基于主被動結(jié)合光譜技術(shù)的火星物質(zhì)成分測試系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光光譜探測方法，尤其涉及一種采用主被動結(jié)合光譜技術(shù)的遠程物質(zhì)成分分析系統(tǒng)與方法，適用于火星表面物質(zhì)成分分析，屬于光電探測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在深空探測的火星表面礦物成分分析中，由于載人火星登陸技術(shù)尚未成熟，需要使用無人操作的遠程自動探測方法。相對于其它的遠程物質(zhì)成分探測方法，激光光譜類探測方法因其無需樣品制備，分析速度快，可同時進行多元素分析和微量元素檢測，可以清除樣品表面塵埃層和深入樣品內(nèi)部進行測量等優(yōu)點已經(jīng)或即將得到應(yīng)用。
[0003]在激光光譜探測中，激光誘導(dǎo)擊穿光譜(簡稱LIBS)是一種典型的物質(zhì)元素探測方法，已在美國“好奇號”火星物質(zhì)探測上得到應(yīng)用。激光拉曼光譜技術(shù)可以有效提供地質(zhì)和礦物成分信息，尤其是與水有關(guān)的過程(例如，化學(xué)風化，化學(xué)沉淀如鹵水等)。此外它能夠檢測各種各樣的有機官能團，并為有機物和某些關(guān)鍵顏料探測提供檢測手段，可用于評估火星地質(zhì)環(huán)境可居住性的優(yōu)劣。以上兩類需采用主動激光源，屬于主動光譜方法。
[0004]而短波紅外光譜儀用于檢測物質(zhì)的短波紅外發(fā)射或反射光譜，無需光源，屬于被動光譜方法，它可以進行火星表面礦物和巖石的探測，許多礦物在短波紅外波段具有可分辨的吸收和反射特征，對物質(zhì)識別及含量分析具有重要意義。激光拉曼光譜方法對于對稱分子分析有效，而短波紅外光譜方法對非對稱分子分析有效。
[0005]遠程LIBS光譜與激光拉曼光譜技術(shù)及被動近紅外光譜聯(lián)合探測，可發(fā)揮合自的優(yōu)勢，有效擴大火星表面礦物分析的范圍。但需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題，如常規(guī)激光拉曼采用連續(xù)窄線寬激光器，而LIBS采用窄脈沖低重頻激光器，為解決探測裝置的緊湊便捷性，光源及探測器如何復(fù)用的問題；以及時域分辨脈沖激光拉曼信號的探測及兩種光譜信號的時序分配問題；以及主被動光譜光路復(fù)用問題等。
[0006]針對單一光譜方法用于火星物質(zhì)成分分析的不足，本發(fā)明提出采用主被動結(jié)合光譜技術(shù)的遠程物質(zhì)成分分析系統(tǒng)與方法，采用LIBS光譜與激光拉曼光譜技術(shù)及被動近紅外光譜聯(lián)合探測，可同時實現(xiàn)物質(zhì)原子、對稱分子、非對稱分子的探測，由于復(fù)用光源、望遠光路及光譜儀等，在有效擴大火星物質(zhì)分析范圍的同時，保持了系統(tǒng)的緊湊便捷性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種用于火星物質(zhì)成分分析的主被動光譜結(jié)合的系統(tǒng)與方法，可同時實現(xiàn)物質(zhì)原子、對稱分子、非對稱分子的探測，能滿足火星探測系統(tǒng)的體積功耗等要求。
[0008]本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的:
