空間X射線通信技術研究現狀分析

張穎軍 蒙靜 古松 彭凱 朱鵬 孫靜 方進勇

（1 中國空間技術研究院西安分院，2 錢學森空間技術實驗室）

美國國家航空航天局（NASA）計劃于2019年上半年在國際空間站試驗一種新型空間通信技術――X射線通信，首次開展X射線通信空間技術試驗。該技術是近年來空間科學領域的前沿技術，X射線具有自由空間傳輸無衰減、超高帶寬及不易被截獲等特性，在深空探測、空間編隊飛行及黑障通信等領域具有潛在應用優勢。

1 引言

隨著人類空間探測任務的不斷拓展，對大容量、高速率、遠距離、復雜深空環境中的新一代空間通信技術提出了重大需求。X射線作為一種更高頻率的電磁波，利用X射線作為信息載體的新型空間通信技術將是一項具有突破意義的應用技術。該技術具有如下特點：

1）X射線（能量大于10keV）光子在真空（氣壓低于10-1Pa）中幾乎無衰減，且在任何介質中折射率近似為1，無色散；

2）與射頻、微波、激光等相比，X射線的短波特性可使X射線發射系統具有尺寸、重量和功耗（SWaP）優勢；

3）X射線高達1018Hz的頻率，其通信系統具有非常大的傳輸帶寬，美國加州大學的Porter George教授認為X射線通信的最大理論速率可達40000Tbit/s；

4）X射線通信（XCOM）與X射線導航（XNAV）在航天器終端的融合，使得XCOM的捕獲、跟蹤與瞄準（ATP）可以充分利用XNAV的準直、聚焦等技術；

5）X射線通信技術能應用于一些微波、激光無法穿透的特殊場合，如用于電磁屏蔽地區的通信、飛行器內部通信和地球等離子層內的飛行器通信。

對于無線通信系統，主要由三部分組成：發射端、接收端、通信信道。空間X射線通信系統也是如此，需要一個可以將信息加載至X射線脈沖上的調制發射源，以及對X射線頻段敏感且能將信息參量還原的探測裝置。X射線由于特殊的物理性質，發射、接收、調制等核心元件與微波、激光等頻段相比具有巨大的差異。

2 空間X射線通信技術研究現狀

1895年，德國物理學家倫琴發現了X射線，120多年來，X射線在醫療透視、無損探傷和物質結構分析等領域得到了廣泛的應用，為人類做出了巨大的貢獻。美國Henke博士通過多年對X射線的研究發現，當X射線光子能量大于10keV（λ＜0.1nm），大氣壓強低于10-1Pa時，X射線的透過率為100%。2007年，美國NASA戈達德空間飛行中心（GSFC）的天文物理學家Keith Gendreau博士提出利用X射線實現空間飛行器點對點通信的概念，并首次證明了X射線通信的可行性。Daniel G博士等人利用信息論的克拉美-羅（Cramer-Rao）不等式、費希爾（Fisher）信息以及香農熵（Shannon-entropy）等概念，對XNAV和XCOM的基本原理進行了理論分析。2010年，NASA的空間研究發展計劃的14個技術領域中，將XNAV和XCOM稱為革命性概念，被認為是“下一代新的空間通信方法”。2011年，作為X射線導航和通信的帶頭人，Keith Gendreau技術團隊被授予美國研究和發展創新團隊。2013年，戈達德空間飛行中心以XNAV項目為基礎啟動“空間站X射線定時與導航技術”（SEXTANT）項目，包括服務于科學目標的“中子星內部組成探測器”（NICER）項目與驗證新概念的XCOM項目，即：SEXTANT=XNAV+NICER+XCOM。XCOM項目組計劃于2019年在國際空間站安裝調制X射線源（MXS），使 用 NavCube（SpaceCube2.0+Navigator） 計 算平臺驅動調制X射線源，實現距離約50m的空間X射線通信演示試驗。2014年，美國ASTER實驗室的科學家們提出了將X射線傳感器直接集成到無線電和光通信系統（iROC）的構想，實現無線電、光和X射線于一體的通信系統（iROX）。2017年，GSFC飛行中心的研究人員提出了完整的X射線應用構想，包括基于X射線的星間相對導航通信鏈路、超音速黑障區的X射線安全通信、電磁屏蔽環境下的X射線通信等。

