下一代革命性的概念——X射线通信

2019-02-25 来源:科学出版社作者:赵宝升、苏桐、盛立志、刘舵 我要评论(0) 字号:

X 射线是波长范围为0.01~10nm 的电磁波,X 射线通信则是一种利用X 射线传输信息的通信方式,是将信息加载至X 射线的特征参数上进行传递的方法。

X 射线通信系统主要由调制发射装置、X 射线光学系统、接收解调装置及配套电子学构成:发送端通过对X 射线进行调制,将编码后的信息发送出去,经由信道传输后,作为载波的X 射线被探测器接收并解调出原始信息,完成通信过程。相比于传统的通信方式,例如微波与激光通信,将X 射线作为载波应用于空间通信有以下优势:极大的信道容量与通信带宽,高度的保密性与强抗干扰能力,体积小、重量轻、功耗低。因此,X射线通信被誉为是“下一代革命性的概念”。

本质上来说,X 射线只是一种频率更高的电磁波,X 射线通信也仍然属于空间光通信的范畴,但得益于其光子能量大、穿透性强的特点,X 射线通信在复杂的空间环境及特殊应用场合里有着相较于微波与激光通信更加优异的表现。其潜在应用包括穿透等离子体及“黑障区”内的通信、编队卫星的广播式高保密通信等领域。

美国国家航空航天局(NASA)于2007 年首次提出了X 射线通信的概念,此后,NASA与斯坦福大学等学术机构都提出了基于不同调制原理的通信方案并开展了相关研究。其中,NASA 预计将于2017 年进行太空实验,以试验X 射线通信的工程应用、获取其核心参数指标。

X 射线通信的提出

随着通信技术的不断发展,人们迫切需要探索深空更远距离的未知宇宙,这就对通信提出了新的要求,远距离、超快速率的通信越来越被人们需要,但是目前的微波通信远达不到科学家的要求,激光通信稳定性受限于激光对准技术:捕获、瞄准和跟踪(Acquisition,Pointing and Tracking,APT),那有没有一种新的通信方式有可能满足科学家探索遥远太空的需求呢?

虽然未来一段时间激光通信可能是较为合适的选择,不过是否有更为合适有效的通信方式或是第二种选择呢?电磁波谱的高频部分的X 射线已经被人类广泛应用于生活的各个领域,X 射线曾经改变了人类对世界的认识,改变了人类的生活方式,为无数科学家带来了如此多荣誉,却唯独还没有在通信领域有所突破,那么X 射线到底能不能用于通信呢?能不能又一次为人类进步作出贡献呢?

X 射线通信意义

自X 射线被发现已过去了120 多年,其在医疗透视及工业探伤等方面有着广泛的应用并对这些领域的发展作出了重大贡献,但将X 射线应用于通信的概念从未有人提及。究其原因,有可能是X 射线在大气中会遭遇严重的衰减,有可能是核心器件工艺技术的限制,但更大的可能是人们的思维被束缚住了,自被发现起,强大的透视能力让人们忘记了对其进行其他方面的应用挖掘。直到X射线脉冲星导航领域的研究兴起,人们意识到导航广义上也是一种通信方式。如果用人造X 射线发射源替代太空中的脉冲星,岂不就是一种全新的深空通信手段。

X 射线通信,原理上可行,但是X 射线在大气中传播时会遭遇严重的衰减,而当X 射线光子能量大于10keV、大气压强低于100Pa 时,X 射线透过率可达100%(图1.6),也就是说,X 射线在真空环境中的传播是没有物理衰减的。

X 射线波长更短,理论上通信系统带宽更高,美国加州大学的Porter George 教授认为X 射线通信的最大理论速率可达40000Tbit/s;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。

总结起来,将X 射线作为载波的空间通信系统将具有以下几个特点。

(1)大信道容量。X 射线的频率比微波高4~5 个数量级,作为通信的载体意味着更大的可利用频带。光通信每通道的数据速率可达20Gbit/s 以上,并且还可采用波分复用的技术使通信容量成倍上升,随着技术的进步还将有大幅度的上升。