[0009]本發(fā)明提出的雙重復(fù)用激光光譜火星礦物成分分析系統(tǒng)主要包括光學(xué)頭部、光纖復(fù)用器、短波光纖、中波光纖、長波光纖、短波光譜儀、中波光譜儀、長波光譜儀、紅外AOTF光譜儀、定標板支架、定標板、指向鏡支架、二維指向鏡、二維轉(zhuǎn)動控制組件、指向鏡控制電纜及載荷控制器。
[0010]其中，光學(xué)頭部主要由自聚焦探測器、第二分色片、第一分色片、中繼透鏡組、主鏡、主鏡支撐架、次鏡調(diào)焦組件、次鏡、次鏡支撐架、自聚焦激光器、雙色鏡、保護窗口、拉曼全反鏡、LIBS全反鏡、轉(zhuǎn)折鏡、二倍頻器、擴束準直鏡、光路切換器、分控制線纜、主激光器、尾部保護罩、光學(xué)頭部控制線纜、紫外可見光譜儀光纖及紅外光纖組成。
[0011 ]短波光譜儀、中波光譜儀、長波光譜儀、紅外AOTF光譜儀及載荷控制器安裝在火星車內(nèi)。定標板由若干塊LIBS及拉曼定標樣品組成，通過定標板支架安裝在火星車頂板上;指向鏡支架底部安裝在火星車頂板上，并在該處開有圓孔，二維指向鏡安裝在指向鏡支架上方;光學(xué)頭部上方開有透明保護窗口，其形狀尺寸與圓孔一致，光學(xué)頭部安裝在火星車頂板下面，安裝位置保證透明保護窗口與圓孔位置一致。
[0012]自聚焦探測器、次鏡調(diào)焦組件、自聚焦激光器、光路切換器、及主激光器各自帶有分控制線纜，五路分控制線纜組成光學(xué)頭部控制線纜，與載荷控制器相聯(lián)接，用于接收載荷控制器的控制信號，其中自聚焦探測器可通過光學(xué)頭部控制線纜向載荷控制器反饋測量信息。載荷控制器通過指向鏡控制電纜與二維轉(zhuǎn)動控制組件相連，用以發(fā)出控制信號，使二維指向鏡繞水平軸和垂直軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)二維指向。
[0013]短波光譜儀、中波光譜儀與長波光譜儀均采用Czerny-Turner形式的平面光柵光譜儀結(jié)構(gòu)，長波光譜儀的傳感器采用ICCD面陣傳感器，其極高靈敏度可保證LIBS探測的同時傳感脈沖激光誘導(dǎo)拉曼極其微弱的光譜信號。紅外AOTF光譜儀采用AOTF分光，光學(xué)頭部的紅外譜段信號通過紅外光纖傳輸?shù)郊t外AOTF光譜儀的狹縫上，再經(jīng)過準直鏡將光束準直后，通過AOTF分光和會聚鏡組到達探測器上，可獲取火星目標的被動紅外高分辨率光譜，用于礦物分析和巖石識別。
[0014]短波光譜儀、中波光譜儀、長波光譜儀與紅外AOTF光譜儀各自通過USB接口傳輸線與載荷控制器聯(lián)接，向載荷控制器輸出光譜信號并且接收載荷控制器的控制信號，用于同步開啟長波ICCD探測器、中波CCD探測器、短波CCD探測器進行曝光及調(diào)節(jié)曝光時間TB。載荷控制器可給主激光器發(fā)啟動脈沖，并控制主激光器與短波光譜儀、中波光譜儀與長波光譜儀開啟之間的延時TD。
[0015]次鏡與主鏡組成卡塞格林望遠鏡結(jié)構(gòu)。次鏡安裝在次鏡支撐架上，可由次鏡調(diào)焦組件控制沿主光軸平移，從而改變卡塞格林望遠鏡的焦距，實現(xiàn)不同距離的激光聚焦。主鏡安裝在主鏡支撐架上。
[0016]主激光器發(fā)射的脈沖激光束經(jīng)光路切換器切換到第一路時，先由擴束準直鏡擴束準直、LIBS全反鏡反射、轉(zhuǎn)折鏡轉(zhuǎn)折后，再由次鏡反射，主鏡反射后，沿主光軸向上行進，通過保護窗口向上穿出，再通過二維指向鏡改變行進方向，實現(xiàn)對目標位置點的激光聚焦。
