基于X射線的空間語音通信系統*

鄧寧勤 趙寶升 盛立志鄢秋榮 楊 顥2)劉 舵2)

1)(中國科學院西安光學精密機械研究所，瞬態光學與光子技術國家重點實驗室，西安 710119)

2)(中國科學院大學，北京 100039)

(2012年10月12日收到;2012年10月25日收到修改稿)

1 引言

自1895年德國物理學家倫琴發現X射線，X射線已廣泛應用于醫學診斷和無損檢測.然而，X射線作為一種波長短(0.01—10 nm)、頻率高(大于1018Hz)的電磁波[1]，同樣可作為承載信息的載體用于通信.

X射線通信是指以X射線為載體、在真空中傳遞信息，不需要任何有線信道為傳輸媒介的一種通信技術.當X射線光子能量大于10 keV(λ＜0.1 nm)時，在太空幾乎是無衰減的傳輸.X射線在任何介質中的折射率近似為1，色散很小，因此可望在較小的體積、重量、功耗下實現遠距離太空傳輸.目前，衛星與衛星之間的信息傳輸最主要是微波通信的方式.然而隨著空間探測的持續發展，特別是對深空探測力度的加大，微波頻率資源已經相當緊張.近年來，空間通信隨著激光、紫外等無線通信方式的興起，使空間通信覆蓋了更廣的電磁波范圍[2,3].X射線通信不僅作為一種新型的通信方法，擴展了通信的電磁波范圍，還具有特殊的用途.例如，衛星在返回地球時，要穿過一個等離子體區，在這個區域的無線電波被完全屏蔽，如果利用X射線則可以穿過等離子體層，可以利用這個優點在無線電波無法覆蓋的情況下進行通信[4].

美國國家航空航天局(NASA)的戈達德空間飛行中心(Goddard Space Flight Center)的Keith Gendreau博士于2007年首次提出X射線空間通信的概念.在2012年4月美國NASA的空間研究發展計劃的14個技術領域中，將X射線通信稱為革命性概念[5].中國科學院西安光學精密機械研究所于2011年針對深空通信的特點提出一種新的架構的X射線空間通信方法，被2012年1月19日《中國科學報》報道，在國內外引起了重大反響.X射線通信的關鍵技術之一是要研制具有調制X射線信號能力的X射線源.目前已知的X射線信號調制方法有由美國戈達德空間飛行中心研制，通過調制發光二極管的方法間接調制X射線信號[6].另一種方法是中國科學院西安光學精密機械研究所研制，在X射線源中加入調制柵極，通過調制柵極加上適當的控制電壓，使X射線源內的電子運動到陽極靶前全部被截獲，利用調制柵極直接控制X射線信號.

本文詳細介紹了基于X射線的空間語音通信系統的組成和工作原理，報道了該系統的初步實驗結果，對影響X射線通信的通信速率的因素進行了分析.

2 系統組成和工作原理

基于X射線的空間語音通信系統的原理如圖1所示，主要由信號調制發射器、基于MCP的X射線單光子探測器和信號接收解調器三部分組成.

2.1 信號調制發射器

圖2為信號調制發射器原理，主要由柵控X射線源和信號調制與柵極控制電路組成.

圖1 基于X射線的空間語音通信系統原理圖

圖2 信號調制發射器原理圖

圖3 柵控X射線源示意圖

圖3為柵控X射線源示意圖，在傳統X射線球管的基礎上增加了調制柵極4和電子聚焦極5.調制柵極的作用是調制X射線從而復現柵極輸入的數字信號.調制原理：當柵極輸入的傳輸信號為高電平時，燈絲陰極產生的電子在電場的作用下向柵極運動，電子在通過柵極后轟擊陽極靶并產生X射線;當柵極輸入的傳輸信號為低電平時，此時加載燈絲和柵極之間的電壓會阻礙電子向陽極運動.通過上述方法調制X射線的出射，從而起到類似于開關的作用.聚焦極位于柵極和陽極靶之間，聚焦極實現電子聚焦作用，控制電子束斑的尺寸.聚焦極的作用還使電子的時間彌散減小，提高時間分辨率.

