發布日期：2022-04-17 點擊率：49
X射線通信，顧名思義，就是將X射線作為載波，將信息加載至X射線光子的某一項或者某幾項物理參數上并向外發送。實際上仍然是一種利用電磁波的通信手段，與微波通信、激光通信等傳統通信方式并無本質上的區別。X射線在大氣中傳播時會遭遇嚴重的衰減，但當X射線光子能量大于10keV、大氣壓強低于10-1Pa時，X射線透過率可達100%，也就是說，X射線在真空環境中的傳播是沒有物理衰減的。但X射線波長更短，理論上通信系統帶寬更高，PorterGeorge認為X射線通信的最大理論速率可達40000Tbps；單個光子能量更高，受高能粒子與空間電、磁場的影響更小，更加符合復雜空天環境下通信的要求；X射線光束發散角很小，自由空間損耗很小，因此可望以較小的體積、重量、功耗實現遠距離空間傳輸；此外，X射線穿透能力強，利用X射線進行通信具有高度的定向性和保密性。
與傳統的微波、激光等通信手段在受到屏蔽干擾及空間天氣變化的情況下可靠性大大降低甚至無法通信不同，X射線通信可以在電磁屏蔽及復雜空間環境的影響下正常工作。可以預見，空間Ｘ射線通信不僅僅是對微波與激光通信的補充，在復雜的空間環境與特殊應用場合中，更是對傳統通信方式顛覆性的替代。
2007年，美國國家航空航天局（NASA）戈達德空間飛行中心的KeithGendreau博士首次提出了X射線通信的概念，這一想法也被寫入了2011年NASA的空間技術發展路線圖，并被稱作“革命性概念”。
中科院西安光機所趙寶升研究員團隊于2011年國內首次提出Ｘ射線通信的概念、并以與美國完全不同的技術方案申請了國際專利。2012年1月19日，《中國科學報》第四版頭條以“空間X射線通信新方法提出”為題，對趙寶升團隊的研究進展做了相關報告，引起了國內外專家的高度關注。方案中提出了一種基于柵控X射線模擬源（GMXT,gridmodulatedX-raytransmitter,專利授權號：2011102600121520）作為X射線脈沖輻射源的方法，并利用具有微弱光信號檢測能力的MCP單光子探測器作為接收轉置。所研制的原理樣機已在實驗室得到了初步驗證。
X射線空間通信試驗演示系統
對于任一無線通信系統，主要都由三部分組成：發射端、接收端以及通信信道。對于空間X射線也是如此，首先需要一個可以將信息加載至X射線光子物理參數上的調制發射源，以及對X射線波段敏感且能將信息參量還原的探測裝置。由于X射線自身的神奇特性，將其應用至空間通信領域中時，將會得到相較于傳統通信方式更加卓越的表現，但同時也對于發射、接收、調制等核心元件提出了更加嚴苛的要求。
1.X射線通信理論研究
根據不同軌道高度下的空間環境，理論和實驗相結合，研究X射線光子與高能粒子、等離子體之間的相互作用機理；研究空間環境與探測機制產生的隨機干擾，給出干擾模型計算過程；建立X射線通信的空間信道模型，給出通信距離、通信速率、發射功率及誤差特性等主要指標計算方程。旨在利用理論分析及軟件仿真對X射線通信的傳輸過程給出清晰的分析，并以此為基礎建立X射線空間通信的信道模型及噪聲模型，及早挖掘X射線作為載波時的優勢，并將其在工程應用中加以實現。
2.X射線的產生
如何產生適合通信的X射線光子，并選取合適的X射線參數作為信息載體。且在空間通信中，作用距離很遠（如在衛星間的空間鏈路傳輸距離可以達到數千公路，甚至上萬公路），背景光干擾較強。在這種條件下，高功率、穩定的光源是確保接收端快速、可靠地傳輸數據的重要前提。此外，X射線發射機功率越高，用于閉合給定鏈路所需的傳輸口徑就越小，這樣可減小整個裝置的尺寸。空間X射線通信系統多用在衛星和一些便攜設備上，由于這些設備上的電力資源非常寶貴，在高功率輸出的同時，還必須保證低的能量消耗，這就要求X射線發射機有較高的效率。另外其壽命也是一項重要的性能指標，特別是對于應用在衛星上的，應與整個系統及衛星的使用壽命相匹配。研究目標在于優化X射線發射源，擬研究應用碳納米管技術的X射線發射球管代替傳統的熱陰極發射球管，以獲取高效、低耗，寬帶寬X射線脈沖調制發射源。
3.X射線的編碼調制
X射線、乃至整個光通信領域，首先由于載波頻率很高，其粒子性開始顯現。信息是通過一個一個分立的X射線光子傳遞的，對現有X射線探測器的時間分辨能力而言，其波動性表現得不是非常明顯，反映在接收端探測器上，X射線光子被表征為一個個在時間上離散的脈沖串。故而針對目前X射線通信系統而言，IM/DD（強度調制/直接檢測），即對強度調制的光載波信號直接進行包絡檢測，仍然是通用的做法。下一步研究目標是尋找效率更高、誤差特性更好的編碼、調制方式，以期獲得更好的通信效果。
4.探測器研究
根據應用場合的不同，需要根據所謂信息載體的X射線參數來選擇適當的探測器。例如，當到達探測器端的X射線信號較為微弱，這時選擇具有單光子測試能力的MCP（MicroChannelPlate，微通道板）探測器就較為合適。再如，采用模擬幅度調制時，需要對所接收X射線進行能量分辨，那么就應當選擇時間分辨能力很強、探測效率較高的探測器，例如SDD（SiliconDriftDetector，硅漂移探測器。）需要注意的是，不同探測器對應著不同的信號解調方法，它們所對應的噪聲干擾模型也就不同。一般來說，基于探測器類型和背景噪聲級別，考慮不同探測器噪聲模型。當采用光子計數器型探測器時，噪聲主要來自光子探測器暗電流和能量很低的背景光干擾，這時噪聲分布符合泊松噪聲模型，換句話說，噪聲體現為錯誤光子脈沖。考慮高斯噪聲模型時，噪聲大多數為熱噪聲。此外，當背景光沒能被有效地過濾掉時會導致過度干擾，這些噪聲情形也適用于高斯模型。
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