技术领域
[0001] 本
发明属于X射线通信技术领域，具体涉及一种黑障区X射线通信系统及其方法。
背景技术
[0002]
飞行器、卫星、
宇宙飞船与航天飞机以及其他空间再入体穿过大气层时，与空气发生巨大的摩擦和强大的
挤压，当
温度激增到3000K以上时，引起大气分子的电离，部分绕
原子核旋转的
电子脱离原子核的牵引而变成自由电子，使得原来呈中性的分子变成带正电荷的离子。同时，当自由电子遇到带正电荷的离子时又复合成中性分子，最终电离和复合的达到平衡状态。除了气体中自由电子和带电离子的相互作用，以及
流体扩散导致的非平衡态的电离过程化学冻结、化学反应表面增强、飞行器表面烧灼、表面净电荷的沉积等物理和化学过程，最终在飞行器周围形成一定厚度的
等离子体，称之为“等离子鞘套”。等离子鞘套的
密度为109～1014个/cm3，其
频率比常规的L、S、X和C波的通信
信号的
频率范围(1～10GHz)还要高，故等离子体会吸收、反射大部分的通信信号，产生类似金属罩的屏蔽效果，造成通信信号的衰减，严重时导致信号完全中断，这就是所说的通信黑障现象。
[0003] 通信黑障会导致相关信号的实时传输受到干扰或中断，对飞行器的实时控制和安全性带来严重影响。黑障时间通常要持续4～10分钟，而飞行器在这段时间内可能正在经历最为恶劣的空间环境，任何冲击、振动、过载等参数信息都不能及时传输到地面指挥系统，故障不能及时排除，从而导致飞行器的解体，甚至威胁航天员的生命安全。因此，解决黑障区的通信问题至关重要。
[0004] 目前，抑制或减弱黑障效应的方法有两类：第一类方法，减弱飞行器天线上方等离子体电子密度分布，例如，外加强
磁场或磁开窗、引入交叉
电磁场、
净化放热材料有害杂质等；第二类方法，提高
电磁波在等离子鞘中的穿透能
力，如提高发射功率、提高发射天线和接收天线的增益、提高
载波频率(采用Ku及Ka频段或太赫兹频段的电磁波进行通信)等。但是，上述两类方法都未彻底解决黑障区的通信问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于，为解决
现有技术存在上述
缺陷，本发明提出了一种黑障区X射线通信系统及其方法，利用X射线解决飞行器、宇宙飞船、航天飞机等空间再入体返回地面过程中特有的黑障区通信问题；
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了一种黑障区X射线通信系统，其包括：安装在飞行器舱体内的X射线通信信号产生装置和安装在通信卫星内的X射线通信信号接收装置；
[0007] 所述X射线通信信号产生装置，用于产生带有调制信息的X射线，并将其沿4π方向
辐射的X射线焦斑发射至X射线通信信号接收装置；
[0008] 所述X射线通信信号接收装置，用于接收带有调制信息的X射线，并将其解调，获得可用信息，再从X射线通信信号产生装置辐射出去的X射线
能量，将带有可用信息的X射线回传至地面接收终端，完成黑障区的X射线的通信。
[0009] 作为上述技术方案的改进之一，所述X射线通信信号产生装置包括：高频X射线产生
调制器和X射线
准直透镜；所述高频X射线产生调制器与X射线
准直透镜相对放置，将从高频X射线产生调制器产生的带有调制信息的X射线经X射线焦斑传输至X射线准直透镜，并通过X射线准直透镜形成平行的带有调制信息的X射线光束，再将其沿4π方向辐射的X射线焦斑发射至X射线通信信号接收装置。
[0010] 作为上述技术方案的改进之一，所述高频X射线产生调制器包括：第一
阴极接线柱、第二阴极接线柱、阴极丝、调制
电极、第一电子透镜聚焦电极、第二电子透镜聚焦电极、第三电子透镜聚焦电极、第四电子透镜聚焦电极和
阳极靶；
[0011] 所述第一阴极接线柱、第二阴极接线柱、阴极丝、调制电极、第一电子透镜聚焦电极、第二电子透镜聚焦电极、第三电子透镜聚焦电极、第四电子透镜聚焦电极和阳极靶均安装在高频X射线产生调制器
外壳内，X射线焦斑安装在高频X射线产生调制器外壳外，且与阳极靶相对；
[0012] 所述第一阴极接线柱与第二阴极接线柱相对平行放置，且第一阴极接线柱的一端和第二阴极接线柱的一端均向高频X射线产生调制器外壳的外部延伸，第一阴极接线柱的另一端和第二阴极接线柱的另一端通过阴极丝连接，调制电极靠近阴极丝放置，且与第一阴极接线柱与第二阴极接线柱均呈垂直关系；第一电子透镜聚焦电极和第二电子透镜聚焦电极均靠近调制电极相对放置，且二者之间设有第一开口；第三电子透镜聚焦电极和第四电子透镜聚焦电极相对放置，且二者之间设有第二开口，阳极靶安装在高频X射线产生调制器外壳的内壁上，且位于第一开口和第二开口的
