張穎軍 蒙靜 古松 彭凱 朱鵬 孫靜 方進(jìn)勇

（1 中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，2 錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）計(jì)劃于2019年上半年在國(guó)際空間站試驗(yàn)一種新型空間通信技術(shù)――X射線通信，首次開(kāi)展X射線通信空間技術(shù)試驗(yàn)。該技術(shù)是近年來(lái)空間科學(xué)領(lǐng)域的前沿技術(shù)，X射線具有自由空間傳輸無(wú)衰減、超高帶寬及不易被截獲等特性，在深空探測(cè)、空間編隊(duì)飛行及黑障通信等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 引言

隨著人類(lèi)空間探測(cè)任務(wù)的不斷拓展，對(duì)大容量、高速率、遠(yuǎn)距離、復(fù)雜深空環(huán)境中的新一代空間通信技術(shù)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(shù)將是一項(xiàng)具有突破意義的應(yīng)用技術(shù)。該技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

1）X射線（能量大于10keV）光子在真空（氣壓低于10-1Pa）中幾乎無(wú)衰減，且在任何介質(zhì)中折射率近似為1，無(wú)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(fā)射系統(tǒng)具有尺寸、重量和功耗（SWaP）優(yōu)勢(shì)；

3）X射線高達(dá)1018Hz的頻率，其通信系統(tǒng)具有非常大的傳輸帶寬，美國(guó)加州大學(xué)的Porter George教授認(rèn)為X射線通信的最大理論速率可達(dá)40000Tbit/s；

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

5）X射線通信技術(shù)能應(yīng)用于一些微波、激光無(wú)法穿透的特殊場(chǎng)合，如用于電磁屏蔽地區(qū)的通信、飛行器內(nèi)部通信和地球等離子層內(nèi)的飛行器通信。

對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)，主要由三部分組成：發(fā)射端、接收端、通信信道?？臻gX射線通信系統(tǒng)也是如此，需要一個(gè)可以將信息加載至X射線脈沖上的調(diào)制發(fā)射源，以及對(duì)X射線頻段敏感且能將信息參量還原的探測(cè)裝置。X射線由于特殊的物理性質(zhì)，發(fā)射、接收、調(diào)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(shù)研究現(xiàn)狀

1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，120多年來(lái)，X射線在醫(yī)療透視、無(wú)損探傷和物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，為人類(lèi)做出了巨大的貢獻(xiàn)。美國(guó)Henke博士通過(guò)多年對(duì)X射線的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)X射線光子能量大于10keV（λ＜0.1nm），大氣壓強(qiáng)低于10-1Pa時(shí)，X射線的透過(guò)率為100%。2007年，美國(guó)NASA戈達(dá)德空間飛行中心（GSFC）的天文物理學(xué)家Keith Gendreau博士提出利用X射線實(shí)現(xiàn)空間飛行器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(fèi)希爾（Fisher）信息以及香農(nóng)熵（Shannon-entropy）等概念，對(duì)XNAV和XCOM的基本原理進(jìn)行了理論分析。2010年，NASA的空間研究發(fā)展計(jì)劃的14個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中，將XNAV和XCOM稱為革命性概念，被認(rèn)為是“下一代新的空間通信方法”。2011年，作為X射線導(dǎo)航和通信的帶頭人，Keith Gendreau技術(shù)團(tuán)隊(duì)被授予美國(guó)研究和發(fā)展創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。2013年，戈達(dá)德空間飛行中心以XNAV項(xiàng)目為基礎(chǔ)啟動(dòng)“空間站X射線定時(shí)與導(dǎo)航技術(shù)”（SEXTANT）項(xiàng)目，包括服務(wù)于科學(xué)目標(biāo)的“中子星內(nèi)部組成探測(cè)器”（NICER）項(xiàng)目與驗(yàn)證新概念的XCOM項(xiàng)目，即：SEXTANT=XNAV+NICER+XCOM。XCOM項(xiàng)目組計(jì)劃于2019年在國(guó)際空間站安裝調(diào)制X射線源（MXS），使 用 NavCube（SpaceCube2.0+Navigator） 計(jì) 算平臺(tái)驅(qū)動(dòng)調(diào)制X射線源，實(shí)現(xiàn)距離約50m的空間X射線通信演示試驗(yàn)。2014年，美國(guó)ASTER實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們提出了將X射線傳感器直接集成到無(wú)線電和光通信系統(tǒng)（iROC）的構(gòu)想，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電、光和X射線于一體的通信系統(tǒng)（iROX）。2017年，GSFC飛行中心的研究人員提出了完整的X射線應(yīng)用構(gòu)想，包括基于X射線的星間相對(duì)導(dǎo)航通信鏈路、超音速黑障區(qū)的X射線安全通信、電磁屏蔽環(huán)境下的X射線通信等。