[0017]主激光器發(fā)射的脈沖激光束經(jīng)光路切換器切換到第二路時，先經(jīng)二倍頻器進行倍頻，倍頻后的脈沖激光束依次經(jīng)拉曼全反鏡、雙色鏡反射，沿主光軸向上行進，通過保護窗口向上穿出，再通過二維指向鏡改變行進方向，實現(xiàn)對目標位置點的激光照射。
[0018]主光軸、第二光軸、第四光軸三者平行；主光軸與第三光軸垂直；主光軸及指向光軸與二維指向鏡的法線共面，滿足反射定律的幾何關(guān)系，主光軸與指向光軸的交點為二維指向鏡的中心，定義為主參考點。根據(jù)定標板相對于主參考點的空間位置，即距離和方位角，可算出對應(yīng)二維指向鏡的角度值及卡塞格林望遠鏡的焦距值，這些值儲存在載荷控制器的存儲器中作為預(yù)設(shè)值供調(diào)用，用以實現(xiàn)對定標板上定標樣品的指向和激光聚焦。
[0019]基于雙重復(fù)用激光光譜火星礦物成分分析系統(tǒng)的火星探測按以下步驟進行:
[0020](I)在軌 LIBS 定標
[0021 ] a.將第一塊LIBS定標樣品設(shè)為當前LIBS定標樣品。
[0022]b.載荷控制器根據(jù)存儲器的預(yù)設(shè)值，發(fā)出相應(yīng)的控制指令給二維轉(zhuǎn)動控制組件，使其帶動二維指向鏡繞水平軸和垂直軸轉(zhuǎn)動，至指向光軸相交于定標板的當前LIBS定標樣品上。
[0023]c.載荷控制器根據(jù)存儲器的預(yù)設(shè)值，發(fā)出相應(yīng)的控制指令給次鏡調(diào)焦組件，使卡塞格林望遠鏡的焦點可準確落在指向光軸與定標板的當前LIBS定標樣品的相交點上。載荷控制器發(fā)出控制指令給光路切換器，使其切換至第一路。載荷控制器按LIBS探測的需求，設(shè)定好相應(yīng)的TB和TD。載荷控制器發(fā)出啟動指令開啟主激光器，主激光器發(fā)出一個1064nm脈沖激光束先由擴束準直鏡擴束準直、LIBS全反鏡反射、轉(zhuǎn)折鏡轉(zhuǎn)折后，再由次鏡反射，主鏡反射后，沿主光軸向上行進，通過保護窗口向上穿出，再通過二維指向鏡改變行進方向沿指向光軸傳輸，聚焦擊中定標板的當前LIBS定標樣品。激發(fā)出的LIBS回波信號沿指向光軸傳至二維指向鏡，再由二維指向鏡反射向下沿主光軸傳輸，向下通過保護窗口，依次經(jīng)主鏡及次鏡反射，沿主光軸向下行進，通過主鏡中間的圓孔后，經(jīng)中繼透鏡組聚焦，第一分色片反射，第二分色片反射，會聚于紫外可見光譜儀光纖端面上。由紫外可見光譜儀光纖收集的LIBS信號經(jīng)光纖復(fù)用器分為短中長波三路，分別沿短波光纖、中波光纖、長波光纖進入短波光譜儀、中波光譜儀、長波光譜儀，再分別由短波CCD探測器、中波CCD探測器、長波ICCD探測器傳感轉(zhuǎn)化為LIBS光譜信號，并送至載荷控制器進行存儲分析。
[0024]d.依次將第二塊、第三塊、…、直至最后一塊LIBS定標樣品設(shè)為當前LIBS定標樣品。不斷重復(fù)步驟b.與c.，采集當前LIBS定標樣品的LIBS光譜信號并在載荷控制器進行存儲，直至完成定標板所有LIBS定標樣品的LIBS光譜信號的存儲。
[0025](2)在軌拉曼定標
[0026]e.載荷控制器按拉曼探測的需求，設(shè)定好相應(yīng)的TB和TD。將第一塊拉曼定標樣品設(shè)為當前拉曼定標樣品。
[0027]f.載荷控制器根據(jù)存儲器的預(yù)設(shè)值，發(fā)出相應(yīng)的控制指令給二維轉(zhuǎn)動控制組件，使其帶動二維指向鏡繞水平軸和垂直軸轉(zhuǎn)動，至指向光軸相交于定標板的當前拉曼定標樣品上。載荷控制器發(fā)出