空间X射线通信传输模型与功率分析

【作者】 苏桐； 刘舵； 李瑶； 盛立志； 赵宝升；

【机构】 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室； 中国科学院大学研究生院；

【摘要】 X射线通信,是利用X射线作为载波,实现空间通信的一种新概念通信方式。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,而单个X射线光子能量更高,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;另外,X射线波长更短,理论上通信系统带宽更高,Porter George认为X射线通信的最大理论速率可达40000Tbps;此外,X射线光束发散角小、穿透能力强,利用X射线有望实现高度定向、保密、高效的空间通信。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。美国NASA于2007年首次提出了X射线通信的概念,称其为"下一代革命性概念",计划于2026年实现太空应用。国内,本团队于2011年首次提出了X射线通信概念,相比于NASA与斯坦福大学方案,本方案中X射线发射只经过一次调制,在体积、重量、功耗等方面具有优势;同时,利用具有微弱光信号探测能力的MCP单光子探测器对X射线光子进行捕获,大大增加了X射线通信系统的传输距离。X射线的特性对发射、接收、调制等核心元件提出了更加严苛的要求。同样,传统的微波通信中的理论分析方法不再适应于X射线波段。故本研究主要针对X射线空间传输过程,对X射线管打靶效率、自由空间衰减、聚焦光学效率、探测器效率等影响通信性能的因素进行了详细分析,建立了X射线空间通信链路传输模型;并在此基础上,考虑噪声干扰的影响给出了接收端功率方程表达式。最后,通过对比不同发射功率下探测器端计数率的变化,对理论功率方程式进行了验证。将目前地面演示系统各部分参数带入计算公式中,可知,在通信速率1Mbps、通信距离10km条件下,要实现误码率水平优于10-6cps的空间通信,X射线管功率必须大于30W。更多还原