應用于深空通信的X射線系統

張宇 袁杰 尚吉揚 趙靜 于大海

摘要：隨著太空探索技術的進步，深空通信已經受到世界各國的重視，成為研究熱點。X射線具有波長短、穿透能力強、無色散等性質，成為深空通信的新型手段。

關鍵詞：X射線通信;深空通信;真空傳輸

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0019-02

0 引言

深空通信是聯系人類與深空探測器的紐帶，然而，深空通信卻面臨著巨大的困難和挑戰，比如信息傳輸距離過遠、鏈路具有間斷性、高精度導航定位困難，數據傳輸率低等。針對深空通信面臨的困難，急需要一種新的具有傳輸距離遠、傳輸率高的無線通信新方式。

由于X射線本身具有光子能量大、頻率高、穿透力強、方向性好等特點，相比于其他波段的通信，X射線具有頻率高、應用場合廣泛、真空傳輸無衰減等優勢。

1 X射線通信系統優勢

目前基于微波無線電技術的深空通信發展已經到了瓶頸。繼續對深空微波通信技術進行改進，能夠獲得的性能和成本的提升空間已經非常小了。NASA已決定不再開展Ka以上頻段微波深空地面站的建設。

目前深空通信的發展主要集中在激光通信技術上，美國正在開展深空火星與地球間的激光通信原理樣機研制工作，并且之前已經成功實現了月球到地球38.44萬公里遠的深空激光通信試驗，實現了下行622Mbps、上行20Mbps的高速深空通信速率。

從電磁波譜示意圖可以看到，比激光頻率更加高的波譜是X射線和γ射線，可以定性的推測如果用X射線實現深空通信，那么以更低的質量和功耗資源獲得更高的通信能力的潛力一定比激光還好！

X射線有兩個突出的特性，一是真空無衰減，二是傳輸無色散，用于深空通信將具有極大優勢。并且X射線的頻段比激光也更寬，可實現更寬的通信總帶寬。

此外，X射線的光子能量高，穿透力極強，用于通信還有望解決至今困擾航天器返回地球大氣層時的黑障問題。

2 X射線通信發展現狀

X射線通信是2007年美國NASA提出的新概念，目前國內外還處于進行探索研究的階段，并沒有真正實現。

2.1 美國戈達德航天中心

第一次發出X射線模擬信號的通信的是K.C.Gendreau博士，他們使用的是600m真空光束線，在戈達德航天中心的相干X射線測試平臺上實現了這個實驗。系統的總功耗為150W，信息傳輸速率最高可達到1Mbps。雖然目前仍處于實驗室開發階段，并沒有成為實用的通訊系統，但這一實驗的成功標志著X射線通信成為可以實現的通信技術。K.C.Gendreau博士先打開一個紫外LED光，然后將需要傳輸的信號加載在上面，通過組合生成的調制紫外光去打擊一個光電陰極，激發的光電效應產生出電子發射，發射出來的電子再經過一個電子倍增器放大后轟擊陽極靶材產生X射線信號，使用這一信號進行通信。

2.2 美國Stanford大學

2011年，美國斯坦福大學物理系的Catherine Kealhofer等人于提出一種可以用于空間通信的超快X射線發射源技術。該新型X射線源的原理首先利用一個飛秒激光脈沖（30mw，30-fs）打擊一個納米尺寸的發射尖端產生電子發射，然后對電子經過加速后轟擊陽極靶材產生X射線。這種X射線發射源的特點是尺寸小，亮度高，速度快等。

2.3 中國西安光機所

中國科學研究院西安精密光學機械研究所趙寶升團隊結合自身的研究領域，提出了一種新型的X射線柵控調制源作為發射裝置和一種基于微通道板的X射線探測器作為接收裝置（分別申請了1個國際專利和兩個中國發明專利）。X射線通信裝置圖如圖1所示。

目前，中國科學院西安光學精密機械研究所已經實現了OOK（開關鍵控）和PWM（脈沖寬度調制）兩種調制方式下的語音通信，在6米真空管道中通信速率達64kbps。但是，與國外相比，在信號傳輸速率等方面仍然存在一定的距離。

2.4 中科院國家天文臺和高能物理研究所

此外國內還有高能所對X射線探測器有較為深入的研究。中科院國家天文臺和高能物理研究所聯合申報了空間科學與應用第一批艙外試驗項目：X射線全天監視器。

3 研究內容

目前國內外均已經在實驗室中實現了X射線通信，為了能夠轉化到實際應用中，在技術研究本身上，還有一些X射線通信的基礎通信理論問題需要研究，有很多關鍵技術和關鍵材料需要突破。

3.1 X射線通信信道模型的研究

目前，還沒有針對X射線通信進行的鏈路計算。其中所需要的參數為：光電陰極轉換效率，MCP增益，陽極靶轉換效率，空間損耗，CsI閃爍轉換屏轉換效率、光耦合連接效率、PMT-MCP探測器靈敏度。

3.2 深空環境對X射線通信的影響

由于X射線的特殊性質，主要可用于深空通信中，但其性質由于光通信和微波通信不同。光通信和微波通信實質上都是電磁波的傳輸，而硬X射線由于其本身的性質，更偏向于高能粒子流的傳輸。而深空中存在的引力場、太陽風暴、黑子、其他高能粒子是否會對X射線產生影響目前還沒有相關研究。

3.3 X射線靶后X射線光束整形

高能粒子束轟擊陽極靶后，產生的X射線發散角對空間傳輸效率有一定影響。發散角越小接收面積越集中。轟擊陽極靶的電子束直徑、在陽極靶上的束斑與X射線發散角的關系目前還沒有研究。如何減小X射線光子束的發散角是研究的目的。

3.4 X射線對其他元器件的影響

X射線是一種高能光子流，這種光子流是否會對深空通信中接收星上的其他器件產生影響以及如何對敏感器件進行防護是研究的目的。

3.5 X射線對準方式研究

X射線頻率高、波長短，如何實現兩通信點的捕獲對準跟蹤。目前激光通信的APT系統的精度已經達到一個極限，所以X射線通信的對準方式必須要采用新技術。重點研究基于X射線脈沖星信標的光束瞄準新技術及引力彎曲效應對自主跟瞄的影響。

3.6 X射線直接調制技術

目前X射線通信系統依然是將信號調制在光上，再將光轉換成X射線盡心通信傳輸。還沒有一種能夠將信號直接調制到X射線上的方法。對X射線直接調制技術進行研究，能夠提高通信速率，對深空通信具有深遠的影響。

4 結語

X射線技術是新興技術，還有許多關鍵技術沒有進行研究，與原理樣機的生產有較大差距，因此，應立足于現有研究，對標國內外情況，將X射線通信亟待解決的問題逐個進行技術攻關，并搭建原理驗證系統。

參考文獻

[1] 周賢偉，尹志忠，王建萍等.深空通信[M].北京：國防工業出版社，2009.