鄧寧勤 趙寶升 盛立志鄢秋榮 楊 顥2)劉 舵2)

1)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710119)

2)(中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

(2012年10月12日收到;2012年10月25日收到修改稿)

1 引言

自1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，X射線已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷和無損檢測.然而，X射線作為一種波長短(0.01—10 nm)、頻率高(大于1018Hz)的電磁波[1]，同樣可作為承載信息的載體用于通信.

X射線通信是指以X射線為載體、在真空中傳遞信息，不需要任何有線信道為傳輸媒介的一種通信技術(shù).當(dāng)X射線光子能量大于10 keV(λ＜0.1 nm)時，在太空幾乎是無衰減的傳輸.X射線在任何介質(zhì)中的折射率近似為1，色散很小，因此可望在較小的體積、重量、功耗下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離太空傳輸.目前，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的信息傳輸最主要是微波通信的方式.然而隨著空間探測的持續(xù)發(fā)展，特別是對深空探測力度的加大，微波頻率資源已經(jīng)相當(dāng)緊張.近年來，空間通信隨著激光、紫外等無線通信方式的興起，使空間通信覆蓋了更廣的電磁波范圍[2,3].X射線通信不僅作為一種新型的通信方法，擴(kuò)展了通信的電磁波范圍，還具有特殊的用途.例如，衛(wèi)星在返回地球時，要穿過一個等離子體區(qū)，在這個區(qū)域的無線電波被完全屏蔽，如果利用X射線則可以穿過等離子體層，可以利用這個優(yōu)點(diǎn)在無線電波無法覆蓋的情況下進(jìn)行通信[4].

美國國家航空航天局(NASA)的戈達(dá)德空間飛行中心(Goddard Space Flight Center)的Keith Gendreau博士于2007年首次提出X射線空間通信的概念.在2012年4月美國NASA的空間研究發(fā)展計(jì)劃的14個技術(shù)領(lǐng)域中，將X射線通信稱為革命性概念[5].中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所于2011年針對深空通信的特點(diǎn)提出一種新的架構(gòu)的X射線空間通信方法，被2012年1月19日《中國科學(xué)報(bào)》報(bào)道，在國內(nèi)外引起了重大反響.X射線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一是要研制具有調(diào)制X射線信號能力的X射線源.目前已知的X射線信號調(diào)制方法有由美國戈達(dá)德空間飛行中心研制，通過調(diào)制發(fā)光二極管的方法間接調(diào)制X射線信號[6].另一種方法是中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研制，在X射線源中加入調(diào)制柵極，通過調(diào)制柵極加上適當(dāng)?shù)目刂齐妷海筙射線源內(nèi)的電子運(yùn)動到陽極靶前全部被截獲，利用調(diào)制柵極直接控制X射線信號.

本文詳細(xì)介紹了基于X射線的空間語音通信系統(tǒng)的組成和工作原理，報(bào)道了該系統(tǒng)的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對影響X射線通信的通信速率的因素進(jìn)行了分析.

2 系統(tǒng)組成和工作原理

基于X射線的空間語音通信系統(tǒng)的原理如圖1所示，主要由信號調(diào)制發(fā)射器、基于MCP的X射線單光子探測器和信號接收解調(diào)器三部分組成.

2.1 信號調(diào)制發(fā)射器

圖2為信號調(diào)制發(fā)射器原理，主要由柵控X射線源和信號調(diào)制與柵極控制電路組成.

圖1 基于X射線的空間語音通信系統(tǒng)原理圖

圖2 信號調(diào)制發(fā)射器原理圖

圖3 柵控X射線源示意圖

圖3為柵控X射線源示意圖，在傳統(tǒng)X射線球管的基礎(chǔ)上增加了調(diào)制柵極4和電子聚焦極5.調(diào)制柵極的作用是調(diào)制X射線從而復(fù)現(xiàn)柵極輸入的數(shù)字信號.調(diào)制原理：當(dāng)柵極輸入的傳輸信號為高電平時，燈絲陰極產(chǎn)生的電子在電場的作用下向柵極運(yùn)動，電子在通過柵極后轟擊陽極靶并產(chǎn)生X射線;當(dāng)柵極輸入的傳輸信號為低電平時，此時加載燈絲和柵極之間的電壓會阻礙電子向陽極運(yùn)動.通過上述方法調(diào)制X射線的出射，從而起到類似于開關(guān)的作用.聚焦極位于柵極和陽極靶之間，聚焦極實(shí)現(xiàn)電子聚焦作用，控制電子束斑的尺寸.聚焦極的作用還使電子的時間彌散減小，提高時間分辨率.

