雙重復用激光光譜火星礦物成分分析系統技術方案

技術編號：13269333 閱讀：83 留言：0更新日期：2016-05-18 19:25

本專利公開了一種雙重復用激光光譜火星礦物成分分析系統。系統包括光學頭部、短波光譜儀、中波光譜儀、長波光譜儀、定標板支架、定標板、指向鏡支架、二維指向鏡、二維轉動控制組件、指向鏡控制電纜及載荷控制器。基于該系統可聯合激光誘導等離子體光譜與激光拉曼實現原子分子聯合探測。本實用新型專利技術提供了一種雙重復用激光光譜探測系統與方法，采用同一脈沖激光源與三個倍頻模塊實現光源的復用；采用相同長中短波三路光譜儀及相應的譜段ICCD面陣探測器，實現分光與光譜探測的復用；此外，遠程微區成像及激光自聚焦功能的實現也共享了主光路；本專利有效擴大火星礦物分析范圍時，系統緊湊便捷，減少熒光干擾，提高分子探測全面性。

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【技術實現步驟摘要】

本專利涉及一種激光光譜探測方法,尤其涉及一種采用雙重復用激光光譜技術的遠程礦物成分分析系統，適用于火星表面礦物成分分析，屬于光電探測領域。
技術介紹
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部進行測量等優點已經或即將得到應用。在激光光譜探測中，激光誘導擊穿光譜(簡稱LIBS)是一種典型的物質元素探測方法，已在美國“好奇號”火星物質探測上得到應用。激光拉曼光譜技術可以有效提供地質和礦物成分信息，尤其是與水有關的過程(例如，化學風化，化學沉淀如鹵水等)。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鍵顏料探測提供檢測手段，可用于評估火星地質環境可居住性的優劣。采用單一的LIBS技術能對火星表面的主要元素進行探測，但無法探測分子組成形式和有機官能團。遠程LIBS光譜與激光拉曼光譜技術的聯合探測，可發揮合自的優勢，有效擴大火星表面礦物分析的范圍。但需要解決一些關鍵技術問題，如常規激光拉曼采用連續窄線寬激光器，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；此外由于激光誘導熒光的影響，時域斯托克斯拉曼信號常被熒光信號覆蓋，需采用多個波長進行激發以相互補充，減少熒光干擾，提高分子探測全面性等。r>針對單一激光光譜方法的不足，本專利技術提出一種雙重復用激光光譜探測系統與方法，采用同一脈沖激光源與三個倍頻模塊實現光源的復用；采用相同長中短波三路光譜儀及相應的譜段ICCD面陣探測器，實現分光與光譜探測的復用；此外，遠程微區成像及激光自聚焦功能的實現也共享了主光路；以上硬件結構的復用在有效擴大火星礦物分析范圍的同時，保持了系統的緊湊便捷性，適合火星探測工程的要求。
技術實現思路
本專利的目的在于提供一種火星物質識別的雙重復用激光光譜探測系統，在有效擴大物質成分探測類型的同時，滿足航天探測系統的體積功耗等要求。本專利是這樣來實現的：本專利提出的雙重復用激光光譜火星礦物成分分析系統主要包括光學頭部、光纖復用器、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、定標板支架、定標板、指向鏡支架、二維指向鏡、二維轉動控制組件、指向鏡控制電纜及載荷控制器。其中，光學頭部主要由顯微成像探測器、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、次鏡調焦組件、次鏡、次鏡支撐架、自聚焦激光器、多色鏡、保護窗口、拉曼全反鏡、LIBS全反鏡、轉折鏡、倍頻選擇機構、二倍頻器、三倍頻器、四倍頻器、擴束準直鏡、光路切換器、分控制線纜、主激光器、尾部保護罩、光學頭部控制線纜及紫外可見光譜儀光纖組成。短波光譜儀、中波光譜儀、長波光譜儀及載荷控制器安裝在火星車內。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；光學頭部上方開有透明保護窗口，其形狀尺寸與圓孔一致，光學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。顯微成像探測器、自聚焦探測器、次鏡調焦組件、自聚焦激光器、光路切換器、倍頻選擇機構及主激光器各自帶有分控制線纜，七路分控制線纜組成光學頭部控制線纜，與載荷控制器相聯接，用于接收載荷控制器的控制信號，其中顯微成像探測器與自聚焦探測器還可通過光學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動控制組件相連，用以發出控制信號，使二維指向鏡繞水平軸和垂直軸轉動，實現二維指向。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構，傳感器均采用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拉曼極其微弱的光譜信號。短波光譜儀、中波光譜儀與長波光譜儀各自通過USB接口傳輸線與載荷控制器聯接，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ICCD探測器、短波ICCD探測器進行曝光及調節曝光時間TB。載荷控制器可給主激光器發啟動脈沖，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。次鏡與主鏡組成卡塞格林望遠鏡結構。次鏡安裝在次鏡支撐架上，可由次鏡調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，實現不同距離的激光聚焦。主鏡安裝在主鏡支撐架上。主激光器發射的脈沖激光束經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、轉折鏡轉折后，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，實現對目標位置點的激光聚焦。二倍頻器、三倍頻器與四倍頻器安裝在倍頻選擇機構上，可由倍頻選擇機構控制選擇二倍頻器、三倍頻器、或是四倍頻器切入第二光軸。主激光器發射的脈沖激光束經光路切換器切換到第二路時，先經二倍頻器、三倍頻器、或是四倍頻器進行倍頻，倍頻后的脈沖激光束依次經拉曼全反鏡、多色鏡反射，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，實現對目標位置點的激光照射。(注：沒通過卡塞格林望遠鏡，非聚焦模式)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設值供調用，用以實現對定標板上定標樣品的指向和激光聚焦?；陔p重復用激光光譜火星礦物成分分析系統的火星探測按以下步驟進行：(1)在軌LIBS定標a.將第一塊LIBS定標樣品設為當前LIBS定標樣品。b.載荷控制器根據存儲器的預設值，發出相應的控制指令給二維轉動控制組件，使其帶動二維指向鏡繞水平軸和垂直軸轉動，至指向光軸相交于定標板的當前LIBS定標樣品上。c.載荷控制器根據存儲器的預設值，發出相應的控制指令給次鏡調焦組件，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，設定好相應的TB和TD。載荷控制器發出啟動指令開啟主激光器，主激光器發出一個1064nm脈沖激光束先由擴束準直鏡擴束準直、LIBS全反鏡反射、轉折鏡轉折后，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本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種雙重復用激光光譜火星礦物成分分析系統，它包括光學頭部(3)、光纖復用器(5)、短波光纖(6)、中波光纖(7)、長波光纖(8)、短波光譜儀(9)、中波光譜儀(10)、長波光譜儀(11)、定標板支架(12)、定標板(13)、指向鏡支架(21)、二維指向鏡(22)、二維轉動控制組件(53)、指向鏡控制電纜(54)及載荷控制器(19)；其特征在于：光學頭部(3)包括顯微成像探測器(23)、自聚焦探測器(24)、第二分色片(25)、第一分色片(26)、中繼透鏡組(27)、主鏡(28)、主鏡支撐架(29)、次鏡調焦組件(30)、次鏡(31)、次鏡支撐架(32)、自聚焦激光器(33)、多色鏡(34)、保護窗口(35)、拉曼全反鏡(37)、LIBS全反鏡(39)、轉折鏡(40)、倍頻選擇機構(41)、二倍頻器(42)、三倍頻器(43)、四倍頻器(44)、擴束準直鏡(45)、光路切換器(46)、分控制線纜(49)、主激光器(50)、尾部保護罩(51)、光學頭部控制線纜(20)及紫外可見光譜儀光纖(4)；短波光譜儀(9)、中波光譜儀(10)、長波光譜儀(11)及載荷控制器(19)安裝在火星車內；定標板...

