一种信息驱动的融合特征X射线调制解调系统及方法

技术领域

本发明属于空间通信技术领域，具体涉及一种信息驱动的融合特征x射线调制解调装置及方法。

背景技术

X射线通讯(XCOM)是一种利用X射线传输信息的通讯方式，是将信息加载至X射线的特征参数上进行传输的方法。它是由美国宇航局的Dr.Keith Gendreau博士于2007年首次提出的，并进行了通信实验。当X射线能量大于10kev，大气压力小于0.1Pa时，X射线的穿透率几乎可以达到100％，这意味着X射线可以在真空环境中传播而不衰减。且X射线作为载波应用于空间通讯还具有以下优势：极大的信道容量与通信带宽，高度的保密性和强抗干扰能力，体积小，重量轻，功耗低。因此，XCOM特别适用于深空通信或星际通信。

在目前提出的X射线通信方案中，Keith Gendreau博士将信号加载在紫外LED上，调制LED来调制产生的光电子，从而实现控制X射线的产生，接收端将调制的X射线转换为调制的电信号，实现信息的传递。此外，中国科学院西安光学精密机械研究所赵宝升团队提出一种栅控X射线源，通过控制栅极电压控制电子出射，从而控制有无X射线产生，并在6米长真空管道中实现了64kbit/s的语音通信。

上述方案中，X射线通信系统都是采用强度调制方式，及通过X射线信号的有/无来实现数字信号“0”“1”的传输，在信号接收端，探测器能量响应范围内的所有X射线都将被认为是有效信号，这在真实的空间环境中易受宇宙射线及背景X射线的影响，导致信噪比降低，通信性能下降。并且码元数量少，通信速率受到限制。

专利(申请号201810193985.2)提出了一种用于空间X射线通信的磁场调制X射线源，使用磁场控制X射线源产生不同特征X射线出射；专利(申请号201910805248.8)提出了一种电场调制X射线源，使用电场控制X射线源产生不同的特征X射线出射。在上述两个方案中，通过提高靶材数量，并以不同能量的特征X射线作为信息载体，提高了通信的码元数量，提高了信噪比。但是依旧有以下不足之处：(1)磁场调制X射线源，要使电子束产生较大偏转，需要较大的磁场以及较大电流来产生磁场，方案中采用了铁氧体磁芯，在高频情况下感抗增大会影响偏转性能，无法实现快速调制；电场调制X射线源调制速度高于磁场调制X射线源，但是调制速度依旧受制于装置内电场方向的改变速度。(2)每次只能选择一种靶材，出射一种特征X射线，没有充分利用不同靶材出射的特征X射线的能量区间不同的性质。专利(申请号201810193985.2)提出的一种空间X射线通信中信号的调制解调装置的调制解调方法由于没有对信号时隙和解调时隙进行同步，在接收端解调时如果信息时隙的起始时刻和结束时刻没有与解调时隙的起始时刻和结束时刻一一对齐，前一信号时隙搭载信号的特征X射线光子被后一解调时隙统计并解调，将大大增加信息传输的误码率。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种信息驱动的融合特征X射线调制解调装置及方法，能将特征X射线能量区分性质更高效应用于X射线通信，提供了一种具有更快调制速度，误码率更低的信号调制解调方式。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种信息驱动的融合特征X射线调制解调系统，包括信息驱动装置、若干个激光器、若干个不同靶材的光电X射线管、X射线准直装置、X射线聚焦装置、X射线探测器和智能解调装置；所述信息驱动装置将输入的初始信息编码成多路电平信号输出，电平信号控制若干个激光器并分别驱动若干个光电X射线管，调制成融合特征X射线；所述融合特征X射线输入X射线准直装置，在空间进行远距离传输，经过X射线聚焦装置聚焦后在X射线探测器中进行探测收集，经由时间同步装置将信号时隙与解调时隙一一对应后发送至智能解调装置；基于智能解调装置识别并还原回码元信息，最终解码得到初始信息。

