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 射線的特征參數上進行傳遞的方法。

X 射線通信系統主要由調制發射裝置、X 射線光學系統、接收解調裝置及配套電子學構成：發送端通過對X 射線進行調制，將編碼后的信息發送出去，經由信道傳輸后，作為載波的X 射線被探測器接收并解調出原始信息，完成通信過程。相比于傳統的通信方式，例如微波與激光通信，將X 射線作為載波應用于空間通信有以下優勢：極大的信道容量與通信帶寬，高度的保密性與強抗干擾能力，體積小、重量輕、功耗低。因此，X射線通信被譽為是“下一代革命性的概念”。

本質上來說，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、穿透性強的特點，X 射線通信在復雜的空間環境及特殊應用場合里有著相較于微波與激光通信更加優異的表現。其潛在應用包括穿透等離子體及“黑障區”內的通信、編隊衛星的廣播式高保密通信等領域。

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與斯坦福大學等學術機構都提出了基于不同調制原理的通信方案并開展了相關研究。其中，NASA 預計將于2017 年進行太空實驗，以試驗X 射線通信的工程應用、獲取其核心參數指標。

X 射線通信的提出

隨著通信技術的不斷發展，人們迫切需要探索深空更遠距離的未知宇宙，這就對通信提出了新的要求，遠距離、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達不到科學家的要求，激光通信穩定性受限于激光對準技術：捕獲、瞄準和跟蹤（Acquisition，Pointing and Tracking，APT），那有沒有一種新的通信方式有可能滿足科學家探索遙遠太空的需求呢？

雖然未來一段時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 射線已經被人類廣泛應用于生活的各個領域，X 射線曾經改變了人類對世界的認識，改變了人類的生活方式，為無數科學家帶來了如此多榮譽，卻唯獨還沒有在通信領域有所突破，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步作出貢獻呢？

X 射線通信意義

自X 射線被發現已過去了120 多年，其在醫療透視及工業探傷等方面有著廣泛的應用并對這些領域的發展作出了重大貢獻，但將X 射線應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重的衰減，有可能是核心器件工藝技術的限制，但更大的可能是人們的思維被束縛住了，自被發現起，強大的透視能力讓人們忘記了對其進行其他方面的應用挖掘。直到X射線脈沖星導航領域的研究興起，人們意識到導航廣義上也是一種通信方式。如果用人造X 射線發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會遭遇嚴重的衰減，而當X 射線光子能量大于10keV、大氣壓強低于100Pa 時，X 射線透過率可達100%（圖1.6），也就是說，X 射線在真空環境中的傳播是沒有物理衰減的。

X 射線波長更短，理論上通信系統帶寬更高，美國加州大學的Porter George 教授認為X 射線通信的最大理論速率可達40000Tbit/s；單個光子能量更高，受高能粒子與空間電、磁場的影響更小，更加符合復雜空天環境下通信的要求；X 射線光束發散角很小，自由空間損耗很小，因此可望以較小的體積、重量、功耗實現遠距離空間傳輸；此外，X 射線穿透能力強，利用X 射線進行通信具有高度的定向性和保密性。

總結起來，將X 射線作為載波的空間通信系統將具有以下幾個特點。

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

（2）高度的保密性。經過聚焦后，X 射線具有高度的定向性，發射波束纖細，并且在短時間內能夠傳輸大量數據，從而減少持續通信時間。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）強抗干擾能力。X 射線單光子能量更大，受高能粒子與復雜空天環境影響更小。同時，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，大大提升接收系統信噪比。

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

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

傳統的微波、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境下正常工作，不僅可用于超高速飛機通信和飛行器返回地球時進入黑障區的通信，還將為未來復雜條件下的空天一體化戰爭提供通信安全保障。

可以預見，空間Ｘ射線通信不僅僅是對微波與激光通信的補充，在復雜的空間環境與特殊應用場合中，更是對傳統通信方式顛覆性的替代。

X 射線通信的發展

在美國NASA未來空間研究發展計劃的14個技術領域中，將X射線通信（XCOM）和X 射線脈沖星導航（XNAV）稱為“革命性概念”（Revolutionary Concept），并計劃在2025 年實現太空應用。2011 年12 月6 日，Keith Gendreau 博士作為X 射線通信和導航的帶頭人，他的團隊被授予“2011 年美國NASA 研究和發展創新團隊”。由此可見，作為引領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，將其應用至空間通信領域中時，將會得到相較于傳統通信方式更加卓越的表現，但同時也對于發射、接收、調制等核心元件提出了更加嚴苛的要求。對于任一無線通信系統，主要都由三部分組成：發射端、接收端以及通信信道。對于空間X 射線也是如此，需要一個可以將信息加載至X 射線光子物理參數上的調制發射源，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光二極管（Light Emitting Diode，LED）的調制X 射線源作為X 射線的發射裝置：紫外LED 在調制電信號的驅動下產生的紫外光透過輸入窗打在光電陰極上發生光電效應，產生光電子，在電場作用下，光電子透過電子倍增器實現電子倍增，倍增后的電子束在陽極高壓電場作用下加速轟擊陽極靶，產生調制X 射線。之后，經過真空環境的傳輸后，由硅APD 探測器將X 射線光子接收并還原。這一方案已經在600 米真空傳輸管道中得到了初步的通信驗證。

2014 年7 月，NICER（中子星內部成分探測器，Neutron Star Interior Composition Explorer）項目負責人Gendreau 博士表示，在太空中進行空間X 射線通信驗證實驗的計劃已被提上日程，預計將于2018 年在太空中進行距離為100km 的X 射線通信實驗。屆時發射端衛星上載有的X射線模擬調制源將產生并發射以X 射線作為載波的通信信號，經過空間傳輸后，由NICER進行接收解調，以獲取X 射線在實際空間通信中的實驗結果。

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，將信息通過調制加載至X 射線脈沖上并向外發送。實際上仍然是一種利用電磁波的通信手段，與微波通信、激光通信等傳統通信方式本質上并無不同。但X 射線頻率更高，單光子能量更大，當將其應用于空間通信時，對理論建模、核心元器件都提出了新的要求。同時，X 射線通信帶來了傳統微波與激光通信所不具備的優點：X 射線通信可以在電磁屏蔽環境下正常工作，不僅可望用于超高速飛機通信和飛行器返回地球時進入黑障區的通信，還將為未來復雜條件下的空天一體化戰爭提供通信安全保障。可以預見，空間Ｘ射線通信不僅僅是對微波與激光通信的補充，在復雜的空間環境與特殊應用場合中，更是對傳統通信方式顛覆性的替代。