光器产生，激光脉冲小于10fs，重复频率150MHz，平均功率100nW量级。首先利用一个飞秒激光脉冲辐照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调制X射线，调制速率可达吉比特量级。该方案采用调制激光来激发光电阴极发射光电子，也存在功率受限的问题。

栅极控制调制X射线源

中科院西安光机所赵宝升团队提出了一种栅极控制调制X射线源。当栅极输入的信号为低电平时，灯丝阴极产生的电子在电场的作用下轰击阳极靶产生X射线；当栅极输入的信号为高电平时，加载在灯丝和栅极之间的电压会阻碍电子向阳极运动，不产生X射线。聚焦极位于栅极和阳极靶之间，起着电子束聚焦作用，控制电子束斑的尺寸；聚焦极具有减小电子时间弥散和提高时间分辨率等作用。

该方案一方面采用栅极对X射线管进行调制，射线管内增加了栅控极和聚集极，可以实现高功率的X射线调制，有助于提高传输距离。另一方面，由于其采用的静态调制原理，随着码率的提高，电子的渡越时间和码率的周期越来越接近，这会限制码率的提高，一般在兆比特量级就难以再提高。

其他有潜力的方案

中国科学院国家空间科学中心李保权提出一种微型微束调制X射线源，可用于星内X射线通信。南京航空航天大学汤晓斌提出一种激光调制脉冲X射线源(LMPXS)。部分公司的调制X射线源产品也具有用于空间X射线通信的潜力，如美国AMPTEK公司、美国MOXTEK公司等。

4 聚焦光学系统

X射线发射源发散角大，信号在自由空间的几何衰减严重，通信距离受到限制，严重制约X射线通信的发展与应用。因此研制X射线的聚焦准直光学显得尤为迫切。X射线具有较大的光子能量，以正入射方式入射到物质，其传播方向不会发生明显改变，因此X射线不能被普通的光学镜头聚焦。

现在主要利用三种物理原理对X射线进行聚焦，分别为：反射式、衍射式和折射式。自1963年NASA获得了太阳的第一张X射线图像之后，人类就一直持续着对空间X射线的探测。应用于空间的X射线聚焦多采用反射式结构，主要为Wolter-I型，如“钱德拉X射线天文台”（CXO）卫星、XMM-牛顿（XMM-Newton）卫星、“朱雀”（Suzaku）卫星、天文-H（Astro-H）卫星和NICER探测器等。

上述X射线光学聚焦系统都是利用反射式物理原理研制的。1922年，在康普顿首次证实X射线掠入射时会发生类似于可见光的全外反射之后，物理学家就利用这一原理研制了众多X射线成像光学元件。1948年，最早的掠入射望远镜是Kirkpatrick和Baez设 计 的Kirkpatrick-Baez型 结 构。1952年，Wolter提出了一种两次反射的X射线聚焦光学，根据组合方式的不同，主要分为Wolter-I、II、III型。1960年，Giacconi和Rossi提出了一种为共焦多层结构的抛物面聚焦光学系统。1975年，Schmidt提出一种简化龙虾眼睛结构的聚焦光学结构，该模型灵感来自于对龙虾眼睛的仿生研究。针对Schmidt结构分辨率较差的问题，Angel提出了一种采用微小矩形元包构成的龙虾眼聚焦望远镜结构。针对Angel结构工艺较为复杂的问题，澳大利亚联邦科工组织和墨尔本大学提出微孔光学（MPO）工艺。

美国GSFC聚焦光学

空间X射线通信技术演示计划利用SEXTANT项目的X射线接收器。由56个对齐排列的X射线聚焦镜构成X射线望远镜阵列，实现了较小体积与重量的目标。该探测器在光子能量1.5keV时有效面积为2000cm2，在光子能量6keV时有效面积为600cm2，每一个聚焦镜的长度为0.1524m，口径为0.1m，其中嵌套24层镀金的X射线反射镜，对聚焦后的X射线进行探测的SDD探测器放置于聚焦镜后方1.085m处，整机体积约1m×1m×1.2m。该聚焦系统光学特点具有大收集面积、高效率、低重量等特点，在光子能量1.5keV时聚焦效率可达50%。由于对成像没有要求，因此聚焦透镜只有初级的旋转抛物面反射镜，没有次级旋转双曲面反射镜，这样可以满足轻量化、短焦距的要求。

