[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

摘要

本发明公开了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。它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。

主权项

一种星球表面几何特征及其物质成份的同步测试系统，它包括：全反镜(3)、旋转多面体扫描镜(4)、X轴步机电机(5)、Y轴步机电机(27)、望远镜系统(6)、1064nm脉冲激光器(7)、扩束镜(8)、凸透镜(9)、主分束镜(10)、次分束镜(11)、光纤耦合器(12)、光纤(13)、1064nm窄带滤光片(14)、PIN光电探测器(15)、激光采样接收器(16)、放大器(17)、计数器(18)、数字延迟脉冲发生器DG535(19)、激光雷达运算电路(20)、光谱仪(21)、增强型成像器件ICCD(22)、激光诱导等离子体信号计算电路(23)、主分析及控制系统(24)、控制信号分配器(25)及激光脉冲控制器(26)，其特征在于：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DG535(19)，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。