基于峰值多层级支持向量机的X射线通信解调技术研究

X射线通信技术是一种以X射线为载波的空间通信方式,它具有通信带宽大、重量轻、体积小、功耗低、保密性高等优势。通过设计多靶材X射线信号调制装置可以提高X射线的通信速率,在信号接收端要保证X射线能谱的识别准确率,才能真正发挥基于能量负载的X射线通信的优势。本文针对多靶材X射线特征能谱精确识别问题,提出基于峰值多层级支持向量机的X射线通信解调方法,设计了适合四码元通信的峰值多层级支持向量机分类器,通过参数调优和验证确保了高准确率和泛化能力。仿真结果证明:支持向量机为基于能量负载的X射线通信方法提供了高效、准确、鲁棒的信号识别解决方案。

空间X射线通信链路建模与功率分析

从空间X射线通信传输理论出发,首先对X射线通信的功率传输过程进行研究,以加性高斯白噪声信道模型与自由空间损耗为基础,分析了深空X射线通信的信道特征及功率传输过程、推导了功率传输方程,建立了通信链路模型;其次,分析了深空X射线通信系统的误差来源,建立了基于单光子探测器的噪声模型,并给出了主要噪声来源的数学表达式,从而确定了通信核心参数通信距离、通信速率、误码率与信号功率之间的关系;最后,对不同阳极高压与不同调制方式下探测器端信号光子数进行实验监测,对功率传输方程及误差模型进行验证.实验结果表明,所给出的功率传输方程与误差模型可以对空间X射线通信过程进行较好地解释.根据此模型,计算了在满足一定的误码率和传输距离要求时对X射线源出射功率的要求,为空间X射线通信研究建立了理论基础,为核心元器件的研究指明了下一步的方向,同时有望对空间X射线通信的工程化提供一定的参考.

一种X射线聚焦光学及其在X射线通信中的应用

基于栅控脉冲发射X射线源与单光子探测技术的X射线通信已经实现了实验室语音通信验证,并对通信系统的误码率性能进行了分析,为探索未来X射线深空应用打下了坚实的基础.针对目前X射线通信面临的信号发散角大、通信距离短、难以实现工程化应用的情况,迫切需要对X射线通信天线系统进行深入研究.为了提高信号增益、增大X射线通信的距离,提出了多层嵌套式X射线聚焦光学作为X射线通信的"收发天线",理论分析了X射线聚焦光学用于X射线通信"收发天线"的可行性,分析了X射线聚焦光学的理论基础与结构设计,对"发射天线"发散角、"接收天线"有效面积与焦斑尺寸、信号增益等性能做了探讨.结果表明:在信号发射端,"天线"的发散角为3 mrad左右,发射增益23 d B;在信号接收端,"接收天线"的有效面积5700 mm2@1.5 keV,焦斑直径为4.5 mm,接收增益为25 d B,通信系统总的增益可达48 d B.

等离子体鞘套中X射线通信传输理论与实验研究

由于存在理论模型不完善、实验验证技术不充分等问题,等离子体鞘套中的信息传递难题尚未获得可行的工程化解决方案。首先通过数值计算与理论建模研究了X射线光子与等离子体相互作用机理,构建了X射线与等离子体相互作用理论模型,与传统波动模型中X射线可无衰减地穿透等离子体的结论不同,本文建立的修正理论模型指出X射线在等离子体中的透过率与等离子体电子密度及入射X射线流量密切相关。其次通过栅控X射线调制发射、单光子X射线探测、动态等离子体产生等核心技术攻关,演示验证平台搭建,实现了高动态范围(电子密度109~1014/cm^(3))、长持续时间(大于20 min)等离子体环境下,通信速率优于1 Mbps,误码率10-5量级的X射线通信实验验证。实验结果表明,所建立的修正理论模型可对实验现象进行良好的解释与预测,全物理闭环式实验系统可为等离子体鞘套中的通信难题提供解决思路。

屏蔽环境下X射线通信传输理论与实验研究

通过X射线与物质的相互作用理论模型,研究了在电磁屏蔽环境下X射线的透过率和通信性能,理论上证明了X射线通信用于电磁屏蔽环境中信息传输的可行性。建立屏蔽环境下X射线通信的数值仿真模型,分析了X射线在电磁屏蔽环境下的通信参数,实现了对核心元器件的指标约束。最后,基于X射线调制发射、单光子X射线探测关键技术,搭建模拟电磁屏蔽环境下的X射线通信演示验证系统,进行X射线穿透屏蔽材料的等效模拟实验,实现了通信速率优于23 kbps的X射线通信实验验证。该结果有望为解决屏蔽环境下的辐射数据传输提供一定的理论依据和实验基础。

空间带电粒子对X射线通信信噪比的影响

针对空间粒子环境对X射线通信系统的影响,分析了空间带电粒子,尤其是高能电子与X射线通信的收发天线——多层嵌套式X射线聚焦光学相互作用产生荧光X射线的过程;使用蒙特卡洛软件MCNP仿真了电子与聚焦光学相互作用,产生荧光X射线光子的量子效率;建立了电子枪与多层嵌套式X射线聚焦光学相互作用的数学模型并搭建相关实验平台,使用具有高能量分辨率的硅漂移探测器实测了荧光X射线的数量和能量分布,计算了荧光X射线光子对X射线通信系统信噪比的影响.实验与计算结果表明:在入射电子流量为1×108 cps/cm2/s量级,能量1~20keV时,X射线通信系统的信噪比优于15.1dB.多层嵌套式X聚焦光学可以有效地滤除空间电子对X射线通信的干扰,提高信号增益.