繼美國NASA的XCOM概念提出之后，國內相關科研機構在X射線通信概念及應用模式等方面也開展了一系列的研究工作，如中國科學院西安光學精密機械研究所（簡稱：中科院西安光機所）提出了一種柵控X射線源作為發射器，以及基于微通道板的X射線單光子探測器作為接收器的X射線空間語音通信方案；西安電子科技大學許錄平團隊提出了利用X射線實現通信測距一體化的技術方案；南京航空航天大學湯曉斌團隊分析了X射線在黑障環境下的傳輸特性；上海衛星工程研究所提出了一種調制太陽輻射的X射線信號實現深空通信的方案構想；西北核技術研究所提出了激光-X射線聯袂通信系統方法。

3 調制X射線源

X射線是由于物質受到能量相當高的電子、質子、α粒子或其他重離子轟擊，或受到能量相當高的電磁輻射而產生的，波長為0.01～10nm的電磁波。當前，產生X射線的方式主要有以下4種：X射線管、激光等離子體、同步輻射X射線光和X射線自由電子激光。

綜合考慮結構復雜度、技術難度、成本等方面因素，X射線管體制對于空間X射線通信系統發射源最為適用。現在提出的用于空間X射線通信的調制X射線源均屬于此類射線源。下面對典型調制X射線源的結構和優缺點進行分析與比較。

美國GSFC調制X演射線源方案

美國NASA的Keith Gendreau博士的X射線通信方案中，先將數字信號加載在一個紫外發光二級管（LED）上，產生的調制紫外光去照射光電陰極，通過光電效應產生調制電子流，調制電子流再經過一個電子倍增器放大、靜電加速并轟擊陽極靶產生X射線信號用于信息傳輸。

GSFC調制X射線源實物圖

對于該方案，由于光電陰極的光電發射電流和輸入光功率成正比，但當輸入光增大到一定數值時，光陰極會受到永久性的損傷，這樣就限制了調制X射線源的發射功率，導致通信信噪比低，誤碼率高等問題。另外，通過增加電子倍增管的功率來增加發射功率，會造成電子束彌散，限制射線調制帶寬。

超快X射線調制發射源技術

美國斯坦福大學物理系的Catherine Kealhofer教授等人提出一種可用于空間通信的超快X射線調制發射源技術。該裝置由飛秒激光、冷陰極納米尖端（金屬鎢材料組成，半徑范圍20～150nm）、柵極和陽極靶組成，其中，飛秒激光由鈦寶石激光器產生，激光脈沖小于10fs，重復頻率150MHz，平均功率100nW量級。首先利用一個飛秒激光脈沖輻照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調制X射線，調制速率可達吉比特量級。該方案采用調制激光來激發光電陰極發射光電子，也存在功率受限的問題。

柵極控制調制X射線源

中科院西安光機所趙寶升團隊提出了一種柵極控制調制X射線源。當柵極輸入的信號為低電平時，燈絲陰極產生的電子在電場的作用下轟擊陽極靶產生X射線；當柵極輸入的信號為高電平時，加載在燈絲和柵極之間的電壓會阻礙電子向陽極運動，不產生X射線。聚焦極位于柵極和陽極靶之間，起著電子束聚焦作用，控制電子束斑的尺寸；聚焦極具有減小電子時間彌散和提高時間分辨率等作用。

該方案一方面采用柵極對X射線管進行調制，射線管內增加了柵控極和聚集極，可以實現高功率的X射線調制，有助于提高傳輸距離。另一方面，由于其采用的靜態調制原理，隨著碼率的提高，電子的渡越時間和碼率的周期越來越接近，這會限制碼率的提高，一般在兆比特量級就難以再提高。