水平中心线上；调制电极产生自由电子束，并将其聚焦到阳极靶上，再通过沿4π方向辐射的X射线焦斑向外发射带有调制信息的X射线光束。
[0013] 作为上述技术方案的改进之一，第一开口的宽度大于第二开口的宽度。
[0014] 作为上述技术方案的改进之一，所述X射线通信信号接收装置包括：高频X射线解调器和X射线聚焦透镜；
[0015] 所述高频X射线解调器和X射线聚焦透镜相对放置；X射线聚焦透镜接收带有调制信息的X射线光束，并将其聚焦到X射线解调器上，X射线解调器将接收到的带有调制信息的X射线光束进行解调，获得可用信息，并将其传输至地面接收终端，完成整个黑障区的X射线的通信。
[0016] 本发明还提供了一种黑障区X射线通信方法，该方法通过上述系统来实现，该方法包括：
[0017] X射线通信信号产生装置产生带有调制信息的X射线，并将其沿4π方向辐射的X射线焦斑发射至X射线通信信号接收装置；
[0018] 所述X射线通信信号接收装置接收带有调制信息的X射线，并将其解调，获得可用信息，再从X射线通信信号产生装置辐射出去的X射线能量，将带有可用信息的X射线回传至地面接收终端，完成黑障区的X射线的通信。
[0019] 作为上述技术方案的改进之一，所述X射线通信信号产生装置产生带有调制信息的X射线，并将其沿4π方向辐射的X射线焦斑发射至X射线通信信号接收装置；具体为：
[0020] 高频X射线产生调制器产生的带有调制信息的X射线经X射线焦斑传输至X射线准直透镜，并通过X射线准直透镜形成平行的带有调制信息的X射线光束，带有调制信息的X射线光束经4π辐射的X射线焦斑通过X射线准直透镜辐射至X射线聚焦透7，再将其聚焦到X射线解调器上。
[0021] 作为上述技术方案的改进之一，所述X射线通信信号接收装置接收带有调制信息的X射线，并将其解调，获得可用信息，再从X射线通信信号产生装置辐射出去的X射线能量，将带有可用信息的X射线回传至地面接收终端，完成黑障区的X射线的通信；具体为：
[0022] 所述X射线通信信号接收装置接收带有调制信息的X射线，并将其解调，获得可用信息，再根据如下公式计算得到的从X射线通信信号产生装置辐射出去的X射线能量，即经过准直透镜辐射出去的X射线能量，将带有可用信息的X射线回传至地面接收终端，完成黑障区的X射线的通信；
[0023] 其中，从X射线通信信号产生装辐射出去的X射线光束的X射线能量EX1与准直透镜的焦距F和口径R有关，由下式确定：
[0024]
[0025] 其中，EX1为经过准直透镜辐射出去的X射线光束的X射线能量；EX为调制X射线
光源的能量；R为准直透镜的口径；F为准直透镜的焦距；
[0026] 其中，距离准直透镜D、面积S的X射线聚焦透镜最终接收到的X射线能量为EX2，X射线产生调制器需要输出的X射线能量Ex由下式确定：
[0027]
[0028] 其中，EX1为X射线产生调制器输出的X射线能量；EX2为经过准直透镜和X射线聚焦透镜最终接收到的X射线能量；R为准直透镜的口径；F为准直透镜的焦距；D为通信距离；S为接收天线的接收面积。
[0029] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0030] 本发明的系统利用X射线作为黑障区通信载波，能够彻底解决黑障区的通信问题，同时还具有方向性好、发射功率低、传输距离远、
保密性强、通信频带宽。
附图说明
[0031] 图1为本发明的一种黑障区X射线通信系统的结构示意图；
[0032] 图2是本发明的一种黑障区X射线通信系统的X射线通信信号产生装置中的高频X射线产生调制器的结构示意图；
[0033] 图3是本发明的一种黑障区X射线通信系统的X射线通信信号产生装置中的X射线经X射线焦斑聚焦到X射线准直透镜的结构示意图。
[0034] 附图说明：
[0035] 1、飞行器舱体 2、X射线通信信号产生装置
[0036] 3、高频X射线产生调制器 4、X射线准直透镜
[0037] 5、通信卫星 6、X射线通信信号接收装置
[0038] 7、高频X射线解调器 8、X射线聚焦透镜
