CN107241142A - 激光‑x射线联袂通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光‑X射线联袂通信系统，包括沿信号传输方向依次设置的数字信号发射源、信号调制器、第一半导体激光器、转换装置、光电探测器和信号解调器；本发明采用激光→X射线→激光相互转换的技术思路，结合X射线通信和激光通信方式的各自优势，由X射线通信弥补激光通信保密性差、穿透能力不足等问题，进一步拓展了激光通信和X射线通信技术的应用范围，且利用激光和X射线各自的特点可以根据通信链路环境灵活组网，较现有X射线通信和激光通信应用范围更广，且很容易实施。

Description

激光-X射线联袂通信系统及方法

技术领域

本发明属于信息通信技术领域，具体涉及一种基于光阴极的高重频X射线源与激光器的联合通信技术，该通信系统可以实现>100MHz的传输带宽，主要应用于激光通信方式或X射线通信方式各自无法独立实现的通信链路中，如电磁屏蔽的密闭空间、真空环境等传统通信方式难以实现的复杂环境中，也可用于空间通信链路与星地通信链路中。

背景技术

通信技术是实现信息传输与交互的重要手段，应用中主要分为有线通信技术和无线通信技术。目前有线通信主要以光纤为传输介质的光通信技术最为常见，无线通信主要以微波通信技术和激光通信技术为主，技术成熟度都比较高。

微波通信技术是指利用频率为0.3-300GHz范围内的电磁波进行通信，主要有移动通信、中继通信、空间光通信等。空间光通信是指利用激光作为信息的载体，通过光纤或者在自由空间进行远距离通信，其中空间光通信主要用在卫星与卫星或者卫星与地面站之间通信。

与微波通信技术相比，激光通信技术的主要优势在于：频带宽，传输速率高，若采取点到点的组网方式，传输速率可达155Mbit/s-10Gbit/s(地面光纤通信带宽可达1Gbit/s)，信息容量大，使传输数据更加丰富；发射光束窄，方向性好，能量密度大；抗电磁干扰强，保密性好，误码率低；天线尺寸小，功耗低，集成度高等诸多优点。

然而激光通信技术仍然存在很多难以克服的缺陷：星地激光通信链路中激光传输将通过大气层，湍流效应会引起激光光场振幅和相位的波动，导致系统误码率增大；在空间通信链路当中，空间背景光对系统影响严重，会导致空间光通信接收端噪声增大，误码率增大；远距离传输衰减严重，尽管光通信具有发射光束窄、能量密度高等特点，但在远距离传输条件下，由于光束发散而接收角有限，导致能量损失严重。因为卫星通信链路与地面通信链路最主要的区别在于卫星链路的传输距离很长，辐射信号的强度与信号传输距离的平方成反比，所以卫星信号在空间长距离传输之后强度衰减十分严重，另外，激光通信需要复杂的光学系统，受空间恶劣环境影响其寿命有限及抗干扰能力较差。因此，发展传输距离更长、功耗更小、抗干扰能力更强、性能更优的新型空间通信技术迫在眉睫。

X射线由于波长短，穿透能力强，美国Henke博士研究发现当X射线光子能量大于10keV时，在太空中几乎是无衰减的传输，因此可望在较小的体积、重量、功耗下实现远距离传输。美国航空航天局于2007年首先提出了利用X射线实现空间卫星飞行器点对点的通信概念(Keith Gendreau,First X-ray communication system demonstrated[J].GoddardTec Trends,2007,3(4):3-4)，由于X射线光子频率很高(>10¹⁷Hz)，因此X射线通信的带宽比微波通信更大，良好的穿透能力使其通信系统具有比传统通信方式更高的保密性和抗干扰能力。美国航天局已经将X射线通信卫星发射列入2018年发射计划，国内主要以中国科学院西安光学精密机械研究所赵宝升等人为代表，提出了一种基于栅极控制脉冲X射线源的空间X射线通信系统，仅在实验上证明了10kHz的调制频率。然而，X射线通信虽然具有穿透能力强、保密性好等优点，但在地面等非真空环境中衰减非常厉害，因此只能应用在某些特殊的区域。另外，如何克服X射线源的更高频率调制是现有技术无法解决的难题。

