基于主被動(dòng)結(jié)合光譜技術(shù)的火星物質(zhì)成分測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利涉及一種激光光譜探測(cè)方法，尤其涉及一種采用主被動(dòng)結(jié)合光譜技術(shù)的遠(yuǎn)程物質(zhì)成分分析系統(tǒng)，適用于火星表面物質(zhì)成分分析，屬于光電探測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在深空探測(cè)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(wú)人操作的遠(yuǎn)程自動(dòng)探測(cè)方法。相對(duì)于其它的遠(yuǎn)程物質(zhì)成分探測(cè)方法，激光光譜類探測(cè)方法因其無(wú)需樣品制備，分析速度快，可同時(shí)進(jìn)行多元素分析和微量元素檢測(cè)，可以清除樣品表面塵埃層和深入樣品內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)或即將得到應(yīng)用。
[0003]在激光光譜探測(cè)中，激光誘導(dǎo)擊穿光譜(簡(jiǎn)稱LIBS)是一種典型的物質(zhì)元素探測(cè)方法，已在美國(guó)“好奇號(hào)”火星物質(zhì)探測(cè)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(fēng)化，化學(xué)沉淀如鹵水等)。此外它能夠檢測(cè)各種各樣的有機(jī)官能團(tuán)，并為有機(jī)物和某些關(guān)鍵顏料探測(cè)提供檢測(cè)手段，可用于評(píng)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(dòng)激光源，屬于主動(dòng)光譜方法。
[0004]而短波紅外光譜儀用于檢測(cè)物質(zhì)的短波紅外發(fā)射或反射光譜，無(wú)需光源，屬于被動(dòng)光譜方法，它可以進(jìn)行火星表面礦物和巖石的探測(cè)，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(duì)物質(zhì)識(shí)別及含量分析具有重要意義。激光拉曼光譜方法對(duì)于對(duì)稱分子分析有效，而短波紅外光譜方法對(duì)非對(duì)稱分子分析有效。
[0005]遠(yuǎn)程LIBS光譜與激光拉曼光譜技術(shù)及被動(dòng)近紅外光譜聯(lián)合探測(cè)，可發(fā)揮合自的優(yōu)勢(shì)，有效擴(kuò)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(cè)裝置的緊湊便捷性，光源及探測(cè)器如何復(fù)用的問題；以及時(shí)域分辨脈沖激光拉曼信號(hào)的探測(cè)及兩種光譜信號(hào)的時(shí)序分配問題；以及主被動(dòng)光譜光路復(fù)用問題等。
[0006]針對(duì)單一光譜方法用于火星物質(zhì)成分分析的不足，本專利提出采用主被動(dòng)結(jié)合光譜技術(shù)的遠(yuǎn)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(dòng)近紅外光譜聯(lián)合探測(cè)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)原子、對(duì)稱分子、非對(duì)稱分子的探測(cè)，由于復(fù)用光源、望遠(yuǎn)光路及光譜儀等，在有效擴(kuò)大火星物質(zhì)分析范圍的同時(shí)，保持了系統(tǒng)的緊湊便捷性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本專利的目的在于提供一種用于火星物質(zhì)成分分析的主被動(dòng)光譜結(jié)合的系統(tǒng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)原子、對(duì)稱分子、非對(duì)稱分子的探測(cè)，能滿足火星探測(cè)系統(tǒng)的體積功耗等要求。
[0008]本專利是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0009]本專利提出的雙重復(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(zhǎng)波光纖、短波光譜儀、中波光譜儀、長(zhǎng)波光譜儀、紅外AOTF光譜儀、定標(biāo)板支架、定標(biāo)板、指向鏡支架、二維指向鏡、二維轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)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(hù)窗口、拉曼全反鏡、LIBS全反鏡、轉(zhuǎn)折鏡、二倍頻器、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、光路切換器、分控制線纜、主激光器、尾部保護(hù)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(zhǎng)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(biāo)板由若干塊LIBS及拉曼定標(biāo)樣品組成，通過定標(biāo)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(hù)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(hù)窗口與圓孔位置一致。
[0012]自聚焦探測(cè)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(hào)，其中自聚焦探測(cè)器可通過光學(xué)頭部控制線纜向載荷控制器反饋測(cè)量信息。載荷控制器通過指向鏡控制電纜與二維轉(zhuǎn)動(dòng)控制組件相連，用以發(fā)出控制信號(hào)，使二維指向鏡繞水平軸和垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二維指向。
[0013]短波光譜儀、中波光譜儀與長(zhǎng)波光譜儀均采用Czerny-Turner形式的平面光柵光譜儀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)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(cè)的同時(shí)傳感脈沖激光誘導(dǎo)拉曼極其微弱的光譜信號(hào)。紅外AOTF光譜儀采用AOTF分光，光學(xué)頭部的紅外譜段信號(hào)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(zhǔn)直鏡將光束準(zhǔn)直后，通過AOTF分光和會(huì)聚鏡組到達(dá)探測(cè)器上，可獲取火星目標(biāo)的被動(dòng)紅外高分辨率光譜，用于礦物分析和巖石識(shí)別。
