應(yīng)用于深空通信的X射線系統(tǒng)

張宇 袁杰 尚吉揚 趙靜 于大海

摘要：隨著太空探索技術(shù)的進步，深空通信已經(jīng)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(zhì)，成為深空通信的新型手段。

關(guān)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(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0019-02

0 引言

深空通信是聯(lián)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(zhàn)，比如信息傳輸距離過遠、鏈路具有間斷性、高精度導(dǎo)航定位困難，數(shù)據(jù)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(yīng)用場合廣泛、真空傳輸無衰減等優(yōu)勢。

1 X射線通信系統(tǒng)優(yōu)勢

目前基于微波無線電技術(shù)的深空通信發(fā)展已經(jīng)到了瓶頸。繼續(xù)對深空微波通信技術(shù)進行改進，能夠獲得的性能和成本的提升空間已經(jīng)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(shè)。

目前深空通信的發(fā)展主要集中在激光通信技術(shù)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(jīng)成功實現(xiàn)了月球到地球38.44萬公里遠的深空激光通信試驗，實現(xiàn)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(xiàn)深空通信，那么以更低的質(zhì)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(yōu)勢。并且X射線的頻段比激光也更寬，可實現(xiàn)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(fā)展現(xiàn)狀

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

2.1 美國戈達德航天中心

第一次發(fā)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(xiàn)了這個實驗。系統(tǒng)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(fā)階段，并沒有成為實用的通訊系統(tǒng)，但這一實驗的成功標(biāo)志著X射線通信成為可以實現(xiàn)的通信技術(shù)。K.C.Gendreau博士先打開一個紫外LED光，然后將需要傳輸?shù)男盘柤虞d在上面，通過組合生成的調(diào)制紫外光去打擊一個光電陰極，激發(fā)的光電效應(yīng)產(chǎn)生出電子發(fā)射，發(fā)射出來的電子再經(jīng)過一個電子倍增器放大后轟擊陽極靶材產(chǎn)生X射線信號，使用這一信號進行通信。

2.2 美國Stanford大學(xué)

2011年，美國斯坦福大學(xué)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(fā)射源技術(shù)。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(fā)射尖端產(chǎn)生電子發(fā)射，然后對電子經(jīng)過加速后轟擊陽極靶材產(chǎn)生X射線。這種X射線發(fā)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(xué)研究院西安精密光學(xué)機械研究所趙寶升團隊結(jié)合自身的研究領(lǐng)域，提出了一種新型的X射線柵控調(diào)制源作為發(fā)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(fā)明專利）。X射線通信裝置圖如圖1所示。

目前，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所已經(jīng)實現(xiàn)了OOK（開關(guān)鍵控）和PWM（脈沖寬度調(diào)制）兩種調(diào)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(nèi)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(lián)合申報了空間科學(xué)與應(yīng)用第一批艙外試驗項目：X射線全天監(jiān)視器。

3 研究內(nèi)容

目前國內(nèi)外均已經(jīng)在實驗室中實現(xiàn)了X射線通信，為了能夠轉(zhuǎn)化到實際應(yīng)用中，在技術(shù)研究本身上，還有一些X射線通信的基礎(chǔ)通信理論問題需要研究，有很多關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)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(shù)為：光電陰極轉(zhuǎn)換效率，MCP增益，陽極靶轉(zhuǎn)換效率，空間損耗，CsI閃爍轉(zhuǎn)換屏轉(zhuǎn)換效率、光耦合連接效率、PMT-MCP探測器靈敏度。

3.2 深空環(huán)境對X射線通信的影響

由于X射線的特殊性質(zhì)，主要可用于深空通信中，但其性質(zhì)由于光通信和微波通信不同。光通信和微波通信實質(zhì)上都是電磁波的傳輸，而硬X射線由于其本身的性質(zhì)，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(fēng)暴、黑子、其他高能粒子是否會對X射線產(chǎn)生影響目前還沒有相關(guān)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(chǎn)生的X射線發(fā)散角對空間傳輸效率有一定影響。發(fā)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(fā)散角的關(guān)系目前還沒有研究。如何減小X射線光子束的發(fā)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(chǎn)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(zhǔn)方式研究

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

3.6 X射線直接調(diào)制技術(shù)

目前X射線通信系統(tǒng)依然是將信號調(diào)制在光上，再將光轉(zhuǎn)換成X射線盡心通信傳輸。還沒有一種能夠?qū)⑿盘栔苯诱{(diào)制到X射線上的方法。對X射線直接調(diào)制技術(shù)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(jié)語

X射線技術(shù)是新興技術(shù)，還有許多關(guān)鍵技術(shù)沒有進行研究，與原理樣機的生產(chǎn)有較大差距，因此，應(yīng)立足于現(xiàn)有研究，對標(biāo)國內(nèi)外情況，將X射線通信亟待解決的問題逐個進行技術(shù)攻關(guān)，并搭建原理驗證系統(tǒng)。

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(yè)出版社，2009.