空间X射线通信系统误码率分析(英文)

自X射线通信的概念被提出后,大部分研究集中在发射源、收发天线和探测器等关键器件上,而关于传输理论的研究较少。文中旨在建立X射线通信的理论模型,首先建立了X射线通信的功率传输模型和链路方程;其次建立了基于泊松噪声的X射线通信误码率模型,随后建立了X射线通信中的核心参数:通信距离,通信速率,误码率与传输功率之间的关系;最后对不同阳极高压与不同调制方式下探测器端信号光子数进行实验监测,对功率传输方程及误差模型进行验证,测试了X射线通信系统的误码率,理论与实验较为符合,OOK和4 PPM的误码率可达10^(-4)~10^(-5)量级,为空间X射线通信研究建立了理论基础,同时有望对空间X射线通信的工程化提供一定的参考。

双码元X射线通信信号调制与误码率分析

为提高X射线通信效率,提出一种利用双靶材X射线源实现双码元通信的方案。通过调节磁场强弱和方向变化,控制电子不打靶、均匀打靶、轰击铬靶或铜靶,完成了基于磁场调制的双靶材X射线源的双码元通信信号调制实验,取得了间隔为10 s、距离为40 cm条件下的200组实验数据。基于实验数据,利用遗传优化二元泊松分布模型对通信误码率进行了分析,分析结果表明:当信号衰减值低于400时,可以实现误码率低于10^(-4),在此条件下,探测端每时隙内留存大约500个光子;遗传优化算法提高了识别精度,在衰减值超过1000的环境中误码率优化幅度为10^(-1)左右,误码率在10^(-4)范围内,优化幅度约为10^(-5),本研究为基于多靶材X射线源的X射线通信技术的发展提供了方向。

X射线通信系统的误码率分析

基于栅极控制脉冲发射X射线源与单光子探测技术的X射线通信语音方案已经在实验室实现,为探索未来X射线深空通信应用打下了坚实的基础.实验室X射线语音通信演示系统实现后,迫切需要测试X射线通信系统的误码率性能.在泊松噪声模型下对X射线通信演示系统的理论分析的基础上,使用基于现场可编程门阵列的误码率测量方法对开关键控调制方式下X射线通信误码率进行测量.通过实验测量发现,要实现语音通信,系统误码率应该达到10-4量级;分析、测量了现有系统在开关键控调制方式下不同速率对应的误码率,论证了泊松噪声模型理论分析现有X射线通信系统的合理性;分析提出了限制现有实验室条件下X射线通信误码率性能的主要因素.

基于QAM的X射线通信系统性能改善方法

针对复杂深空通信环境对X射线通信系统抗噪声性能的影响,提出一种基于正交振幅调制(QAM)的误码率优化模型。通过分析实际通信环境中的噪声来源,并结合现有的X射线通信链路模型,给出主要噪声来源的数学表达式;基于泊松分布模型,建立QAM方式下强度调制直接检测(IM/DD)系统中通信误码率的计算模型,并通过模拟仿真验证其有效性。仿真结果表明,该模型的误码率可降至10^(-6)量级,与现有的二进制启闭键控(OOK)和脉冲位置调制(PPM)方法相比,当接收到相同的光子数时,该模型所需发射的光子数更少,尤其是当通信系统处于噪声干扰强度极不稳定的环境中时,该模型更具优势。

应用于深空通信的X射线系统

随着太空探索技术的进步,深空通信已经受到世界各国的重视,成为研究热点。X射线具有波长短、穿透能力强、无色散等性质,成为深空通信的新型手段。

基于X射线的空间语音通信系统

提出了栅控X射线源作为发射器和基于微通道板的X射线单光子探测器作为接收器的X射线通信方案.搭建了基于X射线的空间语音通信系统,详细介绍了信号调制发射器、基于微通道板的X射线单光子探测器及信号接收解调器的设计及工作原理.报道了基于X射线的空间语音通信系统的初步实验结果,实现了优于20kbit/s的基于语音信号调制的X射线通信.实验分析了在不同X射线强度、信号整形时间和阈值设置下通信性能影响,得出了X射线发射功率限制X射线通信速率的结论,提出了下一步提高X射线通信性能的改进方案.