[发明专利]双重复用激光光谱火星矿物成分分析系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光光谱探测方法,尤其涉及一种采用双重复用激光光谱 技术的远程矿物成分分析方法，适用于火星表面矿物成分分析，属于光电探测 领域。

背景技术

在深空探测的火星表面矿物成分分析中，由于载人火星登陆技术尚未成熟， 需要使用无人操作的远程自动探测方法。相对于其它的远程物质成分探测方法， 激光光谱类探测方法因其无需样品制备，分析速度快，可同时进行多元素分析 和微量元素检测，可以清除样品表面尘埃层和深入样品内部进行测量等优点已 经或即将得到应用。

在激光光谱探测中，激光诱导击穿光谱(简称LIBS)是一种典型的物质元素 探测方法，已在美国“好奇号”火星物质探测上得到应用。激光拉曼光谱技术 可以有效提供地质和矿物成分信息，尤其是与水有关的过程(例如，化学风化， 化学沉淀如卤水等)。此外它能够检测各种各样的有机官能团，并为有机物和某 些关键颜料探测提供检测手段，可用于评估火星地质环境可居住性的优劣。

采用单一的LIBS技术能对火星表面的主要元素进行探测，但无法探测分子 组成形式和有机官能团。

远程LIBS光谱与激光拉曼光谱技术的联合探测，可发挥合自的优势，有效 扩大火星表面矿物分析的范围。但需要解决一些关键技术问题，如常规激光拉 曼采用连续窄线宽激光器，而LIBS采用窄脉冲低重频激光器，为解决探测装置 的紧凑便捷性，光源及探测器如何复用的问题；以及时域分辨脉冲激光拉曼信 号的探测及两种光谱信号的时序分配问题；此外由于激光诱导荧光的影响，时 域斯托克斯拉曼信号常被荧光信号覆盖，需采用多个波长进行激发以相互补充， 减少荧光干扰，提高分子探测全面性等。

针对单一激光光谱方法的不足，本发明提出一种双重复用激光光谱探测系 统与方法，采用同一脉冲激光源与三个倍频模块实现光源的复用；采用相同长 中短波三路光谱仪及相应的谱段ICCD面阵探测器，实现分光与光谱探测的复 用；此外，远程微区成像及激光自聚焦功能的实现也共享了主光路；以上硬件 结构的复用在有效扩大火星矿物分析范围的同时，保持了系统的紧凑便捷性， 适合火星探测工程的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种火星物质识别的双重复用激光光谱探测系统与 方法，在有效扩大物质成分探测类型的同时，满足航天探测系统的体积功耗等 要求。

本发明是这样来实现的：

本发明提出的双重复用激光光谱火星矿物成分分析系统主要包括光学头 部、光纤复用器、短波光纤、中波光纤、长波光纤、短波光谱仪、中波光谱仪、 长波光谱仪、定标板支架、定标板、指向镜支架、二维指向镜、二维转动控制 组件、指向镜控制电缆及载荷控制器。

其中，光学头部主要由显微成像探测器、自聚焦探测器、第二分色片、第 一分色片、中继透镜组、主镜、主镜支撑架、次镜调焦组件、次镜、次镜支撑 架、自聚焦激光器、多色镜、保护窗口、拉曼全反镜、LIBS全反镜、转折镜、 倍频选择机构、二倍频器、三倍频器、四倍频器、扩束准直镜、光路切换器、 分控制线缆、主激光器、尾部保护罩、光学头部控制线缆及紫外可见光谱仪光 纤组成。

短波光谱仪、中波光谱仪、长波光谱仪及载荷控制器安装在火星车内。定 标板由若干块LIBS及拉曼定标样品组成，通过定标板支架安装在火星车顶板 上；指向镜支架底部安装在火星车顶板上，并在该处开有圆孔，二维指向镜安 装在指向镜支架上方；光学头部上方开有透明保护窗口，其形状尺寸与圆孔 一致，光学头部安装在火星车顶板下面，安装位置保证透明保护窗口与圆孔位 置一致。

显微成像探测器、自聚焦探测器、次镜调焦组件、自聚焦激光器、光路切 换器、倍频选择机构及主激光器各自带有分控制线缆，七路分控制线缆组成光 学头部控制线缆，与载荷控制器相联接，用于接收载荷控制器的控制信号，其 中显微成像探测器与自聚焦探测器还可通过光学头部控制线缆向载荷控制器 反馈测量信息。载荷控制器通过指向镜控制电缆与二维转动控制组件相连，用 以发出控制信号，使二维指向镜绕水平轴和垂直轴转动，实现二维指向。