发明内容

基于以上背景技术，本发明提供了一种激光-X射线联袂通信系统及方法，利用X射线的特点弥补激光通信保密性差、穿透能力不足等问题，进一步拓展了激光通信和X射线通信技术的应用范围，能够实现＞100MHz的传输带宽，主要用于密闭电磁环境、真空环境等传统通信方式难以实现的复杂环境中，也可用于空间通信链路与星地通信链路中。

本发明的技术解决方案为：

激光-X射线联袂通信系统，其特殊之处在于：包括沿信号传输方向依次设置的数字信号发射源、信号调制器、第一半导体激光器、转换装置、光电探测器和信号解调器；

数字信号发射源用于将输入通信系统的模拟信号转换为数字信号；

信号调制器用于将所述数字信号加载至第一半导体激光器上；

第一半导体激光器发射携带所述数字信号的激光信号至所述转换装置；

转换装置包括交替设置的N个用于将激光信号转换为X射线的激光→X射线转换模块和N个用于将X射线转换为激光信号的X射线→激光转换模块；首个激光→X射线转换模块的输入端为所述转换装置的输入端，最后一个X射线→激光转换模块的输出端为所述转换装置的输出端；N为大于等于1的自然数；

光电探测器用于识别转换装置输出的激光信号并转换为电信号；

信号解调器用于解调光电探测器输出的电信号，解调后转换成模拟信号输出。

基于上述基本技术方案，本发明还作出以下优化限定：

上述激光→X射线转换模块包括真空外壳、一个激光入射窗、光阴极、磁聚焦透镜、阳极靶和一个X射线出射窗；激光入射窗和X射线出射窗相对设置在真空外壳的两个端面上，磁聚焦透镜套装在真空外壳上位于光阴极和阳极靶之间，光阴极和阳极靶安装在真空外壳内；光阴极和阳极靶均采用透射式；光阴极通过镀电极加载50-100kV的负高压；阳极靶的一端接地；激光信号穿过激光入射窗后打在光阴极上，光阴极产生光电效应发射光电子，光电子经过磁聚焦透镜进行聚焦后打在阳极靶上产生X射线，X射线通过X射线出射窗出射，出射的X射线携带有所述数字信号。

上述激光→X射线转换模块还包括设置在真空外壳内，位于光阴极和阳极靶之间的电子倍增器，电子倍增器上加有直流负高压；所述光电子先通过电子倍增器进行电子倍增后再进行聚焦。

上述激光入射窗上镀有增透膜；X射线出射窗采用铍窗或钛窗；磁聚焦透镜采用电磁线圈或磁铁；电子倍增器采用微通道板；阳极靶采用高原子序数材料；光阴极材料主要依据第一半导体激光器发出的激光波长选取，且光阴极材料应具有较高的量子效率，对真空度要求较低。

上述激光→X射线转换模块包括真空外壳、激光入射窗、激光出射窗、两个反射镜、光阴极、磁聚焦透镜、阳极靶和一个X射线出射窗；激光入射窗和激光出射窗相对设置在真空外壳的侧面；两个反射镜设置在激光入射窗和激光出射窗之间，两个反射镜之间的空隙应保证反射电子不受阻挡；X射线出射窗设置在真空外壳的侧面；磁聚焦透镜套装在真空外壳上位于反射镜和阳极靶之间，光阴极和阳极靶安装在真空外壳内；光阴极和阳极靶均采用反射式；光阴极通过镀电极加载＞100kV的负高压；阳极靶的一端接地，采用液体循环冷却方式冷却；激光信号穿过激光入射窗后通过其中一个反射镜反射打在光阴极上，然后通过光阴极反射至另一个反射镜后从激光出射窗出射；光阴极产生光电效应发射光电子，光电子经过磁聚焦透镜进行聚焦后打在阳极靶上产生硬X射线，X射线通过X射线出射窗出射，出射的X射线携带有所述数字信号。

上述激光入射窗上镀有增透膜；X射线出射窗采用铍窗或钛窗；磁聚焦透镜采用电磁线圈或磁铁；阳极靶采用高原子序数材料；光阴极材料主要依据第一半导体激光器发出的激光波长选取，且光阴极材料应具有较高的量子效率，对真空度要求较低。