作为优选，初始信息通过信息驱动装置被调制成数字信号并以多路高低电平的形式输出，其中高电平代表“1”，低电平代表“0”，将一个时隙中所有数字信号组合代表一个码元；所述激光器在高电平触发下驱动对应的光电X射线管，在低电平触发下不驱动对应的光电X射线管。

作为优选，所述激光器采用高速调制激光器，调制频率达到100MHz以上。

作为优选，所述若干个光电X射线管各自装载不同的靶材，用于发射不同能量的特征X射线；将若干个光电X射线管组合在一起，且保证每个光电X射线管的阴极环的端面在同一平面，每个铍窗的端面在同一平面，组合光电X管在电平信号的驱动下同时发射多种特征X射线，以汇聚成对应的融合特征X射线。

作为优选，所述融合特征X射线由不同靶材产生的能量区间不同的特征X射线在发射端同时发射后汇聚而成；每一种能量的特征X射线代表一个码元中的一位，每一种融合特征X射线代表一个码元即若干个激光器在多路电平信号的控制下同时驱动若干个光电X射线管，通过若干个光电X射线管发射/不发射组合表示一个时刻的码元。

作为优选，所述X射线探测器只开放对应特征X射线对应的能量探测通道，统计接收到的融合特征X射线光子分布数据。

作为优选，所述时间同步装置，可以将信号时隙的起始时刻和终止时刻与解调时隙的起始时刻和终止时刻对应匹配，避免前一信号时隙的特征光子存在于后一解调时隙中，或后一信号时隙的特征光子存在于前一解调时隙中。

作为优选，基于误差纠错编码ECOC设计多组子神经网络，各组子神经网络并行处理信号，组合为一个智能解调装置；基于多组子神经网络的分类结果，智能解调装置准确识别各时隙融合特征X射线对应的码元信息，完成融合特征X射线信号的解调工作。

此外，本发明还提出了一种信息驱动的融合特征X射线调制解调方法，包括如下步骤：

步骤1，将初始信息通过信息驱动装置调制成多路高低电平信号输出。

步骤2，多路电平信号控制多个激光器同时驱动多个不同靶材的光电X射线管，产生融合特征X射线，经过准直和聚焦后在X射线探测器的接收端被接收到。

步骤3，X射线探测器的接收端开放对应的特征X射线能量探测通道，并统计接收到的X射线光子分布统计数据。通过时间同步装置将信息时隙与解调时隙精确重合；智能解调装置内各子神经网络按照预设ECOC编码规则，基于X射线光子分布统计数据给出当前时隙统计数据的分类结果，得到一组分类结果编码。智能解调装置通过计算该分类结果编码与各类ECOC码的汉明距离，从而准确识别各时隙融合特征X射线对应的码元信息。最终解码还原回初始信息。

本发明的有益效果是：

(1)通信速率快，利用激光驱动光电阴极产生X射线的的调制速度的极限仅取决于X射线管中电子飞行时间。

(2)融合特征X射线可以充分利用不同材料特征X射线能量区间不同的性质，指数倍提高码元的数量，从而进一步提高通信速率。

(3)以特征X射线作为信息载体，可以降低背景噪声对接收端还原信息的影响，提高信噪比，降低通信的误码率。

(4)针对不同时隙内特征X射线相互干扰的问题，在接收端加入将信息时隙与解调时隙对齐的时间同步装置，降低通信的误码率。

附图说明

图1是本发明一个实施例的整体结构示意图；

图2是本发明一个实施例的光电管组合结构示意图；

图3是本发明一个实施例的单个光电管3D结构示意图；

图4是本发明一个实施例的单管结构示意图；

图5是本发明一个实施例的管内电子加速飞行轨迹；

图6是本发明一个实施例的靶材上的焦点图；

图7是本发明一个实施例的聚焦和加速电场分布图；

图8是本发明一个实施例的融合特征x射线的能谱图。

具体实施方式

现在结合附图说明对本发明的做进一步详细的说明。

如图1所示的空间X射线通信中的信号的调制解调系统，包括信息驱动装置，多个高速调制激光器，多个不同靶材光电X射线管，X射线准直装置，X射线聚焦装置，X射线探测器和智能解调装置。信息驱动装置将输入的初始信息编码成多路电平信号输出，电平信号控制若干个激光器并分别驱动若干个光电X射线管，调制成融合特征X射线；融合特征X射线输入X射线准直装置，在空间进行远距离传输，经过X射线聚焦装置聚焦后在X射线探测器中进行探测收集，经由时间同步装置将信号时隙与解调时隙一一对应后发送至智能解调装置；基于智能解调装置识别并还原回码元信息，最终解码得到初始信息。

