[实用新型]基于主被动结合光谱技术的火星物质成分测试系统

说明书

技术领域

本专利涉及一种激光光谱探测方法,尤其涉及一种采用主被动结合光谱技 术的远程物质成分分析系统，适用于火星表面物质成分分析，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。以 上两类需采用主动激光源，属于主动光谱方法。

而短波红外光谱仪用于检测物质的短波红外发射或反射光谱，无需光源， 属于被动光谱方法，它可以进行火星表面矿物和岩石的探测，许多矿物在短波 红外波段具有可分辨的吸收和反射特征，对物质识别及含量分析具有重要意义。 激光拉曼光谱方法对于对称分子分析有效，而短波红外光谱方法对非对称分子 分析有效。

远程LIBS光谱与激光拉曼光谱技术及被动近红外光谱联合探测，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；以及主被动光谱光路 复用问题等。

针对单一光谱方法用于火星物质成分分析的不足，本专利提出采用主被动 结合光谱技术的远程物质成分分析系统与方法，采用LIBS光谱与激光拉曼光谱 技术及被动近红外光谱联合探测，可同时实现物质原子、对称分子、非对称分 子的探测，由于复用光源、望远光路及光谱仪等，在有效扩大火星物质分析范 围的同时，保持了系统的紧凑便捷性。

发明内容

本专利的目的在于提供一种用于火星物质成分分析的主被动光谱结合的系 统，可同时实现物质原子、对称分子、非对称分子的探测，能满足火星探测系 统的体积功耗等要求。

本专利是这样来实现的：

本专利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、红外AOTF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、 双色镜、保护窗口、拉曼全反镜、LIBS全反镜、转折镜、二倍频器、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、 紫外可见光谱仪光纤及红外光纤组成。

短波光谱仪、中波光谱仪、长波光谱仪、红外AOTF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。

自聚焦探测器、次镜调焦组件、自聚焦激光器、光路切换器、及主激光器 各自带有分控制线缆，五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，其中自聚焦探测器可通过光学头部 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。