實(shí)驗(yàn)中，調(diào)制方式選用開-關(guān)鍵控.柵控X射線管具有類似于開關(guān)的工作原理，在所有無線通信的調(diào)制方法中，開-關(guān)鍵控與柵控X射線源調(diào)制原理最近似，同時也是最容易實(shí)現(xiàn)的調(diào)制方法.開-關(guān)鍵控中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)由每個T秒符號間隔是否存在光脈沖表示.根據(jù)準(zhǔn)則：如果信息位為“1”，則發(fā)射X射線脈沖;如果為“0”，則通過柵極控制不發(fā)射任何脈沖，這樣就在發(fā)射端上將二進(jìn)制信息序列直接映射成X射線脈沖序列.因此，數(shù)據(jù)流中的“1”和發(fā)射機(jī)發(fā)射X射線脈沖直接存在一一對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對X射線信號的調(diào)制.圖4為球管的柵控電壓與X射線出射能量曲線.通過電子光學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使陰極燈絲和柵極之間的電壓大小正好能夠全部截獲燈絲所產(chǎn)生的電子.由圖4可以看出柵極電壓為0時，X射線出射能量為最大值，這時對應(yīng)輸入信息位為“1”;當(dāng)柵極電壓為-8 V時，X射線出射能量為0，說明X射線源中電子完全被柵極截獲，這時對應(yīng)輸入信息位為“0”.

信號調(diào)制與柵極控制電路的作用是將聲音的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)闁趴囟说臄?shù)字信號，以實(shí)現(xiàn)對X射線源柵極的調(diào)制.

圖4 柵控電壓與X射線出射能量曲線

2.2 基于MCP的X射線單光子探測器

基于X射線的空間語音通信系統(tǒng)采用基于MCP的X射線單光子探測器，由輸入窗、光電陰極、微通道板和收集陽極組成[7,8].為滿足探測器的靈敏度要求，需選擇透過率高的輸入窗材料.根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，聚酰亞胺材料對20 keV的X射線透過率近似為1，因此選用25μm的聚酰亞胺膜作為輸入窗.探測器MCP輸入面蒸鍍CsI反射式光電陰極[10].在實(shí)驗(yàn)中所采用的單塊MCP的增益能達(dá)到103，兩塊“V”型堆疊的MCP可提供106—107的電子增益[11]，可探測極微弱的單光子信號.保證了X射線的通信速率和誤碼率，有利于進(jìn)行X射線通信.

2.3 信號提取與解調(diào)器

實(shí)驗(yàn)中，采用單光子計(jì)數(shù)的方式，每個X射線光子入射到探測器上會產(chǎn)生一個脈寬約為2 ns幅度約為20 mV的負(fù)脈沖，如圖5(a)所示.從探測器直接輸出的原始信號不利于解調(diào)，因此要對脈沖信號進(jìn)行處理.處理后的信號為一脈沖寬度為400 ns，幅度為1.2 V的脈沖信號，如圖5(b)所示.

X射線信號通常為單光子狀態(tài)，單個光子到達(dá)時間是隨機(jī)事件[12]，由于柵控X射線脈沖信號具有可控性，因此大量的光子到達(dá)時間的統(tǒng)計(jì)分布是確定的，即特定相位占有光子的概率是確定的，但是噪聲光子的到達(dá)時間不滿足這樣的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這樣就會產(chǎn)生噪聲信號，即未輸入有效X射線信號探測器輸出信號不為“0”，提高了誤碼率.因此要排除暗噪聲對有效信號的干擾就需要設(shè)置一個閾值濾除噪聲信號.實(shí)驗(yàn)中，采用脈沖計(jì)數(shù)方法對脈沖信號進(jìn)行處理.圖6(a)為調(diào)制信號及脈沖輸出波形圖.信號為加載在柵控X射線源的調(diào)制信號波形，信號為探測器獲得的X射線光子經(jīng)過處理后的脈沖信號.在解調(diào)電路中根據(jù)離散的脈沖信號相鄰兩個脈沖之間的時間，判斷是否為有效信號.判定準(zhǔn)則為設(shè)定時間內(nèi)如果脈沖數(shù)大于2個就設(shè)置為高電平，如果在設(shè)定時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)小于或等于2個則將輸出設(shè)置為低電平.圖6(b)中，為離散信號解調(diào)之后波形.

信號提取原理是將探測器產(chǎn)生的負(fù)脈沖信號，經(jīng)過前置放大器的信號處理，將其處理為準(zhǔn)高斯信號.通過比較器實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)高斯信號閾值的比較并產(chǎn)生觸發(fā)信號，RC電路的作用是將脈沖信號的放電時間延長，使用閾值比較得到提取信號波形圖.由于通信信號經(jīng)過RS232串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接蒄PGA控制的音頻電路板上.因此需要將閾值比較之后的輸出信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，將LVTTL電平轉(zhuǎn)換為串口通信的RS232電平，信號提取方法的信號波形圖如圖7所示.