上述X射线→激光转换模块包括电磁屏蔽腔室、设置在电磁屏蔽腔室上的X射线入射窗、激光出射窗和设置在电磁屏蔽腔室的第二半导体激光器以及为第二半导体激光器供电的直流电流源；X射线穿过X射线入射窗加载到第二半导体激光器中，通过激光腔内调制转换为激光信号后从激光出射窗出射，出射的激光信号携带有所述数字信号。

上述第二半导体激光器的激光波长为通讯波长时，所述光电探测器采用超快激光探测器或者电子倍增管。

上述联袂通信系统还包括设置在X射线→激光转换模块和激光→X射线转换模块之间的中继激光放大器，中继激光放大器用于对激光信号进行放大和补偿。

本发明同时提供了一种激光-X射线联袂通信方法，包括以下步骤：

1)搭建上述激光-X射线联袂通信系统，根据实际通信环境配置转换装置中激光→X射线转换模块和X射线→激光转换模块：

在无法利用激光实现信号传输的通信链路、电磁屏蔽的密闭环境、真空环境或者短距离非真空环境中设置激光→X射线转换模块将激光信号转换为X射线进行信号传输；

在无法利用X射线实现信号传输的通信链路、长距离非电磁屏蔽的密闭环境或者长距离非真空环境中，设置X射线→激光转换模块将X射线转换为激光信号进行信号传输；

2)将待传输的模拟信号转换为数字信号；

3)将所述数字信号加载至第一半导体激光器上，通过第一半导体激光器发出的激光信号进行传输；

4)第一半导体激光器发出的激光信号传输至转换装置进行激光-X射线转换/相互转换，最终由转换装置中最后一个X射线→激光转换模块输出携带所述数字信号的激光信号；

5)识别和解调步骤4)最终输出的激光信号，解调后将激光信号中携带的数字信号转换成模拟信号输出。

进一步地，上述步骤4)中激光-X射线转换/相互转换的过程中，若激光信号变弱，可利用中继激光放大器对激光信号进行放大补偿。

本发明的优点：

1、本发明结合X射线通信和激光通信方式的各自优势，由X射线通信弥补激光通信保密性差、穿透能力不足等问题，进一步拓展了激光通信和X射线通信技术的应用范围，且利用激光和X射线各自的特点可以根据通信链路环境灵活组网，较现有X射线通信和激光通信应用范围更广，且很容易实施。

2、本发明采用激光→X射线→激光相互转换的技术思路，保密性好，误码率低。在信息化不断加强的时代，信息安全越来越重要，尤其在军事领域更是如此。我们所提出的X射线发射装置可以封闭在电磁密闭空间内实施，激光和电磁信号都无法穿透，而X射线可以穿入穿出金属层(如铍、钛窗)，保证信号收发端均不受干扰，安全性更好。

3、通信速率高

相比现有X射线源，本发明将激光作为核心载体，使得传输速率和调制速率都达到最高，相比现有栅极控制等技术思路在通信速率上具有明显的优势。本发明的X射线源是基于光阴极直流加速腔的X射线源(即激光→X射线转换模块)具有比现有其他X射线源高得多的重频，激光的调制速率也更高，容易实现高的通信带宽。目前技术下我们已经研制实现了80MHz以上重频(可调)，光子能量大于100keV的X射线源。另外，由于激光的重频通常可调，因此相应的通信带宽也可调，对于对带宽要求比较低的如声音信号，可以转换到低带宽模式下运行，其明显的好处就是，低重频带来更强的X射线单脉冲强度，进而可以在相同的探测系统下具备更远距离的传输能力。

4、可级联

当采用合适的激光波长时，可以实现级联转换的系统，如在空间站内部采用激光传输，而空间站以外采用X射线传输，可以根据具体要求任意转换，信号变弱时，可以利用现有激光通信的中继激光放大器进行放大补偿。

附图说明

图1是本发明的激光-X射线联袂通信系统的原理示意图；

图2是本发明的激光→X射线转换模块方案一的结构示意图；

图3是本发明的激光→X射线转换模块方案二的结构示意图；

图4是本发明的激光-X射线联袂通讯系统应用布局示意图；

附图标记说明：

1-接收端，2-数字信号发射源，3-信号调制器，4-第一半导体激光器，5-激光→X射线转换模块，6-光电探测器，7-信号解调器，8-信号输出端；9-X射线→激光转换模块；

