[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

摘要

本实用新型公开了一种基于主被动结合光谱技术的火星物质成分分析系统。系统包括光学头部、短波光谱仪、中波光谱仪、长波光谱仪、红外AOTF光谱仪、定标板、二维指向镜、指向镜控制电缆及载荷控制器。基于该系统可联合主动激光光谱与被动红外光谱技术实现火星原子、对称分子、非对称分子的联合探测。本专利主动LIBS光谱探测可实现物质原子的定性与定量分析，主动时域激光拉曼探测可实现物质对称分子的定性与定量分析，被动红外光谱探测可实现物质非对称分子的定性与定量分析。主被动光谱结合同时实现物质原子、对称分子、非对称分子的探测，进而实现火星岩石、土壤、矿物等的分类与识别。本实用新型扩大火星物质分析范围，保持了系统的紧凑便捷性。

主权项

一种基于主被动结合光谱技术的火星物质成分分析系统，系统包括光学头部(3)、光纤复用器(5)、短波光纤(6)、中波光纤(7)、长波光纤(8)、短波光谱仪(9)、中波光谱仪(10)、长波光谱仪(11)、红外AOTF光谱仪(54)、定标板支架(12)、定标板(13)、指向镜支架(21)、二维指向镜(22)、二维转动控制组件(53)、指向镜控制电缆(41)及载荷控制器(19)，其特征在于：光学头部(3)包括自聚焦探测器(24)、第二分色片(25)、第一分色片(26)、中继透镜组(27)、主镜(28)、主镜支撑架(29)、次镜调焦组件(30)、次镜(31)、次镜支撑架(32)、自聚焦激光器(33)、双色镜(34)、保护窗口(35)、拉曼全反镜(37)、LIBS全反镜(39)、转折镜(40)、二倍频器(42)、扩束准直镜(45)、光路切换器(46)、分控制线缆(49)、主激光器(50)、尾部保护罩(51)、光学头部控制线缆(20)、紫外可见光谱仪光纤(4)及红外光纤(23)；短波光谱仪(9)、中波光谱仪(10)、长波光谱仪(11)、红外AOTF光谱仪(54)及载荷控制器(19)安装在火星车内，定标板(13)由若干块LIBS及拉曼定标样品组成，通过定标板支架(12)安装在火星车顶板(14)上；指向镜支架(21)底部安装在火星车顶板(14)上，并在该处开有圆孔(52)，二维指向镜(22)安装在指向镜支架(21)上方；光学头部(3)上方开有透明保护窗口(35)，其形状尺寸与圆孔(52)一致，光学头部(3)安装在火星车顶板(14)下面，安装位置保证透明保护窗口(35)与圆孔(52)位置一致；自聚焦探测器(24)、次镜调焦组件(30)、自聚焦激光器(33)、光路切换器(46)、及主激光器(50)各自带有分控制线缆(49)，五路分控制线缆(49)组成光学头部控制线缆(20)，与载荷控制器(19)相联接，用于接收载荷控制器(19)的控制信号，其中自聚焦探测器(24)可通过光学头部控制线缆(20)向载荷控制器(19)反馈测量信息；载荷控制器(19)通过指向镜控制电缆(41)与二维转动控制组件(53)相连，用以发出控制信号，使二维指向镜(22)绕水平轴和垂直轴转动，实现二维指向；短波光谱仪(9)、中波光谱仪(10)与长波光谱仪(11)均采用Czerny‑Turner形式的平面光栅光谱仪结构，长波光谱仪(11)的传感器采用ICCD面阵传感器，其极高灵敏度可保证LIBS探测的同时传感脉冲激光诱导拉曼极其微弱的光谱信号；红外AOTF光谱仪(54)采用AOTF分光，光学头部(3)的红外谱段信号通过红外光纤(23)传输到红外AOTF光谱仪(54)的狭缝上，再经过准直镜将光束准直后，通过AOTF分光和会聚镜组到达探测器上，可获取火星目标的被动红外高分辨率光谱，用于矿物分析和岩石识别；短波光谱仪(9)、中波光谱仪(10)、长波光谱仪(11)与红外AOTF光谱仪(54)各自通过USB接口传输线(18)与载荷控制器(19)联接，向载荷控制器(19)输出光谱信号并且接收载荷控制器(19)的控制信号，用于同步开启长波ICCD探测器(15)、中波CCD探测器(16)、短波CCD探测器(17)进行曝光及调节曝光时间TB；载荷控制器(19)可给主激光器(50)发启动脉冲，并控制主激光器(50)与短波光谱仪(9)、中波光谱仪(10)与长波光谱仪(11)开启之间的延时TD；次镜(31)与主镜(28)组成卡塞格林望远镜结构，次镜(31)安装在次镜支撑架(32)上，可由次镜调焦组件(30)控制沿主光轴(38)平移，从而改变卡塞格林望远镜的焦距，实现不同距离的激光聚焦；主镜(28)安装在主镜支撑架(29)上；主激光器(50)发射的脉冲激光束经光路切换器(46)切换到第一路时，先由扩束准直镜(45)扩束准直、LIBS全反镜(39)反射、转折镜(40)转折后，再由次镜(31)反射，主镜(28)反射后，沿主光轴(38)向上行进，通过保护窗口(35)向上穿出，再通过二维指向镜(22)改变行进方向，实现对目标位置点的激光聚焦；主激光器(50)发射的脉冲激光束经光路切换器(46)切换到第二路时，先经二倍频器(42)进行倍频，倍频后的脉冲激光束依次经拉曼全反镜(37)、双色镜(34)反射，沿主光轴(38)向上行进，通过保护窗口(35)向上穿出，再通过二维指向镜(22)改变行进方向，实现对目标位置点的激光照射；主光轴(38)、第二光轴(36)、第四光轴(48)三者平行；主光轴(38)与第三光轴(47)垂直；主光轴(38)及指向光轴(44)与二维指向镜(22)的法线共面，满足反射定律的几何关系，主光轴(38)与指向光轴(44)的交点为二维指向镜(22)的中心，定义为主参考点(43)；根据定标板(13)相对于主参考点(43)的空间位置，即距离和方位角，可算出对应二维指向镜的角度值及卡塞格林望远镜的焦距值，这些值储存在载荷控制器(19)的存储器中作为预设值供调用，用以实现对定标板(13)上定标样品的指向和激光聚焦。