繼美國(guó)NASA的XCOM概念提出之后，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)在X射線通信概念及應(yīng)用模式等方面也開(kāi)展了一系列的研究工作，如中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所（簡(jiǎn)稱：中科院西安光機(jī)所）提出了一種柵控X射線源作為發(fā)射器，以及基于微通道板的X射線單光子探測(cè)器作為接收器的X射線空間語(yǔ)音通信方案；西安電子科技大學(xué)許錄平團(tuán)隊(duì)提出了利用X射線實(shí)現(xiàn)通信測(cè)距一體化的技術(shù)方案；南京航空航天大學(xué)湯曉斌團(tuán)隊(duì)分析了X射線在黑障環(huán)境下的傳輸特性；上海衛(wèi)星工程研究所提出了一種調(diào)制太陽(yáng)輻射的X射線信號(hào)實(shí)現(xiàn)深空通信的方案構(gòu)想；西北核技術(shù)研究所提出了激光-X射線聯(lián)袂通信系統(tǒng)方法。

3 調(diào)制X射線源

X射線是由于物質(zhì)受到能量相當(dāng)高的電子、質(zhì)子、α粒子或其他重離子轟擊，或受到能量相當(dāng)高的電磁輻射而產(chǎn)生的，波長(zhǎng)為0.01～10nm的電磁波。當(dāng)前，產(chǎn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜度、技術(shù)難度、成本等方面因素，X射線管體制對(duì)于空間X射線通信系統(tǒng)發(fā)射源最為適用?，F(xiàn)在提出的用于空間X射線通信的調(diào)制X射線源均屬于此類(lèi)射線源。下面對(duì)典型調(diào)制X射線源的結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析與比較。

美國(guó)GSFC調(diào)制X演射線源方案

美國(guó)NASA的Keith Gendreau博士的X射線通信方案中，先將數(shù)字信號(hào)加載在一個(gè)紫外發(fā)光二級(jí)管（LED）上，產(chǎn)生的調(diào)制紫外光去照射光電陰極，通過(guò)光電效應(yīng)產(chǎn)生調(diào)制電子流，調(diào)制電子流再經(jīng)過(guò)一個(gè)電子倍增器放大、靜電加速并轟擊陽(yáng)極靶產(chǎn)生X射線信號(hào)用于信息傳輸。

GSFC調(diào)制X射線源實(shí)物圖

對(duì)于該方案，由于光電陰極的光電發(fā)射電流和輸入光功率成正比，但當(dāng)輸入光增大到一定數(shù)值時(shí)，光陰極會(huì)受到永久性的損傷，這樣就限制了調(diào)制X射線源的發(fā)射功率，導(dǎo)致通信信噪比低，誤碼率高等問(wèn)題。另外，通過(guò)增加電子倍增管的功率來(lái)增加發(fā)射功率，會(huì)造成電子束彌散，限制射線調(diào)制帶寬。

超快X射線調(diào)制發(fā)射源技術(shù)

美國(guó)斯坦福大學(xué)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(diào)制發(fā)射源技術(shù)。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(yáng)極靶組成，其中，飛秒激光由鈦寶石激光器產(chǎn)生，激光脈沖小于10fs，重復(fù)頻率150MHz，平均功率100nW量級(jí)。首先利用一個(gè)飛秒激光脈沖輻照一個(gè)納米尺寸的發(fā)射尖端產(chǎn)生電子發(fā)射，然后對(duì)電子經(jīng)過(guò)加速后轟擊陽(yáng)極靶材產(chǎn)生調(diào)制X射線，調(diào)制速率可達(dá)吉比特量級(jí)。該方案采用調(diào)制激光來(lái)激發(fā)光電陰極發(fā)射光電子，也存在功率受限的問(wèn)題。

柵極控制調(diào)制X射線源

中科院西安光機(jī)所趙寶升團(tuán)隊(duì)提出了一種柵極控制調(diào)制X射線源。當(dāng)柵極輸入的信號(hào)為低電平時(shí)，燈絲陰極產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)的作用下轟擊陽(yáng)極靶產(chǎn)生X射線；當(dāng)柵極輸入的信號(hào)為高電平時(shí)，加載在燈絲和柵極之間的電壓會(huì)阻礙電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生X射線。聚焦極位于柵極和陽(yáng)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(shí)間彌散和提高時(shí)間分辨率等作用。

該方案一方面采用柵極對(duì)X射線管進(jìn)行調(diào)制，射線管內(nèi)增加了柵控極和聚集極，可以實(shí)現(xiàn)高功率的X射線調(diào)制，有助于提高傳輸距離。另一方面，由于其采用的靜態(tài)調(diào)制原理，隨著碼率的提高，電子的渡越時(shí)間和碼率的周期越來(lái)越接近，這會(huì)限制碼率的提高，一般在兆比特量級(jí)就難以再提高。

