X 射線是波長范圍為0.01～10nm 的電磁波，X 射線通信則是一種利用X 射線傳輸信息的通信方式，是將信息加載至X 射線的特征參數(shù)上進(jìn)行傳遞的方法。

X 射線通信系統(tǒng)主要由調(diào)制發(fā)射裝置、X 射線光學(xué)系統(tǒng)、接收解調(diào)裝置及配套電子學(xué)構(gòu)成：發(fā)送端通過對X 射線進(jìn)行調(diào)制，將編碼后的信息發(fā)送出去，經(jīng)由信道傳輸后，作為載波的X 射線被探測器接收并解調(diào)出原始信息，完成通信過程。相比于傳統(tǒng)的通信方式，例如微波與激光通信，將X 射線作為載波應(yīng)用于空間通信有以下優(yōu)勢：極大的信道容量與通信帶寬，高度的保密性與強(qiáng)抗干擾能力，體積小、重量輕、功耗低。因此，X射線通信被譽(yù)為是“下一代革命性的概念”。

本質(zhì)上來說，X 射線只是一種頻率更高的電磁波，X 射線通信也仍然屬于空間光通信的范疇，但得益于其光子能量大、穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，X 射線通信在復(fù)雜的空間環(huán)境及特殊應(yīng)用場合里有著相較于微波與激光通信更加優(yōu)異的表現(xiàn)。其潛在應(yīng)用包括穿透等離子體及“黑障區(qū)”內(nèi)的通信、編隊(duì)衛(wèi)星的廣播式高保密通信等領(lǐng)域。

美國國家航空航天局（NASA）于2007 年首次提出了X 射線通信的概念，此后，NASA與斯坦福大學(xué)等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)都提出了基于不同調(diào)制原理的通信方案并開展了相關(guān)研究。其中，NASA 預(yù)計(jì)將于2017 年進(jìn)行太空實(shí)驗(yàn)，以試驗(yàn)X 射線通信的工程應(yīng)用、獲取其核心參數(shù)指標(biāo)。

X 射線通信的提出

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們迫切需要探索深空更遠(yuǎn)距離的未知宇宙，這就對通信提出了新的要求，遠(yuǎn)距離、超快速率的通信越來越被人們需要，但是目前的微波通信遠(yuǎn)達(dá)不到科學(xué)家的要求，激光通信穩(wěn)定性受限于激光對準(zhǔn)技術(shù)：捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤（Acquisition，Pointing and Tracking，APT），那有沒有一種新的通信方式有可能滿足科學(xué)家探索遙遠(yuǎn)太空的需求呢？

雖然未來一段時(shí)間激光通信可能是較為合適的選擇，不過是否有更為合適有效的通信方式或是第二種選擇呢？電磁波譜的高頻部分的X 射線已經(jīng)被人類廣泛應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域，X 射線曾經(jīng)改變了人類對世界的認(rèn)識，改變了人類的生活方式，為無數(shù)科學(xué)家?guī)砹巳绱硕鄻s譽(yù)，卻唯獨(dú)還沒有在通信領(lǐng)域有所突破，那么X 射線到底能不能用于通信呢？能不能又一次為人類進(jìn)步作出貢獻(xiàn)呢？

X 射線通信意義

自X 射線被發(fā)現(xiàn)已過去了120 多年，其在醫(yī)療透視及工業(yè)探傷等方面有著廣泛的應(yīng)用并對這些領(lǐng)域的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)，但將X 射線應(yīng)用于通信的概念從未有人提及。究其原因，有可能是X 射線在大氣中會遭遇嚴(yán)重的衰減，有可能是核心器件工藝技術(shù)的限制，但更大的可能是人們的思維被束縛住了，自被發(fā)現(xiàn)起，強(qiáng)大的透視能力讓人們忘記了對其進(jìn)行其他方面的應(yīng)用挖掘。直到X射線脈沖星導(dǎo)航領(lǐng)域的研究興起，人們意識到導(dǎo)航廣義上也是一種通信方式。如果用人造X 射線發(fā)射源替代太空中的脈沖星，豈不就是一種全新的深空通信手段。

X 射線通信，原理上可行，但是X 射線在大氣中傳播時(shí)會遭遇嚴(yán)重的衰減，而當(dāng)X 射線光子能量大于10keV、大氣壓強(qiáng)低于100Pa 時(shí)，X 射線透過率可達(dá)100%（圖1.6），也就是說，X 射線在真空環(huán)境中的傳播是沒有物理衰減的。

X 射線波長更短，理論上通信系統(tǒng)帶寬更高，美國加州大學(xué)的Porter George 教授認(rèn)為X 射線通信的最大理論速率可達(dá)40000Tbit/s；單個(gè)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(fù)雜空天環(huán)境下通信的要求；X 射線光束發(fā)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離空間傳輸；此外，X 射線穿透能力強(qiáng)，利用X 射線進(jìn)行通信具有高度的定向性和保密性。

總結(jié)起來，將X 射線作為載波的空間通信系統(tǒng)將具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）大信道容量。X 射線的頻率比微波高4～5 個(gè)數(shù)量級，作為通信的載體意味著更大的可利用頻帶。光通信每通道的數(shù)據(jù)速率可達(dá)20Gbit/s 以上，并且還可采用波分復(fù)用的技術(shù)使通信容量成倍上升，隨著技術(shù)的進(jìn)步還將有大幅度的上升。

（2）高度的保密性。經(jīng)過聚焦后，X 射線具有高度的定向性，發(fā)射波束纖細(xì)，并且在短時(shí)間內(nèi)能夠傳輸大量數(shù)據(jù)，從而減少持續(xù)通信時(shí)間。因此空間X 射線通信具有高度的保密性和抗干擾性，能有效地防止竊聽和偵測，對于軍事和民用都有較大的意義。

