護窗口 35向上穿出，再通過二維指向鏡22改變行進方向沿指向光軸44傳輸，聚焦擊中測試點2 ο激發(fā)出的LIBS回波信號沿指向光軸44傳至二維指向鏡22，再由二維指向鏡22反射向下沿主光軸38傳輸，向下通過保護窗口 35，依次經(jīng)主鏡28及次鏡31反射，沿主光軸38向下行進，通過主鏡28中間的圓孔后，經(jīng)中繼透鏡組27聚焦，第一分色片26反射，第二分色片25反射，會聚于紫外可見光譜儀光纖4端面上。由紫外可見光譜儀光纖4收集的LIBS信號經(jīng)光纖復用器5分為短中長波三路，分別沿短波光纖6、中波光纖7、長波光纖8進入短波光譜儀9、中波光譜儀10、長波光譜儀11，再分別由短波CCD探測器17、中波CCD探測器16、長波ICCD探測器15傳感轉(zhuǎn)化為LIBS光譜信號，并送至載荷控制器19進行存儲分析。
[0073]1.火星目標激光拉曼探測
[0074]載荷控制器19發(fā)出控制指令給光路切換器46，使其切換至第二路。載荷控制器19發(fā)出啟動指令開啟主激光器50。主激光器50發(fā)射的一個1064nm脈沖激光束，先經(jīng)二倍頻器42倍頻，倍頻后的脈沖激光束依次經(jīng)拉曼全反鏡37、雙色鏡34反射，沿主光軸38向上行進，通過保護窗口 35向上穿出，再通過二維指向鏡22改變行進方向沿指向光軸44傳輸，擊中測試點2。激發(fā)出的斯托克斯拉曼回波信號沿指向光軸44傳至二維指向鏡22，再由二維指向鏡22反射向下沿主光軸38傳輸，向下通過保護窗口 35，依次經(jīng)主鏡28及次鏡31反射，沿主光軸38向下行進，通過主鏡28中間的圓孔后，經(jīng)中繼透鏡組27聚焦，第一分色片26反射，第二分色片25反射，會聚于紫外可見光譜儀光纖4端面上。由紫外可見光譜儀光纖4收集的斯托克斯拉曼回波信號經(jīng)光纖復用器5沿長波光纖8進入長波光譜儀11，再由長波IC⑶探測器15傳感轉(zhuǎn)化為拉曼光譜信號，并送至載荷控制器19進行存儲分析。
[0075]m.火星目標被動紅外光譜探測
[0076]來自火星外的輻射經(jīng)火星礦物、土壤或巖石目標I上的測試點2鄰近區(qū)域反射后，沿指向光軸44傳至二維指向鏡22，再由二維指向鏡22反射向下沿主光軸38傳輸，向下通過保護窗口 35，依次經(jīng)主鏡28及次鏡31反射，沿主光軸38向下行進，通過主鏡28中間的圓孔后，經(jīng)中繼透鏡組27聚焦，第一分色片26透射后可會聚于紅外光纖23端面上。由紅外光纖23收集的火星目標紅外輻射信號傳輸?shù)郊t外AOTF光譜儀54(注:本實施例光譜范圍850?2400nm)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，轉(zhuǎn)化為紅外光譜信號，送至載荷控制器19進行存儲分析。
[0077](5)聯(lián)合光譜分析
[0078]η.載荷控制器19依據(jù)步驟(I)和(2)在軌定標獲得的定標樣品的LIBS及拉曼光譜數(shù)據(jù)可對光譜儀譜線偏差及常見原子LIBS譜線位置及對稱分子斯托克斯拉曼譜線頻移位置進行修正。在此基礎上，依據(jù)測試點2獲取的LIBS光譜數(shù)據(jù)進行原子組成及定量分析，依據(jù)測試點2獲取的拉曼光譜數(shù)據(jù)進行對稱分子組成及定量分析，再依據(jù)測試點2獲取的紅外光譜數(shù)據(jù)進行非對稱分子組成及定量分析，綜合以上三種原子分子信息，進而進行巖石、土壤及礦物類型鑒別。
【主權(quán)項】
1.一種基于主被動結(jié)合光譜技術的火星物質(zhì)成分分析系統(tǒng)，系統(tǒng)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)、紅外AOTF光譜儀(54)、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(zhuǎn)動控制組件(53)、指向鏡控制電纜(41)及載荷控制器(19),其特征在于: 光學頭部(3)包括自聚焦探測器(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(diào)焦組件(30)、次鏡(31)、次鏡支撐架(32)、自聚焦激光器(33)、雙色鏡(34)、保護窗口(35)、拉曼全反鏡(37)、LIBS全反鏡(39)、轉(zhuǎn)折鏡(40)、二倍頻器(42)、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)、紫外可見光譜儀光纖(4)及紅外光纖(23); 短波光譜儀(9)、中波光譜儀(10)、長波光譜儀(11)、紅外AOTF光譜儀(54)及載荷控制器(19)安裝在火星車內(nèi)，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)—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； 