其他有潛力的方案

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

4 聚焦光學(xué)系統(tǒng)

X射線發(fā)射源發(fā)散角大，信號(hào)在自由空間的幾何衰減嚴(yán)重，通信距離受到限制，嚴(yán)重制約X射線通信的發(fā)展與應(yīng)用。因此研制X射線的聚焦準(zhǔn)直光學(xué)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(zhì)，其傳播方向不會(huì)發(fā)生明顯改變，因此X射線不能被普通的光學(xué)鏡頭聚焦。

現(xiàn)在主要利用三種物理原理對(duì)X射線進(jìn)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(yáng)的第一張X射線圖像之后，人類(lèi)就一直持續(xù)著對(duì)空間X射線的探測(cè)。應(yīng)用于空間的X射線聚焦多采用反射式結(jié)構(gòu)，主要為Wolter-I型，如“錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)”（CXO）衛(wèi)星、XMM-牛頓（XMM-Newton）衛(wèi)星、“朱雀”（Suzaku）衛(wèi)星、天文-H（Astro-H）衛(wèi)星和NICER探測(cè)器等。

上述X射線光學(xué)聚焦系統(tǒng)都是利用反射式物理原理研制的。1922年，在康普頓首次證實(shí)X射線掠入射時(shí)會(huì)發(fā)生類(lèi)似于可見(jiàn)光的全外反射之后，物理學(xué)家就利用這一原理研制了眾多X射線成像光學(xué)元件。1948年，最早的掠入射望遠(yuǎn)鏡是Kirkpatrick和Baez設(shè) 計(jì) 的Kirkpatrick-Baez型 結(jié) 構(gòu)。1952年，Wolter提出了一種兩次反射的X射線聚焦光學(xué)，根據(jù)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(jié)構(gòu)的拋物面聚焦光學(xué)系統(tǒng)。1975年，Schmidt提出一種簡(jiǎn)化龍蝦眼睛結(jié)構(gòu)的聚焦光學(xué)結(jié)構(gòu)，該模型靈感來(lái)自于對(duì)龍蝦眼睛的仿生研究。針對(duì)Schmidt結(jié)構(gòu)分辨率較差的問(wèn)題，Angel提出了一種采用微小矩形元包構(gòu)成的龍蝦眼聚焦望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。針對(duì)Angel結(jié)構(gòu)工藝較為復(fù)雜的問(wèn)題，澳大利亞聯(lián)邦科工組織和墨爾本大學(xué)提出微孔光學(xué)（MPO）工藝。

美國(guó)GSFC聚焦光學(xué)

空間X射線通信技術(shù)演示計(jì)劃利用SEXTANT項(xiàng)目的X射線接收器。由56個(gè)對(duì)齊排列的X射線聚焦鏡構(gòu)成X射線望遠(yuǎn)鏡陣列，實(shí)現(xiàn)了較小體積與重量的目標(biāo)。該探測(cè)器在光子能量1.5keV時(shí)有效面積為2000cm2，在光子能量6keV時(shí)有效面積為600cm2，每一個(gè)聚焦鏡的長(zhǎng)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(duì)聚焦后的X射線進(jìn)行探測(cè)的SDD探測(cè)器放置于聚焦鏡后方1.085m處，整機(jī)體積約1m×1m×1.2m。該聚焦系統(tǒng)光學(xué)特點(diǎn)具有大收集面積、高效率、低重量等特點(diǎn)，在光子能量1.5keV時(shí)聚焦效率可達(dá)50%。由于對(duì)成像沒(méi)有要求，因此聚焦透鏡只有初級(jí)的旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，沒(méi)有次級(jí)旋轉(zhuǎn)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(tǒng)：?jiǎn)蝹€(gè)聚焦系統(tǒng)（左）和56 個(gè)單個(gè)聚焦系統(tǒng)組裝后（右）

其他有潛力的方案

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所李順設(shè)計(jì)了一種Wolter-I型的太陽(yáng)成像光學(xué)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)及工程分析方面做了很多有價(jià)值的工作。X射線毛細(xì)管基于在掠入射條件下X射線會(huì)發(fā)生全反射的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線傳輸方向在彎曲毛細(xì)血管中的改變，實(shí)現(xiàn)X射線聚焦。中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)中心李保權(quán)提出利用X射線毛細(xì)管作為衛(wèi)星內(nèi)部通信的收發(fā)天線。