實驗中，調制方式選用開-關鍵控.柵控X射線管具有類似于開關的工作原理，在所有無線通信的調制方法中，開-關鍵控與柵控X射線源調制原理最近似，同時也是最容易實現的調制方法.開-關鍵控中，二進制數據由每個T秒符號間隔是否存在光脈沖表示.根據準則：如果信息位為“1”，則發射X射線脈沖;如果為“0”，則通過柵極控制不發射任何脈沖，這樣就在發射端上將二進制信息序列直接映射成X射線脈沖序列.因此，數據流中的“1”和發射機發射X射線脈沖直接存在一一對應關系，實現對X射線信號的調制.圖4為球管的柵控電壓與X射線出射能量曲線.通過電子光學的優化設計，使陰極燈絲和柵極之間的電壓大小正好能夠全部截獲燈絲所產生的電子.由圖4可以看出柵極電壓為0時，X射線出射能量為最大值，這時對應輸入信息位為“1”;當柵極電壓為-8 V時，X射線出射能量為0，說明X射線源中電子完全被柵極截獲，這時對應輸入信息位為“0”.

信號調制與柵極控制電路的作用是將聲音的模擬信號轉變為柵控端的數字信號，以實現對X射線源柵極的調制.

圖4 柵控電壓與X射線出射能量曲線

2.2 基于MCP的X射線單光子探測器

基于X射線的空間語音通信系統采用基于MCP的X射線單光子探測器，由輸入窗、光電陰極、微通道板和收集陽極組成[7,8].為滿足探測器的靈敏度要求，需選擇透過率高的輸入窗材料.根據文獻[9]可知，聚酰亞胺材料對20 keV的X射線透過率近似為1，因此選用25μm的聚酰亞胺膜作為輸入窗.探測器MCP輸入面蒸鍍CsI反射式光電陰極[10].在實驗中所采用的單塊MCP的增益能達到103，兩塊“V”型堆疊的MCP可提供106—107的電子增益[11]，可探測極微弱的單光子信號.保證了X射線的通信速率和誤碼率，有利于進行X射線通信.

2.3 信號提取與解調器

實驗中，采用單光子計數的方式，每個X射線光子入射到探測器上會產生一個脈寬約為2 ns幅度約為20 mV的負脈沖，如圖5(a)所示.從探測器直接輸出的原始信號不利于解調，因此要對脈沖信號進行處理.處理后的信號為一脈沖寬度為400 ns，幅度為1.2 V的脈沖信號，如圖5(b)所示.

X射線信號通常為單光子狀態，單個光子到達時間是隨機事件[12]，由于柵控X射線脈沖信號具有可控性，因此大量的光子到達時間的統計分布是確定的，即特定相位占有光子的概率是確定的，但是噪聲光子的到達時間不滿足這樣的統計規律，這樣就會產生噪聲信號，即未輸入有效X射線信號探測器輸出信號不為“0”，提高了誤碼率.因此要排除暗噪聲對有效信號的干擾就需要設置一個閾值濾除噪聲信號.實驗中，采用脈沖計數方法對脈沖信號進行處理.圖6(a)為調制信號及脈沖輸出波形圖.信號為加載在柵控X射線源的調制信號波形，信號為探測器獲得的X射線光子經過處理后的脈沖信號.在解調電路中根據離散的脈沖信號相鄰兩個脈沖之間的時間，判斷是否為有效信號.判定準則為設定時間內如果脈沖數大于2個就設置為高電平，如果在設定時間內檢測到的脈沖數小于或等于2個則將輸出設置為低電平.圖6(b)中，為離散信號解調之后波形.

