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解密X射线空间通信

2016-01-14 15:21
Minor昔年
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  X射线通信,顾名思义,就是将X射线作为载波,将信息加载至X射线光子的某一项或者某几项物理参数上并向外发送。实际上仍然是一种利用电磁波的通信手段,与微波通信、激光通信等传统通信方式并无本质上的区别。X射线在大气中传播时会遭遇严重的衰减,但当X射线光子能量大于10keV、大气压强低于10-1Pa时,X射线透过率可达100%,也就是说,X射线在真空环境中的传播是没有物理衰减的。但X射线波长更短,理论上通信系统带宽更高,PorterGeorge认为X射线通信的最大理论速率可达40000Tbps;单个光子能量更高,受高能粒子与空间电、磁场的影响更小,更加符合复杂空天环境下通信的要求;X射线光束发散角很小,自由空间损耗很小,因此可望以较小的体积、重量、功耗实现远距离空间传输;此外,X射线穿透能力强,利用X射线进行通信具有高度的定向性和保密性。

  与传统的微波、激光等通信手段在受到屏蔽干扰及空间天气变化的情况下可靠性大大降低甚至无法通信不同,X射线通信可以在电磁屏蔽及复杂空间环境的影响下正常工作。可以预见,空间X射线通信不仅仅是对微波与激光通信的补充,在复杂的空间环境与特殊应用场合中,更是对传统通信方式颠覆性的替代。

  2007年,美国国家航空航天局(NASA)戈达德空间飞行中心的KeithGendreau博士首次提出了X射线通信的概念,这一想法也被写入了2011年NASA的空间技术发展路线图,并被称作“革命性概念”。

  中科院西安光机所赵宝升研究员团队于2011年国内首次提出X射线通信的概念、并以与美国完全不同的技术方案申请了国际专利。2012年1月19日,《中国科学报》第四版头条以“空间X射线通信新方法提出”为题,对赵宝升团队的研究进展做了相关报告,引起了国内外专家的高度关注。方案中提出了一种基于栅控X射线模拟源(GMXT,gridmodulatedX-raytransmitter,专利授权号:2011102600121520)作为X射线脉冲辐射源的方法,并利用具有微弱光信号检测能力的MCP单光子探测器作为接收转置。所研制的原理样机已在实验室得到了初步验证。

  X射线空间通信试验演示系统

  对于任一无线通信系统,主要都由三部分组成:发射端、接收端以及通信信道。对于空间X射线也是如此,首先需要一个可以将信息加载至X射线光子物理参数上的调制发射源,以及对X射线波段敏感且能将信息参量还原的探测装置。由于X射线自身的神奇特性,将其应用至空间通信领域中时,将会得到相较于传统通信方式更加卓越的表现,但同时也对于发射、接收、调制等核心元件提出了更加严苛的要求。

  1.X射线通信理论研究

  根据不同轨道高度下的空间环境,理论和实验相结合,研究X射线光子与高能粒子、等离子体之间的相互作用机理;研究空间环境与探测机制产生的随机干扰,给出干扰模型计算过程;建立X射线通信的空间信道模型,给出通信距离、通信速率、发射功率及误差特性等主要指标计算方程。旨在利用理论分析及软件仿真对X射线通信的传输过程给出清晰的分析,并以此为基础建立X射线空间通信的信道模型及噪声模型,及早挖掘X射线作为载波时的优势,并将其在工程应用中加以实现。

  2.X射线的产生

  如何产生适合通信的X射线光子,并选取合适的X射线参数作为信息载体。且在空间通信中,作用距离很远(如在卫星间的空间链路传输距离可以达到数千公路,甚至上万公路),背景光干扰较强。在这种条件下,高功率、稳定的光源是确保接收端快速、可靠地传输数据的重要前提。此外,X射线发射机功率越高,用于闭合给定链路所需的传输口径就越小,这样可减小整个装置的尺寸。空间X射线通信系统多用在卫星和一些便携设备上,由于这些设备上的电力资源非常宝贵,在高功率输出的同时,还必须保证低的能量消耗,这就要求X射线发射机有较高的效率。另外其寿命也是一项重要的性能指标,特别是对于应用在卫星上的,应与整个系统及卫星的使用寿命相匹配。研究目标在于优化X射线发射源,拟研究应用碳纳米管技术的X射线发射球管代替传统的热阴极发射球管,以获取高效、低耗,宽带宽X射线脉冲调制发射源。

  3.X射线的编码调制

  X射线、乃至整个光通信领域,首先由于载波频率很高,其粒子性开始显现。信息是通过一个一个分立的X射线光子传递的,对现有X射线探测器的时间分辨能力而言,其波动性表现得不是非常明显,反映在接收端探测器上,X射线光子被表征为一个个在时间上离散的脉冲串。故而针对目前X射线通信系统而言,IM/DD(强度调制/直接检测),即对强度调制的光载波信号直接进行包络检测,仍然是通用的做法。下一步研究目标是寻找效率更高、误差特性更好的编码、调制方式,以期获得更好的通信效果。

  4.探测器研究

  根据应用场合的不同,需要根据所谓信息载体的X射线参数来选择适当的探测器。例如,当到达探测器端的X射线信号较为微弱,这时选择具有单光子测试能力的MCP(MicroChannelPlate,微通道板)探测器就较为合适。再如,采用模拟幅度调制时,需要对所接收X射线进行能量分辨,那么就应当选择时间分辨能力很强、探测效率较高的探测器,例如SDD(SiliconDriftDetector,硅漂移探测器。)需要注意的是,不同探测器对应着不同的信号解调方法,它们所对应的噪声干扰模型也就不同。一般来说,基于探测器类型和背景噪声级别,考虑不同探测器噪声模型。当采用光子计数器型探测器时,噪声主要来自光子探测器暗电流和能量很低的背景光干扰,这时噪声分布符合泊松噪声模型,换句话说,噪声体现为错误光子脉冲。考虑高斯噪声模型时,噪声大多数为热噪声。此外,当背景光没能被有效地过滤掉时会导致过度干扰,这些噪声情形也适用于高斯模型。

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