5 射線探測(cè)器

激光通信中調(diào)制解調(diào)技術(shù)是從強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）技術(shù)方案開(kāi)始的，X射線通信的調(diào)制解調(diào)技術(shù)也是如此。本文所述的調(diào)制X射線源都是強(qiáng)度調(diào)制體制。

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

硅漂移室探測(cè)器探測(cè)單元

半導(dǎo)體探測(cè)器

美國(guó)NASA采用SDD作為X射線探測(cè)器，該探測(cè)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(cè)系統(tǒng)主要由SDD探測(cè)器、電子學(xué)信號(hào)處理電路、制冷系統(tǒng)等組成。

探測(cè)器性能比較

其他有潛力的方案

中科院西安光機(jī)所趙寶升團(tuán)隊(duì)提出的基于微通道板的探測(cè)系統(tǒng)主要由輸入窗、光電陰極、微通道板和收集陽(yáng)極組成。日本學(xué)者ShunjiKishimoto設(shè)計(jì)了一種基于硅基雪崩光電二級(jí)管（Si-APD）的X射線探測(cè)器。

正比計(jì)數(shù)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(cè)器主要適用于硬X射線波段，CCD半導(dǎo)體探測(cè)器和量熱計(jì)探測(cè)器均需致冷至低溫環(huán)境下才能正常工作。MCP探測(cè)器技術(shù)相對(duì)成熟、探測(cè)靈敏度高、速度快、動(dòng)態(tài)范圍大。硅半導(dǎo)體探測(cè)器的探測(cè)效率和能量分辨率高，對(duì)制造材料的純度和工藝要求很高，單元探測(cè)面積較小，要大面積集成來(lái)滿足X射線探測(cè)的需求。

6 總結(jié)及未來(lái)研究重點(diǎn)

目前，空間X射線通信技術(shù)在調(diào)制X射線源、聚焦光學(xué)、探測(cè)器等方面取得了很大進(jìn)展，也進(jìn)行了部分演示驗(yàn)證。但距離空間實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距，需持續(xù)投入與研究，期待未來(lái)能在空間使用。作者結(jié)合自身實(shí)際研究，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析并給出一些研究建議。

（1）高效X射線調(diào)制技術(shù)

調(diào)制X射線源的功率影響通信距離，調(diào)制帶寬影響通信速率。X射線技術(shù)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(shè)計(jì)出相位調(diào)制器件，才能有效發(fā)揮X射線帶寬、穿透性、強(qiáng)方向性優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)調(diào)制X射線源問(wèn)題，在未出現(xiàn)新的物理方法前，能量電子撞擊金屬靶產(chǎn)生X射線是空間最為適用的。對(duì)于存在的功率與帶寬不能高效兼容問(wèn)題，可借鑒真空物理學(xué)中微波-電子注能量交換的動(dòng)態(tài)調(diào)制原理，將電子束的調(diào)制與加速分開(kāi)，解決了射線源的帶寬問(wèn)題和功率問(wèn)題。此外，在產(chǎn)生X射線的量子效率不變的情況下，應(yīng)該重點(diǎn)研究提高X射線的能量集中度和發(fā)散角；新出現(xiàn)的調(diào)制方法也值得關(guān)注，比如衍射極限光學(xué)和光子能量調(diào)制等；小功率的微束X射線源并聯(lián)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(xué)系統(tǒng)

現(xiàn)有的基于Wolter型聚焦光學(xué)，發(fā)散角約3mrad。這對(duì)于遠(yuǎn)距離（＞30000km）通信的應(yīng)用場(chǎng)景而言幾何損耗依然過(guò)大，效果不太理想。開(kāi)展束散角1μrad量級(jí)的X射線準(zhǔn)直聚焦光學(xué)系統(tǒng)研究是空間X射線通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

針對(duì)聚焦光學(xué)系統(tǒng)問(wèn)題，現(xiàn)有的技術(shù)路徑不能研制出發(fā)散角小于1mrad的光學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)該尋找更好技術(shù)方法，比如X射線玻璃毛細(xì)管。

（3）高靈敏度超快射線探測(cè)技術(shù)

現(xiàn)有的半導(dǎo)體探測(cè)器在時(shí)間分辨率、量子效率、能譜效應(yīng)范圍、計(jì)數(shù)率等技術(shù)指標(biāo)可以滿足10GHz的碼率通信，不是限制空間X射線通信技術(shù)的主要矛盾。

對(duì)于探測(cè)器，現(xiàn)有半導(dǎo)體器件性能優(yōu)異，主要問(wèn)題是單個(gè)器件的接收面積小，大面積集成難的問(wèn)題。應(yīng)該重點(diǎn)研究探測(cè)器接收面積的大面積集成技術(shù)、不同接收單位的協(xié)同工作及小型化的高速讀出電路等。此外，對(duì)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(gè)值得注意與研究的問(wèn)題。