501-激光入射窗，502-真空外壳，503-阳极靶，504-陶瓷绝缘柱及电极支架，505-X射线出射窗，506-电子倍增器，507-水(乙二醇)冷机，508-反射镜，509-磁聚焦透镜，510-光阴极；511-激光出射窗；

901-电磁屏蔽腔室，902-X射线入射窗，903-第二半导体激光器，904-激光出射窗，905-直流电流源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述：

参见图1，本发明所提供的激光-X射线联袂通信系统包括沿信号传输方向依次设置的数字信号发射源2、信号调制器3、第一半导体激光器4、转换装置、光电探测器6和信号解调器7。

转换装置包括交替设置的N个用于将激光信号转换为X射线的激光→X射线转换模块5和N个用于将X射线转换为激光信号的X射线→激光转换模块9；首个激光→X射线转换模块5的输入端为所述转换装置的输入端，最后一个X射线→激光转换模块9的输出端为所述转换装置的输出端；N为大于等于1的自然数；激光→X射线转换模块5和X射线→激光转换模块9的数量N和位置可根据实际通信环境灵活配置，形成级联通信模式：

当无法利用激光实现信号传输的通信链路和/或需要在电磁屏蔽的密闭环境、真空环境或者短距离真空环境中通信时，可设置激光→X射线转换模块将激光信号转换为X射线进行信号传输；

当无法利用X射线实现信号传输的通信链路和/或需要在长距离非电磁屏蔽的密闭环境或者长距离非真空环境中通信时，可设置X射线→激光转换模块将X射线转换为激光信号进行信号传输。

激光→X射线转换模块5有两种结构形式，具体为：

第一种：

参见图2，激光→X射线转换模块5包括真空外壳502、激光入射窗501、光阴极510、磁聚焦透镜509、阳极靶503和X射线出射窗505；激光入射窗501和X射线出射窗505相对设置在真空外壳502的两个端面上，磁聚焦透镜509套装在真空外壳502上位于光阴极510和阳极靶503之间，光阴极510和阳极靶503安装在真空外壳502内；真空外壳502内还置有陶瓷绝缘柱及电极支架504，分别用于加速电极的高压绝缘处理和承载光阴极510；光阴极510和阳极靶503均采用透射式；光阴极510通过镀电极加载50-100kV的负高压形成直流加速段；阳极靶503的一端接地，可采用自然冷却方式冷却。激光信号穿过激光入射窗501后打在光阴极510上，光阴极510产生光电效应发射光电子，光电子经过磁聚焦透镜509进行聚焦后打在阳极靶503上产生硬X射线，X射线通过X射线出射窗505出射，此时出射的X射线携带有所述数字信号。这种结构形式的激光→X射线转换模块主要用于低能X射线需求的情形，电子峰值能量在50-100keV，X射线能量处在10-30keV范围内。

当激光能量较弱时，可在位于光阴极510和阳极靶503之间的电子倍增器506(例如电子微通道板)，光电子先通过电子倍增器506进行电子倍增后再进行聚焦；由于电子倍增器506上加有直流负高压，因此电子倍增器506出射后的电子数目和能量都会较大幅度的提高，倍增后的电子经过光阴极510负高压提供的直流加速段进行最后加速达到50keV以上能量。

第二种：

参见图3，激光→X射线转换模块5包括真空外壳502、一个激光入射窗501、一个激光出射窗511、两个反射镜508、光阴极510、磁聚焦透镜509、阳极靶503和一个X射线出射窗505；

激光入射窗501和激光出射窗511相对设置在真空外壳502的侧面；两个反射镜508设置在激光入射窗501之间，两个反射镜508之间的空隙应保证反射电子不受阻挡；X射线出射窗505设置在真空外壳502的侧面；磁聚焦透镜509套装在真空外壳502上位于反射镜508和阳极靶503之间，光阴极510和阳极靶503安装在真空外壳502内；在真空外壳502内还设置有陶瓷绝缘柱及电极支架504，分别用于加速电极的高压绝缘处理和承载光阴极510；光阴极510和阳极靶503均采用反射式；光阴极510通过镀电极加载＞100kV的负高压；阳极靶503的一端接地，需采用水(乙二醇)冷寂507进行液体循环冷却；激光信号穿过激光入射窗501后通过其中一个反射镜反射打在光阴极510上，然后通过光阴极510反射至另一个反射镜后从激光出射窗511出射；光阴极510产生光电效应发射光电子，光电子经过磁聚焦透镜509进行聚焦后打在阳极靶503上产生硬X射线，X射线通过X射线出射窗505出射，出射的X射线携带有所述数字信号。这种结构形式的激光→X射线转换模块主要用于更高能的X射线(>30keV)且激光能量较高时的情形。

