双重复用激光光谱火星矿物成分分析系统及方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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】
[0007]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。
[0008]本发明是这样来实现的:
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]短波光谱仪、中波光谱仪与长波光谱仪均采用Czerny-Turner形式的平面光栅光谱仪结构，传感器均采用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。短波光谱仪、中波光谱仪与长波光谱仪各自通过USB接口传输线与载荷控制器联接，向载荷控制器输出光谱信号并且接收载荷控制器的控制信号，用于同步开启长波ICCD探测器、中波ICCD探测器、短波ICCD探测器进行曝光及调节曝光时间TB。载荷控制器可给主激光器发启动脉冲，并控制主激光器与短波光谱仪、中波光谱仪与长波光谱仪开启之间的延时TD。
[0014]次镜与主镜组成卡塞格林望远镜结构。次镜安装在次镜支撑架上，可由次镜调焦组件控制沿主光轴平移，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。主镜安装在主镜支撑架上。
[0015]主激光器发射的脉冲激光束经光路切换器切换到第一路时，先由扩束准直镜扩束准直、LIBS全反镜反射、转折镜转折后，再由次镜反射，主镜反射后，沿主光轴向上行进，通过保护窗口向上穿出，再通过二维指向镜改变行进方向，实现对目标位置点的激光聚焦。
[0016]二倍频器、三倍频器与四倍频器安装在倍频选择机构上，可由倍频选择机构控制选择二倍频器、三倍频器、或是四倍频器切入第二光轴。主激光器发射的脉冲激光束经光路切换器切换到第二路时，先经二倍频器、三倍频器、或是四倍频器进行倍频，倍频后的脉冲激光束依次经拉曼全反镜、多色镜反射，沿主光轴向上行进，通过保护窗口向上穿出，再通过二维指向镜改变行进方向，实现对目标位置点的激光照射。(注:没通过卡塞格林望远镜，非聚焦模式)
[0017]主光轴、第二光轴、第四光轴三者平行；主光轴与第三光轴垂直；主光轴及指向光轴与二维指向镜的法线共面，满足反射定律的几何关系，主光轴与指向光轴的交点为二维指向镜的中心，定义为主参考点。根据定标板相对于主参考点的空间位置，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的存储器中作为预设值供调用，用以实现对定标板上定标样品的指向和激光聚焦。
[0018]基于双重复用激光光谱火星矿物成分分析系统的火星探测按以下步骤进行:
[0019](1)在轨 LIBS 定标
[0020]a.将第一块LIBS定标样品设为当前LIBS定标样品。
[0021]b.载荷控制器根据存储器的预设值，发出相应的控制指令给二维转动控制组件，使其带动二维指向镜绕水平轴和垂直轴转动，至指向光轴相交于定标板的当前LIBS定标样品上。
[0022]c.载荷控制器根据存储器的预设值，发出相应的控制指令给次镜调焦组件，使卡塞格林望远镜的焦点可准确落在指向光轴与定标板的当前LIBS定标样品的相交点上。载荷控制器发出控制指令给光路切换器，使其切换至第一路。载荷控制器按LIBS探测的需求，设定好相应的TB和TD。载荷控制器发出启动指令开启主激光器，主激光器发出一个1064nm脉冲激光束先由扩束准直镜扩束准直、LIBS全反镜反射、转折镜转折后，再由次镜反射，主镜反射后，沿主光轴向上行进，通过保护窗口向上穿出，再通过二维指向镜改变行进方向沿指向光轴传输，聚焦击中定标板的当前LIBS定标样品。