[发明专利]星球表面几何特征及其物质成份的同步测试系统及方法

说明书

技术领域

本专利涉及几何特征及其物质成份的测试技术，具体指一种同时获取星球表面三维形貌及物质成份的激光测试系统及方法，它用于深空探测中外星球表面目标区域几何特征及物质化学成份的同步分析。

背景技术

在深空探测中，对外星球表面形貌及物质成份分析是一项重要的任务。传统的测试往往是表面形貌测试及物质化学成份分析采用不同的系统，分开进行，其缺点是无法将几何特征点与其物质成份一一对应，并且因采用了两套系统增加了星球着陆器的载荷，增加了深空探测的成本。因此如何把几何特征点表面形貌与其物质成份探测结合起来，设计新的探测系统及方法，减少着陆器载荷具有重要的意义。

本专利针对星球表面形貌及物质成份分析系统中存在的一些问题，提出一种星球表面几何特征及其物质成份的同步测试系统及方法，该系统及方法可在同一套系统中，把星球表面目标区域几何特征点表面形貌及其物质成份同时探测出来，可减小着陆器的载荷，提高深空探测的经济性。

发明内容

本专利的目的是提供一种深空探测中，星球表面几何特征及其物质成份的同步测试系统及方法。该方法采用主分析及控制系统发出控制信号启动控制信号分配器，由控制信号分配器将控制信号分别传送至X轴步机电机，Y轴步机电机及激光脉冲控制器，以启动红外脉冲激光器聚焦至星球表面扫描区域的不同特征点。回波信号中的1064nm激光反射信号被PIN光电探测器接收，得到聚焦点距离并经一定的延时后，控制增强型成像器件ICCD进行曝光，获取光谱仪分光后的等离子体光谱图像，根据不同的谱线分布，分析该星球表面聚焦点的物质成份。完成星球表面扫描区域所有点的扫描后，重建出区域的三维表面形貌并同时标定出表面各特征点的物质成份。

本专利的技术方案是这样来实现的，当星球着陆器到达离星球表面目标区域上方一定高度时悬停，由主分析及控制系统发出第一个目标区域特征点X及Y轴转动角度值信号，带动旋转多面体扫描镜旋转至预定位置并启动1064nm脉冲激光器。脉冲激光分为两路：一路直接通过主分束镜被激光采样接收器接收后立即启动计数器开始计数；另一路被主分束镜反射后，经聚焦光学系统聚焦后打到星球表面聚焦点。星球表面聚焦点被脉冲激光击中后，回波信号中既有1064nm的激光反射信号又包含激光脉冲诱导产生的等离子体辐射光谱信号。回波信号逆向通过聚焦光学系统后被次分束镜分成光程相等的两路：一路直接通过分束镜，经光纤耦合器入射进光纤，由光谱仪内的衍射光栅对激光诱导产生的等离子体光谱信号进行分光；一路被分束镜反射后通过1064nm窄带滤光片，回波信号中的1064nm激光反射信号被PIN光电探测器接收，经放大器放大后，控制计数器停止计数同时启动数字延迟脉冲发生器DG535，经一定的延时后，控制增强型成像器件ICCD进行曝光，获取光谱仪分光后的等离子体光谱图像。激光诱导等离子体信号计算电路根据不同的谱线分布，分析该星球表面聚焦点的物质成份；同时激光雷达运算电路根据计数器的数字及真空中的光速可计算出该聚焦点离PIN光电探测器的距离，并通过坐标变换得到该聚焦点对应的目标区域平面坐标，以重建目标区域三维表面形貌；激光诱导等离子体信号计算电路及激光雷达运算电路运算结束后，将结果送至主分析及控制系统，综合两者信息可同步得出这一聚焦点几何特征及物质成份信息。然后由主分析及控制系统发出下一个目标区域特征点控制信号，带动旋转多面体扫描镜旋转至下一个预定位置；重复以上信号采集及分析过程，可得下一个目标区域特征点的几何特征及物质成份信息。当完成整个目标区域扫描后，可重建出区域的三维表面形貌并同时标定出表面各点的物质成份。

附图说明

图1为本专利的原理图，图中：1——星球表面；2——表面聚焦点；3——全反镜；4——旋转多面体扫描镜；5X轴步机电机；6——望远镜系统；7——1064nm脉冲激光器；8——扩束镜；9——凸透镜；10——主分束镜；11——次分束镜；12——光纤耦合器；13——光纤；14——1064nm窄带滤光片；15——PIN光电探测器；16——激光采样接收器；17——放大器；18——计数器；19——数字延迟脉冲发生器DG535；20——激光雷达运算电路；21——光谱仪；22——增强型成像器件ICCD；23——激光诱导等离子体信号计算电路；24——主分析及控制系统；25——控制信号分配器；26——激光脉冲控制器；27——Y轴步机电机。

具体实施方式

本专利的原理如图1所示，当星球着陆器到达离星球表面1目标区域上方一定高度时悬停，由主分析及控制系统24发出第一个目标区域特征点X及Y轴转动角度值信号至控制信号分配器25，由控制信号分配器25将控制信号分别传送至X轴步机电机5，Y轴步机电机27及激光脉冲控制器26。X轴步机电机5及Y轴步机电机27根据接收到的控制信号，带动旋转多面体扫描镜4旋转至预定位置；激光脉冲控制器26接收到控制信号后，启动1064nm脉冲激光器7。脉冲激光经扩束镜8、凸透镜9至主分束镜10后分为两路：一路直接通过主分束镜10被激光采样接收器16接收后立即启动计数器18开始计数；另一路被主分束镜10反射后，经望远镜系统6、全反镜3、旋转多面体扫描镜4组成的聚焦光学系统聚焦后打到星球表面聚焦点2。星球表面聚焦点2被脉冲激光击中后，回波信号中既有1064nm的激光反射信号又包含激光脉冲诱导产生的等离子体辐射光谱信号。回波信号逆向通过聚焦光学系统后被次分束镜11分成光程相等的两路：一路直接通过分束镜11，经光纤耦合器12入射进光纤13，由光谱仪21内的衍射光栅对激光诱导产生的等离子体光谱信号进行分光；一路被分束镜11反射后通过1064nm窄带滤光片14，回波信号中的1064nm激光反射信号被PIN光电探测器15接收，经放大器17放大后，控制计数器18停止计数同时启动数字延迟脉冲发生器DG53519，经一定的延时后，控制增强型成像器件ICCD 22进行曝光，获取光谱仪21分光后的等离子体光谱图像。激光诱导等离子体信号计算电路23根据不同的谱线分布，分析该星球表面聚焦点的物质成份；同时激光雷达运算电路20根据计数器18的数字及真空中的光速可计算出该聚焦点离PIN光电探测器15的距离，并通过坐标变换得到该聚焦点对应的目标区域平面坐标，以重建目标区域三维表面形貌；激光诱导等离子体信号计算电路23及激光雷达运算电路20运算结束后，将结果送至主分析及控制系统24，综合两者信息可同步得出这一聚焦点几何特征及物质成份信息。然后由主分析及控制系统24发出下一个目标区域特征点X及Y轴转动角度值信号至控制信号分配器25，由控制信号分配器25将控制信号分别传送至X轴步机电机5，Y轴步机电机27及激光脉冲控制器26。X轴步机电机5及Y轴步机电机27根据接收到的控制信号，带动旋转多面体扫描镜4旋转至下一个预定位置；重复以上信号采集及分析过程，可得下一个目标区域特征点的几何特征及物质成份信息。当完成整个目标区域扫描后，可重建出区域的三维表面形貌并同时标定出表面各点的物质成份。