下一代革命性的概念――X射线通信

  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%,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。

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