（3）強(qiáng)抗干擾能力。X 射線單光子能量更大，受高能粒子與復(fù)雜空天環(huán)境影響更小。同時(shí)，匹配聚焦型探測器的使用，能夠有效去除信號X 射線光子之外的其他粒子，大大提升接收系統(tǒng)信噪比。

（4）低功耗。X 射線的發(fā)散角很小，能量高度集中，落在接收機(jī)的望遠(yuǎn)鏡天線上的功率密度高，從而發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率可以大大降低，整個(gè)通信發(fā)射機(jī)功耗也會相應(yīng)降低。這對于衛(wèi)星通信這種功率資源寶貴的場合十分適用。

（5）重量輕。發(fā)射機(jī)較低的發(fā)射功率和功率消耗使得發(fā)射機(jī)及其供電系統(tǒng)的重量得以下降；同時(shí)因?yàn)閄 射線的波長短，在同樣的發(fā)射波束發(fā)散角和接收視場角要求下，發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡的口徑都可以較小。X 射線通信系統(tǒng)擺脫了微波系統(tǒng)巨大的碟形天線，重量和體積可以減少很多。

傳統(tǒng)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。而X 射線通信可以在電磁屏蔽環(huán)境下正常工作，不僅可用于超高速飛機(jī)通信和飛行器返回地球時(shí)進(jìn)入黑障區(qū)的通信，還將為未來復(fù)雜條件下的空天一體化戰(zhàn)爭提供通信安全保障。

可以預(yù)見，空間Ｘ射線通信不僅僅是對微波與激光通信的補(bǔ)充，在復(fù)雜的空間環(huán)境與特殊應(yīng)用場合中，更是對傳統(tǒng)通信方式顛覆性的替代。

X 射線通信的發(fā)展

在美國NASA未來空間研究發(fā)展計(jì)劃的14個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中，將X射線通信（XCOM）和X 射線脈沖星導(dǎo)航（XNAV）稱為“革命性概念”（Revolutionary Concept），并計(jì)劃在2025 年實(shí)現(xiàn)太空應(yīng)用。2011 年12 月6 日，Keith Gendreau 博士作為X 射線通信和導(dǎo)航的帶頭人，他的團(tuán)隊(duì)被授予“2011 年美國NASA 研究和發(fā)展創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”。由此可見，作為引領(lǐng)世界科技前沿的美國，對該研究的極大重視。

由于X 射線自身的神奇特性，將其應(yīng)用至空間通信領(lǐng)域中時(shí)，將會得到相較于傳統(tǒng)通信方式更加卓越的表現(xiàn)，但同時(shí)也對于發(fā)射、接收、調(diào)制等核心元件提出了更加嚴(yán)苛的要求。對于任一無線通信系統(tǒng)，主要都由三部分組成：發(fā)射端、接收端以及通信信道。對于空間X 射線也是如此，需要一個(gè)可以將信息加載至X 射線光子物理參數(shù)上的調(diào)制發(fā)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。

如圖1.8 所示，NASA 方案中，采用了一種基于紫外發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）的調(diào)制X 射線源作為X 射線的發(fā)射裝置：紫外LED 在調(diào)制電信號的驅(qū)動下產(chǎn)生的紫外光透過輸入窗打在光電陰極上發(fā)生光電效應(yīng)，產(chǎn)生光電子，在電場作用下，光電子透過電子倍增器實(shí)現(xiàn)電子倍增，倍增后的電子束在陽極高壓電場作用下加速轟擊陽極靶，產(chǎn)生調(diào)制X 射線。之后，經(jīng)過真空環(huán)境的傳輸后，由硅APD 探測器將X 射線光子接收并還原。這一方案已經(jīng)在600 米真空傳輸管道中得到了初步的通信驗(yàn)證。

2014 年7 月，NICER（中子星內(nèi)部成分探測器，Neutron Star Interior Composition Explorer）項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Gendreau 博士表示，在太空中進(jìn)行空間X 射線通信驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃已被提上日程，預(yù)計(jì)將于2018 年在太空中進(jìn)行距離為100km 的X 射線通信實(shí)驗(yàn)。屆時(shí)發(fā)射端衛(wèi)星上載有的X射線模擬調(diào)制源將產(chǎn)生并發(fā)射以X 射線作為載波的通信信號，經(jīng)過空間傳輸后，由NICER進(jìn)行接收解調(diào)，以獲取X 射線在實(shí)際空間通信中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本文由安靜摘編自趙寶升、蘇桐、盛立志、劉舵編著《空間X射線通信概論》（2016年3月 第1版）第1章，內(nèi)容有刪減。

978-7-03-047718-7

X 射線通信，顧名思義，就是將X 射線作為載波，將信息通過調(diào)制加載至X 射線脈沖上并向外發(fā)送。實(shí)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(tǒng)通信方式本質(zhì)上并無不同。但X 射線頻率更高，單光子能量更大，當(dāng)將其應(yīng)用于空間通信時(shí)，對理論建模、核心元器件都提出了新的要求。同時(shí)，X 射線通信帶來了傳統(tǒng)微波與激光通信所不具備的優(yōu)點(diǎn)：X 射線通信可以在電磁屏蔽環(huán)境下正常工作，不僅可望用于超高速飛機(jī)通信和飛行器返回地球時(shí)進(jìn)入黑障區(qū)的通信，還將為未來復(fù)雜條件下的空天一體化戰(zhàn)爭提供通信安全保障。可以預(yù)見，空間Ｘ射線通信不僅僅是對微波與激光通信的補(bǔ)充，在復(fù)雜的空間環(huán)境與特殊應(yīng)用場合中，更是對傳統(tǒng)通信方式顛覆性的替代。