火星是深空探测的热点区域,随着对火星探测的深入,未来火星探测器将面临传统通信方式难以应对的恶劣情况,例如火星大气进入段黑障区和火星沙尘暴环境。因此,探索新型信息载体,研究新型通信技术十分必要。X射线通信（XCOM）是一种新型的空间通信技术,基于X射线的高穿透特性,X射线通信系统有望在复杂的深空环境中发挥作用。本文提出使用X射线通信技术解决火星特殊场景中的通信中断问题,并围绕高速调制脉冲X射线源技术、X射线通信系统搭建以及火星X射线通信信道特性展开研究,主要研究内容及成果如下:（1）面向火星黑障区X射线通信场景,提出栅极调制X射线源方案。基于CST粒子工作室和蒙特卡罗粒子输运程序MCNP5,分别开展了栅极调制X射线源真空腔室和阳极金属靶的优化设计,最终实现了调制速率优于1 MHz,发射功率优于100 m W的性能参数。通过对真空腔室参数的优化,调制电压被控制在-14 V+5 V范围内,电子束焦斑尺寸低于0.2 mm×0.4 mm,电子脉冲展宽低于2.2 ns。通过对X射线转换靶的优化,确定了最优化倾斜角为48°,并优选了五种候选靶材料。进一步,对优化设计后的栅极调制X射线源的脉冲响应特性开展研究,实验证明了优化设计后的调制源能够实现1 MHz的调制速率。（2）面向火星沙尘暴环境X射线通信场景,提出激光调制脉冲X射线源方案。基于数值分析方法和CST粒子工作室,从时间特性出发,对调制源中光阴极、电子倍增器、真空腔室进行了优化设计,最终实现了调制速率为1.99 GHz,发射功率为4.98 m W的性能参数。针对激光调制脉冲X射线源的关键组件开展时间特性研究,结果表明,梯度掺杂负电子亲和势Ga As光阴极和微通道板所造成的脉冲展宽约为50 ps,真空腔室将造成约400 ps的脉冲展宽。针对调制源中信号脉冲转换过程开展分析,建立了各组件参数与调制速率的定量关系。结果表明真空腔室造成的脉冲展宽和微通道板的电流饱和效应是影响调制速率的主要因素。（3）针对火星大气进入段黑障区和火星沙尘暴环境,分别基于栅极调制X射线源和激光调制脉冲X射线源设计了两套X射线通信系统搭建方案。为解决单一调制源和探测器组成的X射线通信系统链路功率不足的问题,提出了阵列X射线通信系统方案。针对阵列系统所需的多通道电子学系统开展研究,开发了能够同时实现44通道同步数据收发,单通道速率为125 Mbps的多通道电子学系统。针对所开发的多通道电子学系统开展72小时长期通信测试,结果表明单个多通道电子学系统的误码率低于10-14,且多通道同步性能良好,系统可靠性得到验证。（4）针对火星大气进入段黑障区X射线通信信道开展研究,证明了使用X射线通信链路解决火星通信黑障问题的可行性。基于FDTD和WKB方法,从理论上证明了火星黑障区等离子体鞘套对射频载波具有显著的衰减效应,而X射线能够几乎无衰减地穿透等离子体鞘套。基于蒙特卡罗粒子输运程序MCNP5模拟研究了X射线在火星上层大气中的传输特性,结果表明能量高于20 ke V的X射线束能够在火星上层大气中远距离传输。基于火星黑障区X射线通信系统,建立火星大气进入段黑障区X射线通信链路模型,并评估X射线通信链路性能,最终获得了在火星黑障区实施X射线通信的条件。结果表明,使用35个栅极调制X射线源组成发射阵列的X射线通信系统,能够实现进入器与轨道器之间速率为1 Mbps,且误码率低于10-6的通信。（5）针对火星沙尘暴环境X射线通信信道开展研究,证明了基于X射线通信链路在火星沙尘暴环境中实现高速数据传输可行性。基于光散射理论和蒙特卡罗粒子输运程序MCNP5分别评估了X射线通信链路的沙尘暴透射率和火星大气透射率。结果表明,能量高于20 ke V的X射线束几乎不受火星沙尘暴的影响,能量高于50 ke V的X射线束能够在火星大气中远距离传输。基于火星沙尘暴X射线通信系统,建立火星沙尘暴环境X射线通信链路模型,并评估了X射线通信链路性能,最终获得了在火星沙尘暴环境中实施X射线通信的条件。结果表明,在火星沙尘暴环境中,使用23个激光调制脉冲X射线源组成发射阵列的X射线通信系统能够建立火星巡视器间的通信,使用30~80个激光调制脉冲X射线源组成发射阵列的X射线通信系统能够建立巡视器与轨道器间的通信,通信速率可达到100 Mbps,且误码率低于10-6。本文的研究工作对于火星X射线通信的实施和高速调制脉冲X射线源的研发提供了重要的理论依据,并有望为我国未来的火星探测工程提供通信技术保障。