X 射线聚焦系统：单个聚焦系统（左）和56 个单个聚焦系统组装后（右）

其他有潜力的方案

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李顺设计了一种Wolter-I型的太阳成像光学系统，在设计及工程分析方面做了很多有价值的工作。X射线毛细管基于在掠入射条件下X射线会发生全反射的原理，实现对X射线传输方向在弯曲毛细血管中的改变，实现X射线聚焦。中国科学院空间科学中心李保权提出利用X射线毛细管作为卫星内部通信的收发天线。

5 射线探测器

激光通信中调制解调技术是从强度调制/直接检测（IM/DD）技术方案开始的，X射线通信的调制解调技术也是如此。本文所述的调制X射线源都是强度调制体制。

应用于空间X射线通信的探测器首先应该具有探测灵敏度高、时间分辨能力高、易于大面积集成、探测效率高等特点，同时还需具有尺寸、重量和功耗等方面的优势。X射线探测器主要分为热电探测器件和光子探测器件两大类，空间X射线通信主要利用光子探测器件。空间X射线通信探测器研究较多的是硅漂移室探测器（SDD）和微通道板（MCP）等，分别为基于内光电效应的半导体探测器和基于外光电效应的电真空探测器。

硅漂移室探测器探测单元

半导体探测器

美国NASA采用SDD作为X射线探测器，该探测器以高阻硅作为基材，双面大面积P+接触，工作于全耗尽模式下，具有较高的量子效率。探测系统主要由SDD探测器、电子学信号处理电路、制冷系统等组成。

探测器性能比较

其他有潜力的方案

中科院西安光机所赵宝升团队提出的基于微通道板的探测系统主要由输入窗、光电阴极、微通道板和收集阳极组成。日本学者ShunjiKishimoto设计了一种基于硅基雪崩光电二级管（Si-APD）的X射线探测器。

正比计数器由于惰性气体的充入限制了使用寿命，闪烁体-光电倍增管探测器主要适用于硬X射线波段，CCD半导体探测器和量热计探测器均需致冷至低温环境下才能正常工作。MCP探测器技术相对成熟、探测灵敏度高、速度快、动态范围大。硅半导体探测器的探测效率和能量分辨率高，对制造材料的纯度和工艺要求很高，单元探测面积较小，要大面积集成来满足X射线探测的需求。

6 总结及未来研究重点

目前，空间X射线通信技术在调制X射线源、聚焦光学、探测器等方面取得了很大进展，也进行了部分演示验证。但距离空间实际应用还有一定的差距，需持续投入与研究，期待未来能在空间使用。作者结合自身实际研究，对存在的问题进行分析并给出一些研究建议。

（1）高效X射线调制技术

调制X射线源的功率影响通信距离，调制带宽影响通信速率。X射线技术要用于空间通信，在满足尺寸、重量和功耗的约束条件下，需寻找效率更高的大带宽功率积射线源（功率＞1W，带宽＞1GHz），甚至设计出相位调制器件，才能有效发挥X射线带宽、穿透性、强方向性优点。

针对调制X射线源问题，在未出现新的物理方法前，能量电子撞击金属靶产生X射线是空间最为适用的。对于存在的功率与带宽不能高效兼容问题，可借鉴真空物理学中微波-电子注能量交换的动态调制原理，将电子束的调制与加速分开，解决了射线源的带宽问题和功率问题。此外，在产生X射线的量子效率不变的情况下，应该重点研究提高X射线的能量集中度和发散角；新出现的调制方法也值得关注，比如衍射极限光学和光子能量调制等；小功率的微束X射线源并联成大功率射线源，也是值得注意的研究方向。

（2）高增益聚焦光学系统

现有的基于Wolter型聚焦光学，发散角约3mrad。这对于远距离（＞30000km）通信的应用场景而言几何损耗依然过大，效果不太理想。开展束散角1µrad量级的X射线准直聚焦光学系统研究是空间X射线通信技术的关键技术之一。

针对聚焦光学系统问题，现有的技术路径不能研制出发散角小于1mrad的光学系统，应该寻找更好技术方法，比如X射线玻璃毛细管。

（3）高灵敏度超快射线探测技术

现有的半导体探测器在时间分辨率、量子效率、能谱效应范围、计数率等技术指标可以满足10GHz的码率通信，不是限制空间X射线通信技术的主要矛盾。

对于探测器，现有半导体器件性能优异，主要问题是单个器件的接收面积小，大面积集成难的问题。应该重点研究探测器接收面积的大面积集成技术、不同接收单位的协同工作及小型化的高速读出电路等。此外，对于X射线在星际空间中传输特性至今鲜有明确研究成果，这也是一个值得注意与研究的问题。