張穎軍 蒙靜 古松 彭凱 朱鵬 孫靜 方進勇

（1 中國空間技術(shù)研究院西安分院，2 錢學森空間技術(shù)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(shù)――X射線通信，首次開展X射線通信空間技術(shù)試驗。該技術(shù)是近年來空間科學領(lǐng)域的前沿技術(shù)，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(lǐng)域具有潛在應用優(yōu)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(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)將是一項具有突破意義的應用技術(shù)。該技術(shù)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(zhì)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(fā)射系統(tǒng)具有尺寸、重量和功耗（SWaP）優(yōu)勢；

3）X射線高達1018Hz的頻率，其通信系統(tǒng)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(shù)；

5）X射線通信技術(shù)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(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。

對于無線通信系統(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(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，德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，120多年來，X射線在醫(yī)療透視、無損探傷和物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(nóng)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(fā)展計劃的14個技術(shù)領(lǐng)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(shù)團隊被授予美國研究和發(fā)展創(chuàng)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(shù)”（SEXTANT）項目，包括服務于科學目標的“中子星內(nèi)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(diào)制X射線源（MXS），使 用 NavCube（SpaceCube2.0+Navigator） 計 算平臺驅(qū)動調(diào)制X射線源，實現(xiàn)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(tǒng)（iROC）的構(gòu)想，實現(xiàn)無線電、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射線應用構(gòu)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(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NASA的XCOM概念提出之后，國內(nèi)相關(guān)科研機構(gòu)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(fā)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(xiàn)通信測距一體化的技術(shù)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(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)制太陽輻射的X射線信號實現(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，或受到能量相當高的電磁輻射而產(chǎn)生的，波長為0.01～10nm的電磁波。當前，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)復雜度、技術(shù)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(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射線源均屬于此類射線源。下面對典型調(diào)制X射線源的結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點進行分析與比較。

美國GSFC調(diào)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(shù)字信號加載在一個紫外發(fā)光二級管（LED）上，產(chǎn)生的調(diào)制紫外光去照射光電陰極，通過光電效應產(chǎn)生調(diào)制電子流，調(diào)制電子流再經(jīng)過一個電子倍增器放大、靜電加速并轟擊陽極靶產(chǎn)生X射線信號用于信息傳輸。

GSFC調(diào)制X射線源實物圖

對于該方案，由于光電陰極的光電發(fā)射電流和輸入光功率成正比，但當輸入光增大到一定數(shù)值時，光陰極會受到永久性的損傷，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(fā)射功率，會造成電子束彌散，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(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(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)生調(diào)制X射線，調(diào)制速率可達吉比特量級。該方案采用調(diào)制激光來激發(fā)光電陰極發(fā)射光電子，也存在功率受限的問題。

柵極控制調(diào)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(diào)制X射線源。當柵極輸入的信號為低電平時，燈絲陰極產(chǎn)生的電子在電場的作用下轟擊陽極靶產(chǎn)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(chǎn)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(diào)制，射線管內(nèi)增加了柵控極和聚集極，可以實現(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(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AMPTEK公司、美國MOXTEK公司等。

4 聚焦光學系統(tǒng)

X射線發(fā)射源發(fā)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(fā)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(zhì)，其傳播方向不會發(fā)生明顯改變，因此X射線不能被普通的光學鏡頭聚焦。

現(xiàn)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(xù)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(jié)構(gòu)，主要為Wolter-I型，如“錢德拉X射線天文臺”（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探測器等。

上述X射線光學聚焦系統(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X射線掠入射時會發(fā)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(jié) 構(gòu)。1952年，Wolter提出了一種兩次反射的X射線聚焦光學，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)的拋物面聚焦光學系統(tǒng)。1975年，Schmidt提出一種簡化龍蝦眼睛結(jié)構(gòu)的聚焦光學結(jié)構(gòu)，該模型靈感來自于對龍蝦眼睛的仿生研究。針對Schmidt結(jié)構(gòu)分辨率較差的問題，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鏡結(jié)構(gòu)。針對Angel結(jié)構(gòu)工藝較為復雜的問題，澳大利亞聯(lián)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(shù)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(gòu)成X射線望遠鏡陣列，實現(xiàn)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(tǒng)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(zhuǎn)拋物面反射鏡，沒有次級旋轉(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)：單個聚焦系統(tǒng)（左）和56 個單個聚焦系統(tǒng)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(tǒng)，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(fā)生全反射的原理，實現(xiàn)對X射線傳輸方向在彎曲毛細血管中的改變，實現(xiàn)X射線聚焦。中國科學院空間科學中心李保權(quán)提出利用X射線毛細管作為衛(wèi)星內(nèi)部通信的收發(fā)天線。

5 射線探測器

激光通信中調(diào)制解調(diào)技術(shù)是從強度調(diào)制/直接檢測（IM/DD）技術(shù)方案開始的，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射線源都是強度調(diào)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(yōu)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?？臻gX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(nèi)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(tǒng)主要由SDD探測器、電子學信號處理電路、制冷系統(tǒng)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(tǒng)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(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(huán)境下才能正常工作。MCP探測器技術(shù)相對成熟、探測靈敏度高、速度快、動態(tài)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(jié)及未來研究重點

目前，空間X射線通信技術(shù)在調(diào)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(xù)投入與研究，期待未來能在空間使用。作者結(jié)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(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），甚至設計出相位調(diào)制器件，才能有效發(fā)揮X射線帶寬、穿透性、強方向性優(yōu)點。

針對調(diào)制X射線源問題，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(tài)調(diào)制原理，將電子束的調(diào)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(chǎn)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(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）高增益聚焦光學系統(tǒng)

現(xiàn)有的基于Wolter型聚焦光學，發(fā)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(tǒng)研究是空間X射線通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

針對聚焦光學系統(tǒng)問題，現(xiàn)有的技術(shù)路徑不能研制出發(fā)散角小于1mrad的光學系統(tǒng)，應該尋找更好技術(shù)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(shù)

現(xiàn)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(shù)率等技術(shù)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(shù)的主要矛盾。

對于探測器，現(xiàn)有半導體器件性能優(yōu)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(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。