自聚焦探測器(24)、次鏡調(diào)焦組件(30)、自聚焦激光器(33)、光路切換器(46)、及主激光器(50)各自帶有分控制線纜(49)，五路分控制線纜(49)組成光學頭部控制線纜(20)，與載荷控制器(19)相聯(lián)接，用于接收載荷控制器(19)的控制信號，其中自聚焦探測器(24)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(41)與二維轉(zhuǎn)動控制組件(53)相連，用以發(fā)出控制信號，使二維指向鏡(22)繞水平軸和垂直軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，長波光譜儀(11)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拉曼極其微弱的光譜信號；紅外AOTF光譜儀(54)采用AOTF分光，光學頭部(3)的紅外譜段信號通過紅外光纖(23)傳輸?shù)郊t外AOTF光譜儀(54)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； 短波光譜儀(9)、中波光譜儀(10)、長波光譜儀(11)與紅外AOTF光譜儀(54)各自通過USB接口傳輸線(18)與載荷控制器(19)聯(lián)接，向載荷控制器(19)輸出光譜信號并且接收載荷控制器(19)的控制信號，用于同步開啟長波ICCD探測器(15)、中波CCD探測器(16)、短波CXD探測器(17)進行曝光及調(diào)節(jié)曝光時間TB;載荷控制器(19)可給主激光器(50)發(fā)啟動脈沖，并控制主激光器(50)與短波光譜儀(9)、中波光譜儀(10)與長波光譜儀(II)開啟之間的延時TD; 次鏡(31)與主鏡(28)組成卡塞格林望遠鏡結(jié)構(gòu)，次鏡(31)安裝在次鏡支撐架(32)上，可由次鏡調(diào)焦組件(30)控制沿主光軸(38)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(28)安裝在主鏡支撐架(29)上； 主激光器(50)發(fā)射的脈沖激光束經(jīng)光路切換器(46)切換到第一路時，先由擴束準直鏡(45)擴束準直、LIBS全反鏡(39)反射、轉(zhuǎn)折鏡(40)轉(zhuǎn)折后，再由次鏡(31)反射，主鏡(28)反射后，沿主光軸(38)向上行進，通過保護窗口(35)向上穿出，再通過二維指向鏡(22)改變行進方向，實現(xiàn)對目標位置點的激光聚焦；主激光器(50)發(fā)射的脈沖激光束經(jīng)光路切換器(46)切換到第二路時，先經(jīng)二倍頻器(42)進行倍頻，倍頻后的脈沖激光束依次經(jīng)拉曼全反鏡(37)、雙色鏡(34)反射，沿主光軸(38)向上行進，通過保護窗口(35)向上穿出，再通過二維指向鏡(22)改變行進方向，實現(xiàn)對目標位置點的激光照射； 主光軸(38)、第二光軸(36)、第四光軸(48)三者平行；主光軸(38)與第三光軸(47)垂直;主光軸(38)及指向光軸(44)與二維指向鏡(22)的法線共面，滿足反射定律的幾何關系，主光軸(38)與指向光軸(44)的交點為二維指向鏡(22)的中心，定義為主參考點(43);根據(jù)定標板(13)相對于主參考點(43)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(19)的存儲器中作為預設值供調(diào)用，用以實現(xiàn)對定標板(13)上定標樣品的指向和激光聚焦。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于主被動結(jié)合光譜技術的火星物質(zhì)成分分析系統(tǒng)。系統(tǒng)包括光學頭部、短波光譜儀、中波光譜儀、長波光譜儀、紅外AOTF光譜儀、定標板、二維指向鏡、指向鏡控制電纜及載荷控制器。基于該系統(tǒng)可聯(lián)合主動激光光譜與被動紅外光譜技術實現(xiàn)火星原子、對稱分子、非對稱分子的聯(lián)合探測。本專利主動LIBS光譜探測可實現(xiàn)物質(zhì)原子的定性與定量分析，主動時域激光拉曼探測可實現(xiàn)物質(zhì)對稱分子的定性與定量分析，被動紅外光譜探測可實現(xiàn)物質(zhì)非對稱分子的定性與定量分析。主被動光譜結(jié)合同時實現(xiàn)物質(zhì)原子、對稱分子、非對稱分子的探測，進而實現(xiàn)火星巖石、土壤、礦物等的分類與識別。本實用新型擴大火星物質(zhì)分析范圍，保持了系統(tǒng)的緊湊便捷性。
【IPC分類】G01N21/65
【公開號】CN205246541
【申請?zhí)枴緾N201520979098
【發(fā)明人】舒嶸, 萬雄, 徐衛(wèi)明, 閻志欣, 章婷婷, 劉鵬希
【申請人】中國科學院上海技術物理研究所
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2015年12月1日