其他有潛力的方案

中國科學院國家空間科學中心李保權提出一種微型微束調制X射線源，可用于星內X射線通信。南京航空航天大學湯曉斌提出一種激光調制脈沖X射線源(LMPXS)。部分公司的調制X射線源產品也具有用于空間X射線通信的潛力，如美國AMPTEK公司、美國MOXTEK公司等。

4 聚焦光學系統

X射線發射源發散角大，信號在自由空間的幾何衰減嚴重，通信距離受到限制，嚴重制約X射線通信的發展與應用。因此研制X射線的聚焦準直光學顯得尤為迫切。X射線具有較大的光子能量，以正入射方式入射到物質，其傳播方向不會發生明顯改變，因此X射線不能被普通的光學鏡頭聚焦。

現在主要利用三種物理原理對X射線進行聚焦，分別為：反射式、衍射式和折射式。自1963年NASA獲得了太陽的第一張X射線圖像之后，人類就一直持續著對空間X射線的探測。應用于空間的X射線聚焦多采用反射式結構，主要為Wolter-I型，如“錢德拉X射線天文臺”（CXO）衛星、XMM-牛頓（XMM-Newton）衛星、“朱雀”（Suzaku）衛星、天文-H（Astro-H）衛星和NICER探測器等。

上述X射線光學聚焦系統都是利用反射式物理原理研制的。1922年，在康普頓首次證實X射線掠入射時會發生類似于可見光的全外反射之后，物理學家就利用這一原理研制了眾多X射線成像光學元件。1948年，最早的掠入射望遠鏡是Kirkpatrick和Baez設 計 的Kirkpatrick-Baez型 結 構。1952年，Wolter提出了一種兩次反射的X射線聚焦光學，根據組合方式的不同，主要分為Wolter-I、II、III型。1960年，Giacconi和Rossi提出了一種為共焦多層結構的拋物面聚焦光學系統。1975年，Schmidt提出一種簡化龍蝦眼睛結構的聚焦光學結構，該模型靈感來自于對龍蝦眼睛的仿生研究。針對Schmidt結構分辨率較差的問題，Angel提出了一種采用微小矩形元包構成的龍蝦眼聚焦望遠鏡結構。針對Angel結構工藝較為復雜的問題，澳大利亞聯邦科工組織和墨爾本大學提出微孔光學（MPO）工藝。

美國GSFC聚焦光學

空間X射線通信技術演示計劃利用SEXTANT項目的X射線接收器。由56個對齊排列的X射線聚焦鏡構成X射線望遠鏡陣列，實現了較小體積與重量的目標。該探測器在光子能量1.5keV時有效面積為2000cm2，在光子能量6keV時有效面積為600cm2，每一個聚焦鏡的長度為0.1524m，口徑為0.1m，其中嵌套24層鍍金的X射線反射鏡，對聚焦后的X射線進行探測的SDD探測器放置于聚焦鏡后方1.085m處，整機體積約1m×1m×1.2m。該聚焦系統光學特點具有大收集面積、高效率、低重量等特點，在光子能量1.5keV時聚焦效率可達50%。由于對成像沒有要求，因此聚焦透鏡只有初級的旋轉拋物面反射鏡，沒有次級旋轉雙曲面反射鏡，這樣可以滿足輕量化、短焦距的要求。

X 射線聚焦系統：單個聚焦系統（左）和56 個單個聚焦系統組裝后（右）

其他有潛力的方案

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所李順設計了一種Wolter-I型的太陽成像光學系統，在設計及工程分析方面做了很多有價值的工作。X射線毛細管基于在掠入射條件下X射線會發生全反射的原理，實現對X射線傳輸方向在彎曲毛細血管中的改變，實現X射線聚焦。中國科學院空間科學中心李保權提出利用X射線毛細管作為衛星內部通信的收發天線。