这里需要说明的是，激光出射窗511的位置可以根据需要设置，只要满足入射至激光→X射线转换模块中的激光最终能够出射即可。本发明将激光出射窗511设置在激光入射窗501对面，这样可以降低两个反射镜508的安装要求，而且只需一个支架就能固定两个反射镜508。

上述两种结构的激光→X射线转换模块中：激光入射窗501根据入射激光波长进行选材并在激光入射面上镀增透膜；X射线出射窗505均采用金属材料，起到真空密封和电磁屏蔽的作用，并且材料的类型和厚度设计需要考虑其对X射线强度的衰减问题，设计中应尽可能降低对X射线的衰减，优选材料为铍(Be)和钛(Ti)；磁聚焦透镜509均可采用电磁线圈或磁铁用于电子束聚焦；阳极靶503均采用高原子序数材料，例如钨或钽；光阴极510材料选取标准主要依据第一半导体激光器4发出的激光波长，且光阴极510材料应具有较高的量子效率，对真空度要求较低，主要有金属和半导体，例如Mg、Cu、CsTe和GaAs等；出射的X射线峰值能量由直流加速电压即光阴极510上加载的负高压决定，且连续可调。

X射线→激光转换模块9包括电磁屏蔽腔室901、设置在电磁屏蔽腔室901上的X射线入射窗902、激光出射窗904和设置在电磁屏蔽腔室901内的第二半导体激光器903以及为第二半导体激光器903供电的直流电流源905，第二半导体激光器903工作在阈值附近(即将第二半导体激光器903的的电流设置在阈值电流附近)；X射线穿过X射线入射窗加载到第二半导体激光器903中，通过激光腔内调制转换为激光信号后从激光出射窗904出射，出射的激光信号携带有所述数字信号。

第二半导体激光器903的激光波长为通讯波长(1550nm)时，光电探测器6可采用超快激光探测器(或者电子倍增器)实现激光→X射线的转换，在超快激光探测器信号接收端需要加入高通滤波器，保证探测器对直流光和低频噪声没有响应。

超快激光探测器主要包含光电转换器件和信号放大器件，其目的是为了将激光信号转换为电信号，这与目前激光通信一样，都需要利用解调器还原为模拟信号，所以在信号的最末端必须进行光电转换。超快激光探测器的选择方面需要考虑“X射线-激光转换模块9”产生的信号的幅度，当距离较远时光信号较小，因此需要考虑放大。选择的时候首先是对待测激光的波长能响应，其次是光电转换后信号不能失真，所以应当选择较高带宽的探测器。

第一半导体激光器4可采用的532nm的Nd:YAG固体激光器或短波长的半导体激光器，优先采用功耗更低、体积更小的半导体激光器，半导体激光器的激光波长须与转换装置中激光→X射线转换模块的光阴极510材料的选择相适应，即对于选定的光阴极510材料能提供最优的量子效率并兼顾其使用寿命。

信号调制器3根据所选第一半导体激光器4类型不同分为两种，对于半导体激光器，优先采用电流腔内调制的方式；对于固体激光器则需要采用电光调制器实现激光腔外调制，另外激光调制前通常需要进行光束整形，旨在优化光阴极510出射的电子束品质。

本发明的工作过程：

声音、图像等模拟信号从通信系统的接收端1输入后首先通过数字信号发射源2进行数字化为数字信号，然后将该数字信号通过信号调制器3加载到第一半导体激光器4上；当需要利用X射线通信时，将第一半导体激光器4发射的激光信号传输至转换模块中的激光→X射线转换模块5，由激光→X射线转换模块5将其转换为X射线；当需要将X射线通信模式转换为激光通信模式时，将激光→X射线转换模块5输出的X射线入射到X射线→激光转换模块9中，转换为激光信号；转换装置最终输出的激光信号通过光电探测器6探测获取并转换为电信号后输出，再利用信号解调器7实现电信号的解调后转换为声音、图像等数据，完成一次信号的通信过程。