[0039] 9、地面接收终端 10、X射线焦斑
[0040] 31、第一阴极接线柱 32、第二阴极接线柱
[0041] 33、阴极丝 34、调制电极
[0042] 35、第一电子透镜聚焦电极 36、第二电子透镜聚焦电极
[0043] 37、第三电子透镜聚焦电极 38、第四电子透镜聚焦电极
[0044] 39、阳极靶 40、自由电子束
[0045] 41、高频X射线产生调制器外壳
具体实施方式
[0046] 现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0047] 如图1所示，本发明针对飞行器、卫星、宇宙飞船与航天飞机以及其他空间再入体穿过大气层的通信信号干扰或中断现象，提供了一种黑障区X射线通信系统，解决黑障区的通信问题。
[0048] 所述黑障区X射线通信系统包括：安装在飞行器舱体1内的X射线通信信号产生装置2和安装在通信卫星5内的X射线通信信号接收装置6；
[0049] 所述X射线通信信号产生装置2，用于产生带有调制信息的X射线，并将其沿4π方向辐射的X射线焦斑发射至X射线通信信号接收装置6；
[0050] 所述X射线通信信号接收装置6，用于接收带有调制信息的X射线，并将其解调，获得可用信息，再从X射线通信信号产生装置2辐射出去的X射线能量，即经过准直透镜辐射出去的X射线能量，将带有可用信息的X射线回传至地面接收终端9，完成黑障区的X射线的通信。
[0051] 所述X射线通信信号产生装置2包括：高频X射线产生调制器3和X射线准直透镜4；所述高频X射线产生调制器3与X射线准直透镜4相对放置，将从高频X射线产生调制器3产生的带有调制信息的X射线经X射线焦斑10传输至X射线准直透镜4，并通过X射线准直透镜4形成平行的带有调制信息的X射线光束，再将其沿4π方向辐射的X射线焦斑发射至X射线通信信号接收装置6。
[0052] 如图2所示，所述高频X射线产生调制器3包括：第一阴极接线柱31、第二阴极接线柱32、阴极丝33、调制电极34、第一电子透镜聚焦电极35、第二电子透镜聚焦电极36、第三电子透镜聚焦电极37、第四电子透镜聚焦电极38和阳极靶39；
[0053] 所述第一阴极接线柱31、第二阴极接线柱32、阴极丝33、调制电极34、第一电子透镜聚焦电极35、第二电子透镜聚焦电极36、第三电子透镜聚焦电极37、第四电子透镜聚焦电极38和阳极靶39均安装在高频X射线产生调制器外壳41内，X射线焦斑10安装在高频X射线产生调制器外壳41外，且与阳极靶39相对；
[0054] 所述第一阴极接线柱31与第二阴极接线柱32相对平行放置，且第一阴极接线柱31的一端和第二阴极接线柱32的一端均向高频X射线产生调制器外壳41的外部延伸，第一阴极接线柱31的另一端和第二阴极接线柱32的另一端通过阴极丝33连接，调制电极34靠近阴极丝33放置，且与第一阴极接线柱31与第二阴极接线柱32均呈垂直关系；第一电子透镜聚焦电极35和第二电子透镜聚焦电极36均靠近调制电极34相对放置，且二者之间设有第一开口；第三电子透镜聚焦电极37和第四电子透镜聚焦电极38相对放置，且二者之间设有第二开口，阳极靶39安装在高频X射线产生调制器外壳41的内壁上，且位于第一开口和第二开口的水平中心线上；调制电极34产生自由电子束40，并将其聚焦到阳极靶39上，再通过沿4π方向辐射的X射线焦斑10向外发射带有调制信息的X射线光束。
[0055] 第一开口的宽度大于第二开口的宽度。
[0056] 所述X射线通信信号接收装置6包括：高频X射线解调器8和X射线聚焦透镜7；所述高频X射线解调器8和X射线聚焦透镜7相对放置；X射线聚焦透镜7接收带有调制信息的X射线光束，并将其聚焦到X射线解调器8上，X射线解调器8将接收到的带有调制信息的X射线光束进行解调，获得可用信息，并将其传输至地面接收终端9，完成整个黑障区的X射线的通信。
[0057] 本发明还提供了一种黑障区X射线通信方法，该方法通过上述系统来实现，该方法包括：
[0058] X射线通信信号产生装置产生带有调制信息的X射线，并将其沿4π方向辐射的X射线焦斑发射至X射线通信信号接收装置6；
[0059] 所述X射线通信信号接收装置6接收带有调制信息的X射线，并将其解调，获得可用信息，再根据获得的从X射线通信信号产生装置2辐射出去的X射线能量，即经过准直透镜辐射出去的X射线能量，将带有可用信息的X射线回传至地面接收终端9，完成黑障区的X射线的通信。