信號提取原理是將探測器產生的負脈沖信號，經過前置放大器的信號處理，將其處理為準高斯信號.通過比較器實現對準高斯信號閾值的比較并產生觸發信號，RC電路的作用是將脈沖信號的放電時間延長，使用閾值比較得到提取信號波形圖.由于通信信號經過RS232串口將數據傳輸到由FPGA控制的音頻電路板上.因此需要將閾值比較之后的輸出信號進行電平轉換，將LVTTL電平轉換為串口通信的RS232電平，信號提取方法的信號波形圖如圖7所示.

信號解調方式需與發射端的調制方式相同，因此解調方式也選用開-關鍵控方式.

圖5 (a)探測器原始輸出信號;(b)原始信號與處理后的信號

圖6 (a)調制信號及脈沖輸出波形圖;(b)調制信號及解調后波形圖

圖7 信號提取方法的信號波形圖

3 實驗結果與分析

在X射線通信系統中，影響X射線通信速率的主要因素是X射線的強度.由文獻[13]可知，X射線管產生的X射線由連續譜和標識譜兩部分組成，要增強X射線的強度，必須提高管電壓V和管電流Ia.圖8為在不同的管電壓和管電流的情況下X射線強度的變化曲線.由圖8可以看出，當管電壓和管電流增大時，X射線強度也隨之增強.

X射線強度、信號整形時間和閾值設置是影響基于X射線的空間語音通信系統性能的主要因素.實驗中，當管電壓高于18 kV，閾值設置為-0.116—-0.157 V及整形時間為10—20μs時，系統能夠穩定工作.為便于分析實驗現象，以固定的音頻信號輸入到系統中，在管電壓為20 kV，閾值設置為-0.116 V及信號整形時間為15μs的情況下，標準信號波形如圖9(a)所示.在保證其余變量不變的情況下，依次改變管電壓、信號整形時間及閾值設置分析對X射線通信性能的影響，如圖9所示.

由圖9(b)可看出，當管電流下降至16 kV時，X射線強度減弱使單位時間內探測器探測的光子數減少，導致輸出的高電平信號誤讀成低電平信號.由于探測器的輸出是離散的光子脈沖信號，因此需要通過信號整形實現對原始信號的還原.由圖9(c)可看出，假如信號整形時間過長，時間間隔較短的相鄰的高電平信號會產生一個連續的高電平信號導致誤碼;由圖9(d)可看出，如果信號整形時間過短，時間間隔較長的光子脈沖信號之間會產生一個錯誤的低電平信號.因為探測器探測到的信號包括有效信號、背景噪聲和暗噪聲，所以系統需要設置適當的閾值達到濾除噪聲減低誤碼率的目的.如圖9(e)所示，閾值設置過高會把部分有效信號當成噪聲信號濾除;如圖9(f)所示，閾值設置過低則引入了噪聲信號.由上述分析，可得出只有系統的X射線強度較強、信號整形時間和閾值設置適當的情況下，系統才能實現準確的X射線通信.

圖8 (a)X射線強度與管電流關系曲線;(b)X射線強度與管電壓關系曲線

圖9 (a)標準信號波形;(b)管電壓為16 kV;(c)信號整形時間為6μs;(d)信號整形時間為40μs;(e)閾值設置為-0.1 V;(f)閾值設置為-0.284 V

圖10 音頻信號傳輸波形圖

圖10為基于X射線的空間語音通信系統音頻信號傳輸波形圖.信號為探測器獲得的X射線光子經過處理后的光子脈沖信號，信號為加載在柵控X射線源的原始音頻信號波形，信號為解調電路處理后的輸出音頻信號波形.從圖10可看出，在X射線輻射能量為20 keV時，X射線通信能夠在系統中以優于20 kbit/s頻率下實現準確的信息傳輸，實現了基于語音信號調制的X射線通信.

4 結論

研制了調制X射線發射源，搭建了基于X射線的空間語音通信系統，實現了優于20 kbit/s的X射線空間通信的實時語音模擬通信.分析了X射線強度、信號整形時間及閾值設置對X射線通信的性能影響.該系統對于開展X射線通信相關理論研究和核心技術攻關具有重要意義.下一步將通過電子優化設計及對X射線管陰極材料的研究，增大管電流提高通信速率.

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