考虑到在激光-X射线通信模式相互转换的过程中，激光信号有时候会变弱，本发明在X射线→激光转换模块9和激光→X射线转换模块5之间设置用于对激光信号进行放大和补偿的中继激光放大器。

本发明同时提供了一种激光-X射线联袂通信方法，包括以下步骤：

1)根据实际通信环境配置转换装置中激光→X射线转换模块5和X射线→激光转换模块9，搭建激光-X射线联袂通信系统：

在无法利用激光实现信号传输的通信链路、电磁屏蔽的密闭环境、真空环境或者短距离真空环境中设置激光→X射线转换模块将激光信号转换为X射线进行信号传输；

在无法利用X射线实现信号传输的通信链路、长距离非电磁屏蔽的密闭环境或者长距离非真空环境中，设置X射线→激光转换模块9将X射线转换为激光信号进行信号传输；

2)将待传输的模拟信号转换为数字信号；

3)将所述数字信号加载至第一半导体激光器4上，通过第一半导体激光器4发出的激光信号进行传输；

4)第一半导体激光器4发出的激光信号传输至转换装置进行激光-X射线转换/相互转换，最终由转换装置中最后一个X射线→激光转换模块9输出携带所述数字信号的激光信号；在激光-X射线转换/相互转换的过程中，若激光信号变弱，可利用中继激光放大器对激光信号进行放大补偿；

5)识别和解调步骤4)最终输出的激光信号，解调后将激光信号中携带的数字信号转换成模拟信号输出。

本发明中应用于实现局部小空间内X射线通信时，由于X射线需要传输的距离一般较短，因此通常进行一次激光→X射线转换就可实现联袂通信。这也是本发明最大的应用需求，即对现有激光通信系统应用难点进行有力补充。

本发明结合空间激光通信技术应用于空间通信时，在通信链路中需要考虑远距离传输的问题。利用X射线实现远距离传输需要克服三个关键技术，首先是单脉冲X射线的强度越强越好，其次是发散角越小越好，另外就是要求X射线→激光转换模块9的转换效率足够高，通信距离由激光→X射线模块转换效率、转换模块级联、X射线→激光模块转换效率决定。

首先考虑X射线→激光转换模块9，即X射线发射源。目前西安光机所赵宝升团队报道的10kHz重频下，其最高出射电子数为671个，按照韧致辐射30％的转换效率，所得到的X光子数只有223个，如果再通过聚焦准直等损耗，最终到达探测器的光子数非常有限，因此其栅极控制方式基于热阴极发射电子的思路难以实现远距离传输的需要。而基于本发明的技术思路，采用CsTe和GaAs等高量子效率的光阴极，容易实现mA量级的流强；以CsTe光阴极为例，平均电子流强按照1mA，10kHz下单脉冲电子电荷量可达到1nC，在没有加电子倍增器进行电子倍增的情况下，电子数目可到6.25×10⁹个/脉冲，按照30％的转换效率，单脉冲X光子数可达到1.87×10⁹个，远远高于现有水平。如果按照我们的更高的带宽估计，重频增大到1MHz，单脉冲电荷量可达到10pC，电子数目相应降低两个量级，所得X射线光子数约为10⁷个/脉冲，可见我们的X射线单脉冲光子数可以做到更高，对X射线→激光转换模块9的转换效率要求也相应降低。另外，当采用量子效率较低的光阴极时(如Cu光阴极510)，则本发明中的X射线通信系统可以用于地面光纤通信无法实现的短距离通信链路需求，光阴极的设计和材料选择具体根据不同的应用场景进行系统详细的优化设计。

高重频带来高通信带宽也是本发明的一大优势。对于高传输带宽下的情形，防止信号脉冲的畸变非常重要，出射的X射线信号与激光入射脉冲信号相比，会出现一定的脉冲展宽，主要有三个因素：光电子发射与倍增过程、电子打靶产生X射线的韧致辐射过程和电子直流加速过程。由于前两个过程的时间结构都在亚ps量级，因此对于10MHz及以下的调制速率完全可以忽略，而光电子加速过程中引起的脉冲信号展宽为