信號解調(diào)方式需與發(fā)射端的調(diào)制方式相同，因此解調(diào)方式也選用開-關(guān)鍵控方式.

圖5 (a)探測器原始輸出信號;(b)原始信號與處理后的信號

圖6 (a)調(diào)制信號及脈沖輸出波形圖;(b)調(diào)制信號及解調(diào)后波形圖

圖7 信號提取方法的信號波形圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在X射線通信系統(tǒng)中，影響X射線通信速率的主要因素是X射線的強(qiáng)度.由文獻(xiàn)[13]可知，X射線管產(chǎn)生的X射線由連續(xù)譜和標(biāo)識譜兩部分組成，要增強(qiáng)X射線的強(qiáng)度，必須提高管電壓V和管電流Ia.圖8為在不同的管電壓和管電流的情況下X射線強(qiáng)度的變化曲線.由圖8可以看出，當(dāng)管電壓和管電流增大時，X射線強(qiáng)度也隨之增強(qiáng).

X射線強(qiáng)度、信號整形時間和閾值設(shè)置是影響基于X射線的空間語音通信系統(tǒng)性能的主要因素.實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)管電壓高于18 kV，閾值設(shè)置為-0.116—-0.157 V及整形時間為10—20μs時，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作.為便于分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以固定的音頻信號輸入到系統(tǒng)中，在管電壓為20 kV，閾值設(shè)置為-0.116 V及信號整形時間為15μs的情況下，標(biāo)準(zhǔn)信號波形如圖9(a)所示.在保證其余變量不變的情況下，依次改變管電壓、信號整形時間及閾值設(shè)置分析對X射線通信性能的影響，如圖9所示.

由圖9(b)可看出，當(dāng)管電流下降至16 kV時，X射線強(qiáng)度減弱使單位時間內(nèi)探測器探測的光子數(shù)減少，導(dǎo)致輸出的高電平信號誤讀成低電平信號.由于探測器的輸出是離散的光子脈沖信號，因此需要通過信號整形實(shí)現(xiàn)對原始信號的還原.由圖9(c)可看出，假如信號整形時間過長，時間間隔較短的相鄰的高電平信號會產(chǎn)生一個連續(xù)的高電平信號導(dǎo)致誤碼;由圖9(d)可看出，如果信號整形時間過短，時間間隔較長的光子脈沖信號之間會產(chǎn)生一個錯誤的低電平信號.因?yàn)樘綔y器探測到的信號包括有效信號、背景噪聲和暗噪聲，所以系統(tǒng)需要設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝颠_(dá)到濾除噪聲減低誤碼率的目的.如圖9(e)所示，閾值設(shè)置過高會把部分有效信號當(dāng)成噪聲信號濾除;如圖9(f)所示，閾值設(shè)置過低則引入了噪聲信號.由上述分析，可得出只有系統(tǒng)的X射線強(qiáng)度較強(qiáng)、信號整形時間和閾值設(shè)置適當(dāng)?shù)那闆r下，系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的X射線通信.

圖8 (a)X射線強(qiáng)度與管電流關(guān)系曲線;(b)X射線強(qiáng)度與管電壓關(guān)系曲線

圖9 (a)標(biāo)準(zhǔn)信號波形;(b)管電壓為16 kV;(c)信號整形時間為6μs;(d)信號整形時間為40μs;(e)閾值設(shè)置為-0.1 V;(f)閾值設(shè)置為-0.284 V

圖10 音頻信號傳輸波形圖

圖10為基于X射線的空間語音通信系統(tǒng)音頻信號傳輸波形圖.信號為探測器獲得的X射線光子經(jīng)過處理后的光子脈沖信號，信號為加載在柵控X射線源的原始音頻信號波形，信號為解調(diào)電路處理后的輸出音頻信號波形.從圖10可看出，在X射線輻射能量為20 keV時，X射線通信能夠在系統(tǒng)中以優(yōu)于20 kbit/s頻率下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)了基于語音信號調(diào)制的X射線通信.

4 結(jié)論

研制了調(diào)制X射線發(fā)射源，搭建了基于X射線的空間語音通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于20 kbit/s的X射線空間通信的實(shí)時語音模擬通信.分析了X射線強(qiáng)度、信號整形時間及閾值設(shè)置對X射線通信的性能影響.該系統(tǒng)對于開展X射線通信相關(guān)理論研究和核心技術(shù)攻關(guān)具有重要意義.下一步將通過電子優(yōu)化設(shè)計(jì)及對X射線管陰極材料的研究，增大管電流提高通信速率.

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