[0014]短波光譜儀、中波光譜儀、長(zhǎng)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(hào)并且接收載荷控制器的控制信號(hào)，用于同步開啟長(zhǎng)波ICCD探測(cè)器、中波CCD探測(cè)器、短波CCD探測(cè)器進(jìn)行曝光及調(diào)節(jié)曝光時(shí)間TB。載荷控制器可給主激光器發(fā)啟動(dòng)脈沖，并控制主激光器與短波光譜儀、中波光譜儀與長(zhǎng)波光譜儀開啟之間的延時(shí)TD。
[0015]次鏡與主鏡組成卡塞格林望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的焦距，實(shí)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(shí)，先由擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡擴(kuò)束準(zhǔn)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(jìn)，通過保護(hù)窗口向上穿出，再通過二維指向鏡改變行進(jìn)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置點(diǎn)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(shí)，先經(jīng)二倍頻器進(jìn)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(jìn)，通過保護(hù)窗口向上穿出，再通過二維指向鏡改變行進(jìn)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置點(diǎn)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(diǎn)為二維指向鏡的中心，定義為主參考點(diǎn)。根據(jù)定標(biāo)板相對(duì)于主參考點(diǎn)的空間位置，即距離和方位角，可算出對(duì)應(yīng)二維指向鏡的角度值及卡塞格林望遠(yuǎn)鏡的焦距值，這些值儲(chǔ)存在載荷控制器的存儲(chǔ)器中作為預(yù)設(shè)值供調(diào)用，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)定標(biāo)板上定標(biāo)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(cè)按以下步驟進(jìn)行:
[0020](I)在軌 LIBS 定標(biāo)
[0021 ] a.將第一塊LIBS定標(biāo)樣品設(shè)為當(dāng)前LIBS定標(biāo)樣品。
[0022]b.載荷控制器根據(jù)存儲(chǔ)器的預(yù)設(shè)值，發(fā)出相應(yīng)的控制指令給二維轉(zhuǎn)動(dòng)控制組件，使其帶動(dòng)二維指向鏡繞水平軸和垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，至指向光軸相交于定標(biāo)板的當(dāng)前LIBS定標(biāo)樣品上。
[0023]c.載荷控制器根據(jù)存儲(chǔ)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(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)可準(zhǔn)確落在指向光軸與定標(biāo)板的當(dāng)前LIBS定標(biāo)樣品的相交點(diǎn)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(cè)的需求，設(shè)定好相應(yīng)的TB和TD。載荷控制器發(fā)出啟動(dòng)指令開啟主激光器，主激光器發(fā)出一個(gè)1064nm脈沖激光束先由擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡擴(kuò)束準(zhǔn)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(jìn)，通過保護(hù)窗口向上穿出，再通過二維指向鏡改變行進(jìn)方向沿指向光軸傳輸，聚焦擊中定標(biāo)板的當(dāng)前LIBS定標(biāo)樣品。激發(fā)出的LIBS回波信號(hào)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(hù)窗口，依次經(jīng)主鏡及次鏡反射，沿主光軸向下行進(jìn)，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(huì)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(hào)經(jīng)光纖復(fù)用器分為短中長(zhǎng)波三路，分別沿短波光纖、中波光纖、長(zhǎng)波光纖進(jìn)入短波光譜儀、中波光譜儀、長(zhǎng)波光譜儀，再分別由短波CCD探測(cè)器、中波CCD探測(cè)器、長(zhǎng)波ICCD探測(cè)器傳感轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)IBS光譜信號(hào)，并送至載荷控制器進(jìn)行存儲(chǔ)分析。
[0024]d.依次將第二塊、第三塊、…、直至最后一塊LIBS定標(biāo)樣品設(shè)為當(dāng)前LIBS定標(biāo)樣品。不斷重復(fù)步驟b.與c.，采集當(dāng)前LIBS定標(biāo)樣品的LIBS光譜信號(hào)并在載荷控制器進(jìn)行存儲(chǔ)，直至完成定標(biāo)板所有LIBS定標(biāo)樣品的LIBS光譜信號(hào)的存儲(chǔ)。
[0025](2)在軌拉曼定標(biāo)
[0026]e.載荷控制器按拉曼探測(cè)的需求，設(shè)定好相應(yīng)的TB和TD。將第一塊拉曼定標(biāo)樣品設(shè)為當(dāng)前拉曼定標(biāo)樣品。
[0027]f.載荷控制器根據(jù)存儲(chǔ)器的預(yù)設(shè)值，發(fā)出相應(yīng)的控制指令給二維轉(zhuǎn)動(dòng)控制組件，使其帶動(dòng)二維指向鏡繞水平軸和垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，至指向光軸相交于定標(biāo)板的當(dāng)前拉曼定標(biāo)樣品上。載荷控制器發(fā)出控制指令給光路切換器，使其切換至第二路。
[0028]g.載荷控制器發(fā)出啟動(dòng)指令開啟主激光器。主激光器發(fā)射的一個(gè)1064nm脈沖激光束，先經(jīng)二倍頻器倍頻，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(jìn)，通過保護(hù)窗口向上穿出，再通過二維指向鏡改變行進(jìn)方向沿指向光軸傳輸，擊中當(dāng)前拉曼定標(biāo)樣品。激發(fā)出的斯托