其中：E为阳极靶503与光阴极510之间的电场强度；光电子能量弥散为Δε_e，主要由激光时空分布以及光阴极510材料厚度决定；m_e为电子有效质量。可见在保证高压绝缘的前提下，相同加速距离下电压越高带来的弥散量越小。本发明加速电压通常设置在50kV—100kV,由于光电子是按照余弦分布出射，所以电子时间弥散控制主要通过控制光电子的空间分布来实现，具体可以通过数值模拟设计优化光阴极510靶，容易获得小于100fs量级的脉冲展宽量，总的脉冲展宽量可以控制在ps以下，这对于高速通信系统是可以忽略的。

可见，本发明可以兼容目前空间X射线通信的基本需求。由于本发明的X射线单脉冲光子数足够高，因此可以采用X射线对第二半导体激光器903腔内调制方式实现X射线→激光的转换功能，采集X射线承载的信息，再利用光电探测器6实现光电转换即可，转换效率方面，实验证明，对于10keV以上的X射线，X射线→激光转换模块9电流灵敏度约为10^-17C·cm²,与半导体探测器灵敏度相当，可以用于X射线信号的采集；另一方面，在真空远距离通信场景时，也可以采用MCP直接测量X射线信号，相当于只采用本发明的激光→X射线转换模块的功能，实现空间X射线通信需求。

对于远距离传输等系统实用性方面，本发明的级联模式具有非常独特的功能。以空间通信为例，当X射线由于发散在一定距离处发生粒子数降低时，我们可以先将X射线转换为激光，再通过设置在中继卫星中的中继激光放大器将信号进行保真放大，然后再转换为X射线进行传输。随着空间中继卫星数目的不断增多，这种处理方案更加简单易行。另外，对于空间站等载人航天器，其内部需要尽可能降低射线剂量，因此希望航天器内部需要采用常规的激光通信方式，此时，本发明联袂通信的优势将进一步体现，通过对X射线信号的一收一发即可完成信息通讯。

图4则展示了本发明在地面通信和空间通信的基本模式，地面依然使用现有光通信系统，外空间主要采用X射线通信方式，联袂通信与现有空间激光通信系统可以直接兼容，对射线通信进行功能补充，进而实现地面和太空的全空间、实时、联合通信的能力。

最后，需要指出的是，考虑到空间宇宙射线的干扰，在本发明应用在空间通信领域时，实际系统搭建中，还需要引入其他探测器进行波形甄别，或者采用探测器屏蔽等手段去除伪信号，这里暂不作详细介绍。

Claims (10)

1.激光-X射线联袂通信系统，其特征在于：包括沿信号传输方向依次设置的数字信号发射源、信号调制器、第一半导体激光器、转换装置、光电探测器和信号解调器；

数字信号发射源用于将输入通信系统的模拟信号转换为数字信号；

信号调制器用于将所述数字信号加载至第一半导体激光器上；

第一半导体激光器发射携带所述数字信号的激光信号至所述转换装置；

转换装置包括交替设置的N个用于将激光信号转换为X射线的激光→X射线转换模块和N个用于将X射线转换为激光信号的X射线→激光转换模块；首个激光→X射线转换模块的输入端为所述转换装置的输入端，最后一个X射线→激光转换模块的输出端为所述转换装置的输出端；N为大于等于1的自然数；

光电探测器用于识别转换装置输出的激光信号并转换为电信号；

信号解调器用于解调光电探测器输出的电信号，解调后转换成模拟信号输出。

2.根据权利要求1所述的激光-X射线联袂通信系统，其特征在于：激光→X射线转换模块包括真空外壳、一个激光入射窗、光阴极、磁聚焦透镜、阳极靶和一个X射线出射窗；

激光入射窗和X射线出射窗相对设置在真空外壳的两个端面上，磁聚焦透镜套装在真空外壳上位于光阴极和阳极靶之间，光阴极和阳极靶安装在真空外壳内；光阴极和阳极靶均采用透射式；光阴极通过镀电极加载50-100kV的负高压；阳极靶的一端接地；

激光信号穿过激光入射窗后打在光阴极上，光阴极产生光电效应发射光电子，光电子经过磁聚焦透镜进行聚焦后打在阳极靶上产生X射线，X射线通过X射线出射窗出射，出射的X射线携带有所述数字信号。

3.根据权利要求2所述的激光-X射线联袂通信系统，其特征在于：激光→X射线转换模块还包括设置在真空外壳内，位于光阴极和阳极靶之间的电子倍增器，电子倍增器上加有直流负高压；所述光电子先通过电子倍增器进行电子倍增后再进行聚焦。