[0060] 其中，所述X射线通信信号产生装置产生带有调制信息的X射线，并将其沿4π方向辐射的X射线焦斑发射至X射线通信信号接收装置6；具体为：
[0061] 高频X射线产生调制器3产生的带有调制信息的X射线经X射线焦斑10传输至X射线准直透镜4，并通过X射线准直透镜4形成平行的带有调制信息的X射线光束，如图3所示，带有调制信息的X射线光束经4π辐射的X射线焦斑通过X射线准直透镜4辐射至X射线聚焦透镜7，再将其聚焦到X射线解调器8上。
[0062] 其中，第一阴极丝接线柱31和第二阴极丝接线柱32的两端加电，当阴极丝33温度达到800℃以上时，产生自由电子束40；
[0063] 通过改变第一电子透镜聚焦电极35与第二电子透镜聚焦电极36之间的电势、第三电子透镜聚焦电极37与第四电子透镜聚焦电极38之间的电势，从而改变整个
X射线管内的
电场分布，从而改变自由电子束40的运动轨迹，并最终聚焦到阳极靶39上，形成电子微焦斑。电子微焦斑中的电子具有很高的能量，当电子微焦斑中的电子聚焦到阳极靶39时，会产生韧致辐射和特征谱的X射线，并沿4π方向辐射。可认为电子微焦斑尺寸约为X射线焦斑尺寸，即高频X射线产生调制器3产生的X射线的焦斑大小。
[0064] 将调制信息加载在高频X射线产生调制器3中的调制电极34上，采用脉冲调制法，通过调制自由电子束40来实现对X射线通信的调制，产生带有调制信息的X射线，并经X射线焦斑10传输至X射线准直透镜4。
[0065] 其中，作为X射线通信常用的信号调制方法还有幅值调制、二进制
相移键控等；其中，脉冲调制为优选；
[0066] 同时，作为调制信号的X射线是一种能量很大的电磁波，它的能量范围一般是几个keV到几百keV。X射线还具有一个特性，即X射线在大气中传输一段距离后，有部分X射线会被大气吸收，且不同能量的X射线的吸收(衰减)效率是不一样的，同一能量的X射线在不同高度的大气中的吸收(衰减)效率也不一样，即在大气中一段距离后得到的X射线强度遵循下式：
[0067]
[0068] 其中，I为经过大气衰减后的X射线强度：I0为X射线的初始强度；ρ为大气密度；d为穿过的大气厚度；NA为阿伏伽德罗常数；xi为不同成分的占比；Ai为不同成分的原子序数；σai为不同元素的原子吸收截面。
[0069] 而为了实现黑障通信，X射线作为通信信号必定会在大气中传输，必定会有X射线强度的衰减，因此可根据飞行器或其他再入体在大气中的不同
位置高度，通过上面公式的计算，选择合适的X射线能量段作为载波进行信号的传输通信。
[0070] 所述X射线通信信号接收装置6接收带有调制信息的X射线，并将其解调，获得可用信息，再将其回传至地面接收终端9，完成黑障区的X射线的通信；具体为：
[0071] X射线通信信号接收装置6接收带有调制信息的X射线，并将其解调，获得可用信息，再根据如下公式计算得到的从X射线通信信号产生装置2辐射出去的X射线能量，即经过准直透镜辐射出去的X射线能量，将带有可用信息的X射线回传至地面接收终端9，完成黑障区的X射线的通信；
[0072] 其中，辐射出去的X射线光束的X射线能量EX1与准直透镜的焦距F和口径R有关，由下式确定：
[0073]
[0074] 其中，EX1为经过准直透镜辐射出去的X射线光束的X射线能量；EX为调制X射线光源的能量；R为准直透镜的口径；F为准直透镜的焦距；
[0075] 将X射线产生调制器形成的X射线焦斑放置于准直透镜的焦点处，确保出射的X射
线束的发射
角最小。
[0076] 其中，距离准直透镜D、面积S的X射线聚焦透镜8最终接收到的X射线能量为EX2，X射线产生调制器需要输出的X射线能量Ex由下式确定：
[0077]
[0078] 其中，EX1为X射线产生调制器输出的X射线能量；EX2为经过准直透镜和X射线聚焦透镜8最终接收到的X射线能量；R为准直透镜的口径；F为准直透镜的焦距；D为通信距离；S为接收天线的接收面积。
[0079] 最后所应说明的是，以上
实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行
修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的
权利要求范围当中。