【技術特征摘要】
1.一種雙重復用激光光譜火星礦物成分分析系統，它包括光學頭部(3)、光纖復用器(5)、短波光纖(6)、中波光纖(7)、長波光纖(8)、短波光譜儀(9)、中波光譜儀(10)、長波光譜儀(11)、定標板支架(12)、定標板(13)、指向鏡支架(21)、二維指向鏡(22)、二維轉動控制組件(53)、指向鏡控制電纜(54)及載荷控制器(19)；其特征在于：
光學頭部(3)包括顯微成像探測器(23)、自聚焦探測器(24)、第二分色片(25)、第一分色片(26)、中繼透鏡組(27)、主鏡(28)、主鏡支撐架(29)、次鏡調焦組件(30)、次鏡(31)、次鏡支撐架(32)、自聚焦激光器(33)、多色鏡(34)、保護窗口(35)、拉曼全反鏡(37)、LIBS全反鏡(39)、轉折鏡(40)、倍頻選擇機構(41)、二倍頻器(42)、三倍頻器(43)、四倍頻器(44)、擴束準直鏡(45)、光路切換器(46)、分控制線纜(49)、主激光器(50)、尾部保護罩(51)、光學頭部控制線纜(20)及紫外可見光譜儀光纖(4)；
短波光譜儀(9)、中波光譜儀(10)、長波光譜儀(11)及載荷控制器(19)安裝在火星車內；定標板(13)由若干塊LIBS及拉曼定標樣品組成，通過定標板支架(12)安裝在火星車頂板(14)上；指向鏡支架(21)底部安裝在火星車頂板(14)上，并在該處開有圓孔(52)，二維指向鏡(22)安裝在指向鏡支架(21)上方；光學頭部(3)上方開有透明保護窗口(35)，其形狀尺寸與圓孔(52)一致，光學頭部(3)安裝在火星車頂板(14)下面，安裝位置保證透明保護窗口(35)與圓孔(52)位置一致；
顯微成像探測器(23)、自聚焦探測器(24)、次鏡調焦組件(30)、自聚焦激光器(33)、光路切換器(46)、倍頻選擇機構(41)及主激光器(50)各自帶有分控制線纜(49)，七路分控制線纜(49)組成光學頭部控制線纜(20)，與載荷控制器(19)相聯接，用于接收載荷控制器(19)的控制信號，其中顯微成像探測器(23)與自聚焦探測器(24)還可通過光學頭部控制線纜(20)向載荷控制器(19)反饋測量信息，載荷控制器(19)通過指向鏡控制電纜(54)與二維轉動控制組件(53)相連，用以發出控制信號，使二維指向鏡(22)繞水平軸和垂直軸轉動，實現二維指向；
短波光譜儀(9)、中波光譜儀(10)與長波光譜儀(11)均采用Czerny-Turner形式的平面光柵光譜儀結構，傳感器均采用ICCD面陣傳感器，其極高靈敏...

【專利技術屬性】
技術研發人員：舒嶸，萬雄，徐衛明，閻志欣，章婷婷，劉鵬希，
申請(專利權)人：中國科學院上海技術物理研究所，
類型：新型
國別省市：上海;31

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