(2)高度的保密性。经过聚焦后,X 射线具有高度的定向性,发射波束纤细,并且在短时间内能够传输大量数据,从而减少持续通信时间。因此空间X 射线通信具有高度的保密性和抗干扰性,能有效地防止窃听和侦测,对于军事和民用都有较大的意义。

(3)强抗干扰能力。X 射线单光子能量更大,受高能粒子与复杂空天环境影响更小。同时,匹配聚焦型探测器的使用,能够有效去除信号X 射线光子之外的其他粒子,大大提升接收系统信噪比。

(4)低功耗。X 射线的发散角很小,能量高度集中,落在接收机的望远镜天线上的功率密度高,从而发射机的发射功率可以大大降低,整个通信发射机功耗也会相应降低。这对于卫星通信这种功率资源宝贵的场合十分适用。

(5)重量轻。发射机较低的发射功率和功率消耗使得发射机及其供电系统的重量得以下降;同时因为X 射线的波长短,在同样的发射波束发散角和接收视场角要求下,发射和接收望远镜的口径都可以较小。X 射线通信系统摆脱了微波系统巨大的碟形天线,重量和体积可以减少很多。

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。而X 射线通信可以在电磁屏蔽环境下正常工作,不仅可用于超高速飞机通信和飞行器返回地球时进入黑障区的通信,还将为未来复杂条件下的空天一体化战争提供通信安全保障。

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。

X 射线通信的发展

在美国NASA未来空间研究发展计划的14个技术领域中,将X射线通信(XCOM)和X 射线脉冲星导航(XNAV)称为“革命性概念”(Revolutionary Concept),并计划在2025 年实现太空应用。2011 年12 月6 日,Keith Gendreau 博士作为X 射线通信和导航的带头人,他的团队被授予“2011 年美国NASA 研究和发展创新团队”。由此可见,作为引领世界科技前沿的美国,对该研究的极大重视。

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。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,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。

如图1.8 所示,NASA 方案中,采用了一种基于紫外发光二极管(Light Emitting Diode,LED)的调制X 射线源作为X 射线的发射装置:紫外LED 在调制电信号的驱动下产生的紫外光透过输入窗打在光电阴极上发生光电效应,产生光电子,在电场作用下,光电子透过电子倍增器实现电子倍增,倍增后的电子束在阳极高压电场作用下加速轰击阳极靶,产生调制X 射线。之后,经过真空环境的传输后,由硅APD 探测器将X 射线光子接收并还原。这一方案已经在600 米真空传输管道中得到了初步的通信验证。

2014 年7 月,NICER(中子星内部成分探测器,Neutron Star Interior Composition Explorer)项目负责人Gendreau 博士表示,在太空中进行空间X 射线通信验证实验的计划已被提上日程,预计将于2018 年在太空中进行距离为100km 的X 射线通信实验。届时发射端卫星上载有的X射线模拟调制源将产生并发射以X 射线作为载波的通信信号,经过空间传输后,由NICER进行接收解调,以获取X 射线在实际空间通信中的实验结果。

本文由安静摘编自赵宝升、苏桐、盛立志、刘舵编著《空间X射线通信概论》(2016年3月 第1版)第1章,内容有删减。

978-7-03-047718-7

X 射线通信,顾名思义,就是将X 射线作为载波,将信息通过调制加载至X 射线脉冲上并向外发送。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本质上并无不同。但X 射线频率更高,单光子能量更大,当将其应用于空间通信时,对理论建模、核心元器件都提出了新的要求。同时,X 射线通信带来了传统微波与激光通信所不具备的优点:X 射线通信可以在电磁屏蔽环境下正常工作,不仅可望用于超高速飞机通信和飞行器返回地球时进入黑障区的通信,还将为未来复杂条件下的空天一体化战争提供通信安全保障。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。

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