5 射線探測器

激光通信中調制解調技術是從強度調制/直接檢測（IM/DD）技術方案開始的，X射線通信的調制解調技術也是如此。本文所述的調制X射線源都是強度調制體制。

應用于空間X射線通信的探測器首先應該具有探測靈敏度高、時間分辨能力高、易于大面積集成、探測效率高等特點，同時還需具有尺寸、重量和功耗等方面的優勢。X射線探測器主要分為熱電探測器件和光子探測器件兩大類，空間X射線通信主要利用光子探測器件。空間X射線通信探測器研究較多的是硅漂移室探測器（SDD）和微通道板（MCP）等，分別為基于內光電效應的半導體探測器和基于外光電效應的電真空探測器。

硅漂移室探測器探測單元

半導體探測器

美國NASA采用SDD作為X射線探測器，該探測器以高阻硅作為基材，雙面大面積P+接觸，工作于全耗盡模式下，具有較高的量子效率。探測系統主要由SDD探測器、電子學信號處理電路、制冷系統等組成。

探測器性能比較

其他有潛力的方案

中科院西安光機所趙寶升團隊提出的基于微通道板的探測系統主要由輸入窗、光電陰極、微通道板和收集陽極組成。日本學者ShunjiKishimoto設計了一種基于硅基雪崩光電二級管（Si-APD）的X射線探測器。

正比計數器由于惰性氣體的充入限制了使用壽命，閃爍體-光電倍增管探測器主要適用于硬X射線波段，CCD半導體探測器和量熱計探測器均需致冷至低溫環境下才能正常工作。MCP探測器技術相對成熟、探測靈敏度高、速度快、動態范圍大。硅半導體探測器的探測效率和能量分辨率高，對制造材料的純度和工藝要求很高，單元探測面積較小，要大面積集成來滿足X射線探測的需求。

6 總結及未來研究重點

目前，空間X射線通信技術在調制X射線源、聚焦光學、探測器等方面取得了很大進展，也進行了部分演示驗證。但距離空間實際應用還有一定的差距，需持續投入與研究，期待未來能在空間使用。作者結合自身實際研究，對存在的問題進行分析并給出一些研究建議。

（1）高效X射線調制技術

調制X射線源的功率影響通信距離，調制帶寬影響通信速率。X射線技術要用于空間通信，在滿足尺寸、重量和功耗的約束條件下，需尋找效率更高的大帶寬功率積射線源（功率＞1W，帶寬＞1GHz），甚至設計出相位調制器件，才能有效發揮X射線帶寬、穿透性、強方向性優點。

針對調制X射線源問題，在未出現新的物理方法前，能量電子撞擊金屬靶產生X射線是空間最為適用的。對于存在的功率與帶寬不能高效兼容問題，可借鑒真空物理學中微波-電子注能量交換的動態調制原理，將電子束的調制與加速分開，解決了射線源的帶寬問題和功率問題。此外，在產生X射線的量子效率不變的情況下，應該重點研究提高X射線的能量集中度和發散角；新出現的調制方法也值得關注，比如衍射極限光學和光子能量調制等；小功率的微束X射線源并聯成大功率射線源，也是值得注意的研究方向。

（2）高增益聚焦光學系統

現有的基于Wolter型聚焦光學，發散角約3mrad。這對于遠距離（＞30000km）通信的應用場景而言幾何損耗依然過大，效果不太理想。開展束散角1μrad量級的X射線準直聚焦光學系統研究是空間X射線通信技術的關鍵技術之一。

針對聚焦光學系統問題，現有的技術路徑不能研制出發散角小于1mrad的光學系統，應該尋找更好技術方法，比如X射線玻璃毛細管。

（3）高靈敏度超快射線探測技術

現有的半導體探測器在時間分辨率、量子效率、能譜效應范圍、計數率等技術指標可以滿足10GHz的碼率通信，不是限制空間X射線通信技術的主要矛盾。

對于探測器，現有半導體器件性能優異，主要問題是單個器件的接收面積小，大面積集成難的問題。應該重點研究探測器接收面積的大面積集成技術、不同接收單位的協同工作及小型化的高速讀出電路等。此外，對于X射線在星際空間中傳輸特性至今鮮有明確研究成果，這也是一個值得注意與研究的問題。