X射線通信，顧名思義，就是將X射線作為載波，將信息加載至X射線光子的某一項(xiàng)或者某幾項(xiàng)物理參數(shù)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)通信方式并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別。X射線在大氣中傳播時(shí)會(huì)遭遇嚴(yán)重的衰減，但當(dāng)X射線光子能量大于10keV、大氣壓強(qiáng)低于10-1Pa時(shí)，X射線透過(guò)率可達(dá)100%，也就是說(shuō)，X射線在真空環(huán)境中的傳播是沒(méi)有物理衰減的。但X射線波長(zhǎng)更短，理論上通信系統(tǒng)帶寬更高，PorterGeorge認(rèn)為X射線通信的最大理論速率可達(dá)40000Tbps；單個(gè)光子能量更高，受高能粒子與空間電、磁場(chǎng)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。
與傳統(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(wú)法通信不同，X射線通信可以在電磁屏蔽及復(fù)雜空間環(huán)境的影響下正常工作?？梢灶A(yù)見(jiàn)，空間Ｘ射線通信不僅僅是對(duì)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(chǎng)合中，更是對(duì)傳統(tǒng)通信方式顛覆性的替代。
2007年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）戈達(dá)德空間飛行中心的KeithGendreau博士首次提出了X射線通信的概念，這一想法也被寫(xiě)入了2011年NASA的空間技術(shù)發(fā)展路線圖，并被稱(chēng)作“革命性概念”。
中科院西安光機(jī)所趙寶升研究員團(tuán)隊(duì)于2011年國(guó)內(nèi)首次提出Ｘ射線通信的概念、并以與美國(guó)完全不同的技術(shù)方案申請(qǐng)了國(guó)際專(zhuān)利。2012年1月19日，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》第四版頭條以“空間X射線通信新方法提出”為題，對(duì)趙寶升團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)展做了相關(guān)報(bào)告，引起了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的高度關(guān)注。方案中提出了一種基于柵控X射線模擬源（GMXT,gridmodulatedX-raytransmitter,專(zhuān)利授權(quán)號(hào)：2011102600121520）作為X射線脈沖輻射源的方法，并利用具有微弱光信號(hào)檢測(cè)能力的MCP單光子探測(cè)器作為接收轉(zhuǎn)置。所研制的原理樣機(jī)已在實(shí)驗(yàn)室得到了初步驗(yàn)證。
X射線空間通信試驗(yàn)演示系統(tǒng)
對(duì)于任一無(wú)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(duì)于空間X射線也是如此，首先需要一個(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(duì)X射線波段敏感且能將信息參量還原的探測(cè)裝置。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(huì)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(duì)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。
1.X射線通信理論研究
根據(jù)不同軌道高度下的空間環(huán)境，理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究X射線光子與高能粒子、等離子體之間的相互作用機(jī)理；研究空間環(huán)境與探測(cè)機(jī)制產(chǎn)生的隨機(jī)干擾，給出干擾模型計(jì)算過(guò)程；建立X射線通信的空間信道模型，給出通信距離、通信速率、發(fā)射功率及誤差特性等主要指標(biāo)計(jì)算方程。旨在利用理論分析及軟件仿真對(duì)X射線通信的傳輸過(guò)程給出清晰的分析，并以此為基礎(chǔ)建立X射線空間通信的信道模型及噪聲模型，及早挖掘X射線作為載波時(shí)的優(yōu)勢(shì)，并將其在工程應(yīng)用中加以實(shí)現(xiàn)。
2.X射線的產(chǎn)生
如何產(chǎn)生適合通信的X射線光子，并選取合適的X射線參數(shù)作為信息載體。且在空間通信中，作用距離很遠(yuǎn)（如在衛(wèi)星間的空間鏈路傳輸距離可以達(dá)到數(shù)千公路，甚至上萬(wàn)公路），背景光干擾較強(qiáng)。在這種條件下，高功率、穩(wěn)定的光源是確保接收端快速、可靠地傳輸數(shù)據(jù)的重要前提。此外，X射線發(fā)射機(jī)功率越高，用于閉合給定鏈路所需的傳輸口徑就越小，這樣可減小整個(gè)裝置的尺寸?？臻gX射線通信系統(tǒng)多用在衛(wèi)星和一些便攜設(shè)備上，由于這些設(shè)備上的電力資源非常寶貴，在高功率輸出的同時(shí)，還必須保證低的能量消耗，這就要求X射線發(fā)射機(jī)有較高的效率。另外其壽命也是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，特別是對(duì)于應(yīng)用在衛(wèi)星上的，應(yīng)與整個(gè)系統(tǒng)及衛(wèi)星的使用壽命相匹配。研究目標(biāo)在于優(yōu)化X射線發(fā)射源，擬研究應(yīng)用碳納米管技術(shù)的X射線發(fā)射球管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱陰極發(fā)射球管，以獲取高效、低耗，寬帶寬X射線脈沖調(diào)制發(fā)射源。
3.X射線的編碼調(diào)制
X射線、乃至整個(gè)光通信領(lǐng)域，首先由于載波頻率很高，其粒子性開(kāi)始顯現(xiàn)。信息是通過(guò)一個(gè)一個(gè)分立的X射線光子傳遞的，對(duì)現(xiàn)有X射線探測(cè)器的時(shí)間分辨能力而言，其波動(dòng)性表現(xiàn)得不是非常明顯，反映在接收端探測(cè)器上，X射線光子被表征為一個(gè)個(gè)在時(shí)間上離散的脈沖串。故而針對(duì)目前X射線通信系統(tǒng)而言，IM/DD（強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)），即對(duì)強(qiáng)度調(diào)制的光載波信號(hào)直接進(jìn)行包絡(luò)檢測(cè)，仍然是通用的做法。下一步研究目標(biāo)是尋找效率更高、誤差特性更好的編碼、調(diào)制方式，以期獲得更好的通信效果。
4.探測(cè)器研究
根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，需要根據(jù)所謂信息載體的X射線參數(shù)來(lái)選擇適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)器。例如，當(dāng)?shù)竭_(dá)探測(cè)器端的X射線信號(hào)較為微弱，這時(shí)選擇具有單光子測(cè)試能力的MCP（MicroChannelPlate，微通道板）探測(cè)器就較為合適。再如，采用模擬幅度調(diào)制時(shí)，需要對(duì)所接收X射線進(jìn)行能量分辨，那么就應(yīng)當(dāng)選擇時(shí)間分辨能力很強(qiáng)、探測(cè)效率較高的探測(cè)器，例如SDD（SiliconDriftDetector，硅漂移探測(cè)器。）需要注意的是，不同探測(cè)器對(duì)應(yīng)著不同的信號(hào)解調(diào)方法，它們所對(duì)應(yīng)的噪聲干擾模型也就不同。一般來(lái)說(shuō)，基于探測(cè)器類(lèi)型和背景噪聲級(jí)別，考慮不同探測(cè)器噪聲模型。當(dāng)采用光子計(jì)數(shù)器型探測(cè)器時(shí)，噪聲主要來(lái)自光子探測(cè)器暗電流和能量很低的背景光干擾，這時(shí)噪聲分布符合泊松噪聲模型，換句話說(shuō)，噪聲體現(xiàn)為錯(cuò)誤光子脈沖?？紤]高斯噪聲模型時(shí)，噪聲大多數(shù)為熱噪聲。此外，當(dāng)背景光沒(méi)能被有效地過(guò)濾掉時(shí)會(huì)導(dǎo)致過(guò)度干擾，這些噪聲情形也適用于高斯模型。
