空间X射线通信传输机理研究

X-ray have the performance of large photon energy, low transmission loss, short wavelength, non-dispersive, very high frequency (10^18Hz) brings ultra large transmission bandwidth etc., which makes X-ray as a carrier of information possible in large capacity and high reliability space communication. Compared with the traditional infrared laser propagation mechanisms, the significant features of high energy particle and strong penetrating of X-ray bring large challenges to the design and realization of X-ray communication system. From the link design point of view, this paper first studied the propagation mechanisms of X-ray in space high energy radiation environment and its propagation performance with different energy segment, then built the X-ray propagation model; based on the link elements constraint analysis, the system Bit Error Rate (BER) models were studied on considering the different focusing telescope mode，different detection mechanisms and different modulation modes; The theoretical models verification were tested on the ground semi-physical experiments which carried out with the optimal design of X-ray source and detector in the end; which providing technical supports to the whole system design and optimization.

X射线具有的光子能量大、自由空间传输衰减极小，波长极短、无色散，以及高达10^18Hz频率带来的超大传输带宽等特性，使得利用X射线作为传输载体实现空间大容量高可靠信息传输成为可能。相比于传统红外激光，X射线光子的强高能粒子性以及强穿透性更加显著，其传播特性对X射线通信系统的设计与实现提出了极大的挑战。本文从通信链路设计的角度出发，首先研究了X射线在空间高能辐射环境下的传输机理以及不同能段X射线空间传输特点，建立空间X射线传播理论模型；在全链路要素约束关系分析的基础上，研究了不同聚焦模式、不同探测机制以及不同调制方式等条件下的系统误码率模型；最后，通过对X射线源与探测器优化设计，开展了地面半物理实验测试与验证；为空间X射线通信系统设计与优化提供技术支撑。

X射线具有的光子能量大、传输衰减小、无色散、穿透性强和超大带宽等特性，在空间安全可靠信息传输、电磁屏蔽等特殊环境通信与探测等领域具有潜在优势，然而，不同于传统可见光，X射线传输特性对空间X射线通信系统的设计与实现提出了极大的挑战。本项目从无线通信链路设计的角度出发，首先研究了X射线与物质的相互作用机理，包括X射线的吸收、散射、反射和衰减等，分析了其传播机制对X射线产生、发射、接收、处理的影响；针对X射线空间传播环境，研究了空间辐射环境对X射线光子接收处理的影响，结合XPNAV-1卫星在轨实测空间环境数据以及X射线探测器在轨本底噪声数据的分析结果，表明探测器的本底噪声和空间带电粒子与X聚焦光学相互作用产生的附加噪声是X射线通信的主要噪声来源；研究了不同调制方式下，不同聚焦模式和不同探测机制等条件下的误码率模型，由于X射线光子能量大，理论上带宽不受限，高阶调制性能更优，而脉宽过窄会导致噪声影响的增大，实际应用需在信道环境和误码率之间折中考虑；通过对全链路要素约束关系的分析，研究并建立了X射线的空间传输链路模型，理论验证了利用X射线实现空间信息传输的可行性，研究表明，依据现有X射线产生与探测能力，能够实现优于Mbps的传输速率，传输性能的进一步提升需要提高X射线源发射功率、调制带宽、光学天线聚焦效率和探测器探测效率；在上述理论研究基础上，开发X射线传播测试环境，对1~20KeV X射线传播衰减趋势、X射线探测器时间分辨率和探测灵敏度等进行了实测分析，测试结果表明，5~15KeV X射线的空间传播衰减相对较小，为X射线通信的可选谱段；通过本项目的研究，初步建立了空间X射线通信理论，研究成果为未来深空可靠信息传输提供了一种新的技术途径，拓展了X射线高能物理与空间信息领域的交叉融合应用。