激发出的LIBS回波信号沿指向光轴传至二维指向镜，再由二维指向镜反射向下沿主光轴传输，向下通过保护窗口，依次经主镜及次镜反射，沿主光轴下行进，通过主镜中间的圆孔后，经中继透镜组聚焦，第一分色片反射，第二分色片反射，会聚于紫外可见光谱仪光纤端面上。由紫外可见光谱仪光纤收集的LIBS信号经光纤复用器分为短中长波三路，分别沿短波光纤、中波光纤、长波光纤进入短波光谱仪、中波光谱仪、长波光谱仪，再分别由短波ICCD探测器、中波ICCD探测器、长波ICCD探测器传感转化为LIBS光谱信号，并送至载荷控制器进行存储分析。
[0023]d.依次将第二块、第三块、…、直至最后一块LIBS定标样品设为当前LIBS定标样品。不断重复步骤b.与c.，采集当前LIBS定标样品的LIBS光谱信号并在载荷控制器进行存储，直至完成定标板所有LIBS定标样品的LIBS光谱信号的存储。
[0024](2)在轨拉曼定标
[0025]e.载荷控制器按拉曼探测的需求，设定好相应的TB和TD。将第一块拉曼定标样品设为当前拉曼定标样品。
[0026]f.载荷控制器根据存储器的预设值，发出相应的控制指令给二维转动控制组件，使其带动二维指向镜绕水平轴和垂直轴转动，至指向光轴相交于定标板的当前拉曼定标样品上。载荷控制器发出控制指令给光路切换器，使其切换至第二路。
[0027]g.载荷控制器发出控制指令给倍频选择机构，由倍频选择机构控制选择二倍频器切入第二光轴。载荷控制器发出启动指令开启主激光器。主激光器发射的一个1064nm脉冲激光束，先经二倍频器倍频，倍频后的脉冲激光束依次经拉曼全反镜、多色镜反射，沿主光轴向上行进，通过保护窗口向上穿出，再通过二维指向镜改变行进方向沿指向光轴传输，击中当前拉曼定标样品。激发出的斯托克斯拉曼回波信号沿指向光轴传至二维指向镜，再由二维指向镜反射向下沿主光轴传输，向下通过保护窗口，依次经主镜及次镜反射，沿主光轴向下行进，通过主镜中间的圆孔后，经中继透镜组聚焦，第一分色片反射，第二分色片反射，会聚于紫外可见光谱仪光纤端面上。由紫外可见光谱仪光纤收集的斯托克斯拉曼回波信号经光纤复用器沿长波光纤进入长波光谱仪，再由长波ICCD探测器传感转化为长波谱段拉曼光谱信号，并送至载荷控制器进行存储分析。
[0028]h.载荷控制器发出控制指令给倍频选择机构，由倍频选择机构控制选择三倍频器切入第二光轴。载荷控制器发出启动指令开启主激光器。主激光器发射的一个1064nm脉冲激光束，先经三倍频器倍频，三倍频后的脉冲激光束依次经拉曼全反镜、多色镜反射，沿主光轴向上行进，通过保护窗口向上穿出，再通过二维指向镜改变行进方向沿指向光轴传输，击中当前拉曼定标样品。激发出的斯托克斯拉曼回波信号沿指向光轴传至二维指向镜，再由二维指向镜反射向下沿主光轴传输，向下通过保护窗口，依次经主镜及次镜反射，沿主光轴向下行进，通过主镜中间的圆孔后，经中继透镜组聚焦，第一分色片反射，第二分色片反射，会聚于紫外可见光谱仪光纤端面上。由紫外可见光谱仪光纤收集的斯托克斯拉曼回波信号经光纤复用器沿中波光纤进入长波光谱仪，再由中波ICCD探测器传感转化为中波谱段拉曼光谱信号，并送至载荷控制器进行存储分析。
[0029]1.载荷控制器发出控制指令给倍频选择机构，由倍频选择机构控制选择四倍频器切入第二光轴。载荷控制器发出启动指令开启主激光器。主激光器发射的一个1064nm脉冲激光束，先经四倍频器倍频，四倍频后的脉冲激光束依次经拉曼全反镜、多色镜反射，沿主光轴向上行进，通过保护窗口向上穿出，再通过二维指向镜改变行进方向沿指向光轴传输，击中当前拉曼定标样品。激发出的斯托克斯拉曼回波信号沿指向光轴传至二维指向镜，再由二维指向镜反射向下沿主光轴传输，向下通过保护窗口，依次经主镜及次镜反射，沿主光轴向下行进，通过主镜中间的圆孔后，经中继透镜组聚焦，