4.根据权利要求3所述的激光-X射线联袂通信系统，其特征在于：激光入射窗上镀有增透膜；X射线出射窗采用铍窗或钛窗；磁聚焦透镜采用电磁线圈或磁铁；电子倍增器采用微通道板；阳极靶采用高原子序数材料；光阴极材料主要依据第一半导体激光器发出的激光波长选取，且光阴极材料应具有较高的量子效率，对真空度要求较低。

5.根据权利要求1所述的激光-X射线联袂通信系统，其特征在于：激光→X射线转换模块包括真空外壳、激光入射窗、激光出射窗、两个反射镜、光阴极、磁聚焦透镜、阳极靶和一个X射线出射窗；

激光入射窗和激光出射窗相对设置在真空外壳的侧面；两个反射镜设置在激光入射窗和激光出射窗之间，两个反射镜之间的空隙应保证反射电子不受阻挡；X射线出射窗设置在真空外壳的侧面；

磁聚焦透镜套装在真空外壳上位于反射镜和阳极靶之间，光阴极和阳极靶安装在真空外壳内；光阴极和阳极靶均采用反射式；光阴极通过镀电极加载＞100kV的负高压；阳极靶的一端接地，采用液体循环冷却方式冷却；

激光信号穿过激光入射窗后通过其中一个反射镜反射打在光阴极上，然后通过光阴极反射至另一个反射镜后从激光出射窗出射；光阴极产生光电效应发射光电子，光电子经过磁聚焦透镜进行聚焦后打在阳极靶上产生X射线，X射线通过X射线出射窗出射，出射的X射线携带有所述数字信号。

6.根据权利要求5所述的激光-X射线联袂通信系统，其特征在于：激光入射窗上镀有增透膜；X射线出射窗采用铍窗或钛窗；磁聚焦透镜采用电磁线圈或磁铁；阳极靶采用高原子序数材料；光阴极材料主要依据第一半导体激光器发出的激光波长选取，且光阴极材料应具有较高的量子效率，对真空度要求较低。

7.根据权利要求1至6任一所述的激光-X射线联袂通信系统，其特征在于：X射线→激光转换模块包括电磁屏蔽腔室、设置在电磁屏蔽腔室上的X射线入射窗、激光出射窗和设置在电磁屏蔽腔室的第二半导体激光器以及为第二半导体激光器供电的直流电流源；X射线穿过X射线入射窗加载到第二半导体激光器中，通过激光腔内调制转换为激光信号后从激光出射窗出射，出射的激光信号携带有所述数字信号；第二半导体激光器的激光波长为通讯波长时，所述光电探测器采用超快激光探测器或者电子倍增管。

8.根据权利要求1所述的激光-X射线联袂通信系统，其特征在于：还包括设置在X射线→激光转换模块和激光→X射线转换模块之间的中继激光放大器，中继激光放大器用于对激光信号进行放大和补偿。

9.激光-X射线联袂通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)搭建如权利要求1至8任一所述的激光-X射线联袂通信系统，根据实际通信环境配置转换装置中激光→X射线转换模块和X射线→激光转换模块：

在无法利用激光实现信号传输的通信链路、电磁屏蔽的密闭环境、真空环境或者短距离非真空环境中设置激光→X射线转换模块将激光信号转换为X射线进行信号传输；

在无法利用X射线实现信号传输的通信链路、长距离非电磁屏蔽的密闭环境或者长距离非真空环境中，设置X射线→激光转换模块将X射线转换为激光信号进行信号传输；

2)将待传输的模拟信号转换为数字信号；

3)将所述数字信号加载至第一半导体激光器上，通过第一半导体激光器发出的激光信号进行传输；

4)第一半导体激光器发出的激光信号传输至转换装置进行激光-X射线转换/相互转换，最终由转换装置中最后一个X射线→激光转换模块输出携带所述数字信号的激光信号；

5)识别和解调步骤4)最终输出的激光信号，解调后将激光信号中携带的数字信号转换成模拟信号输出。

10.根据权利要求9所述的激光-X射线联袂通信方法，其特征在于，上述步骤4)中激光-X射线转换/相互转换的过程中，若激光信号变弱，可利用中继激光放大器对激光信号进行放大补偿。