采用该系统的调制解调方法，包括以下步骤：

步骤1：信息驱动装置将输入的信息调制成多路高低电平信号输入到多个激光器。调制出的高低电平信号包括高电平和低电平，分别代表“0”和“1”，是一个码元中的一个位；一个时隙中的所有高低电平信号组合代表一个码元。多个激光器在多路电平信号的控制下同时驱动多个光电X射线管，通过多个光电X射线管发射/不发射组合表示一个时刻的码元。

即一个激光器接收高电平时驱动光管产生一种特征x射线，该单一的特征X射线是融合特征X射线的一部分，是一个时隙中传输码元的其中一位。在解调端，融合特征X射线中含有这种特征X射线则解码为1，没有则为0，以表达传输码元的一个位信息。

步骤2：多个激光器在多路电平信号的控制下同时驱动多个不同靶材的光电X射线管输出融合特征X射线。本实施例中可采用铬、铜、金、钼作为四个光电X射线管中装载的靶材。当阴极和阳极电位差为30V时，四种靶材出射通量最大的特征X射线能量区间分别是：5～6KeV，8～9KeV，9～10KeV，17～18KeV。

如图2至图4所示，光电管整体呈中空的圆柱状，其两端分别设有阴极环和阳极环，阳极环一侧还设有玻片和靶材，并通过铜焊接环固定连接。阴极环内设有光电阴极和玻璃基底。从光电阴极产生的光电子在管内经过聚焦和加速，轰击靶材，其飞行轨迹如图5所示。在靶材上得到的焦点如图6所示。聚焦和加速电场分布图如图7所示。

本发明将若干个不同靶材的光电管紧凑地组合在一起，本实施例中将四个光电管呈正方形排布，保证每个阴极环的端面在同一平面，每个铍窗的端面在同一平面。激光器按电平信号同时驱动四个光电管中的几个光电管，将同时发射多种特征X射线，以汇聚成对应的融合特征X射线。所选择的多个靶材对应的特征X射线所在能量区间不同，融合特征X射线的种类随着靶材数量的增多得到指数倍的提高。

步骤3：接收端探测器只开放四种特征X射线对应的能量探测通道，并统计接收到的融合特征X射线光子分布数据。通过时间同步装置将信息时隙与解调时隙精确重合。智能解调装置内各子神经网络按照预设ECOC编码规则完成训练。将当前时隙四个能量探测通道得到的四种特征X射线的统计数据输入到各子神经网络，得到一组分类结果编码。智能解调装置通过计算该分类结果编码与预设的ECOC编码规则中各类ECOC码的汉明距离，找到与该分类结果编码的汉明距离最小的一类ECOC码，输出与该类ECOC码对应的码元信息。经过上述流程，可以实现从融合特征X射线的探测到准确识别当前时隙融合特征X射线对应的码元信息。最终解码还原回初始信息。

用于空间X射线通信的磁场调制多靶材X射线管和电场调制多靶材X射线管，每个时隙内电子只能选择轰击其中一个靶材，因此其用于传输信息的能谱信号，最多使用一种特征X射线能区搭载信息。相比于以上两者，本专利的实施方案在一个时隙内可以选择四个光电管中的多个同时打不同的靶材产生融合特征X射线。如图8所示，为Cu和Cr的融合X射线能谱，可以清晰看到有两个能量区间的特征X射线峰特别明显，分别是Cr的Kα1特征峰和Cu的Kα1特征峰。这样本专利的实施方案可以在一个能谱信号内使用多种特征X射线的能区搭载信息，从而指数倍提高码元的数量，提高通信的速率。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。