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； 1-4).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1-2)与1-3)，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； 2)在轨拉曼定标 2-1).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； 2-2).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； 2-3).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； 2-3).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； 2-4).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，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短波光纤进入短波光谱仪，再由短波ICCD探测器传感转化为短波谱段拉曼光谱信号，并送至载荷控制器进行存储分析； 2-5).依次将第二块、第三块、…、直至最后一块拉曼定标样品设为当前拉曼定标样品。不断重复步骤2-2)至2-5)，采集当前拉曼定标样品的长、中、短波谱段拉曼光谱信号并在载荷控制器进行存储，直至完成定标板所有拉曼定标样品的拉曼光谱信号的存储； 3)火星目标自聚焦 3-1).载荷控制器发出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，至指向光轴指向火星车前下方探测区域的某一火星矿物、土壤或岩石目标；指向光轴与火星矿物、土壤或岩石目标的交点为测试点； 3-2).载荷控制器发出启动指令给自聚焦激光器，自聚焦激光器发射出连续激光束向上透射过多色镜，再上穿保护窗口，通过二维指向镜改变行进方向沿指向光轴传输，连续照射测试点；测试点反射的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，第二分色片透射，会聚于自聚焦探测器；自聚焦探测器将其传感的回波强度值传送给载荷控制器进行分析，载荷控制器发出控制指令给次镜调焦组件，连续改变卡塞格林望远镜的焦距，直至自聚焦探测器传感的回波强度值达到峰值，此时，测试点即为卡塞格林望远镜的聚焦点； 4)火星目标探测 4-1).火星目标LIBS探测 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，聚焦击中测试点；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； 4-2).火星目标激光拉曼探测 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，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，击中测试点。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。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，击中测试点；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；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，击中测试点；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短波光纤进入短波光谱仪，再由短波ICCD探测器传感转化为短波谱段拉曼光谱信号，并送至载荷控制器进行存储分析； 4-3).远程微区成像 测试点邻近微区反射的自然光线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，第一分色片透射后可会聚于显微成像探测器上；此时，由载荷控制器发出控制指令启动显微成像探测器进行曝光，获得远程测试点微区图像，将其传至载荷控制器进行存储分析； 5)联合光谱分析 载荷控制器依据步骤1)和2)在轨定标获得的定标样品的LIBS及长中短波段拉曼光谱数据可对光谱仪谱线偏差及常见原子LIBS谱线位置及分子长中短波段斯托克斯拉曼谱线频移位置进行修正；在此基础上，依据测试点获取的LIBS光谱数据进行原子组成及定量分析，综合长中短波段拉曼光谱数据进行测试点分子组成及定量分析，进而进行岩石、土壤及矿物类型鉴别；远程测试点微区图像用于辅助判定火星探测目标种类、测试点的位置及周围地质结构、测试点的激光烧蚀面积及深度、各测试点间的空间几何关系。
【专利摘要】本发明公开了一种双重复用激光光谱火星矿物成分分析系统及方法。系统包括光学头部、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。基于该系统可联合激光诱导等离子体光谱与激光拉曼实现原子分子联合探测。本发明提供了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；本发明有效扩大火星矿物分析范围时，系统紧凑便捷，减少荧光干扰，提高分子探测全面性。
【IPC分类】G01N21/65
【公开号】CN105372225
【申请号】CN201510864436
【发明人】舒嵘, 万雄, 徐卫明, 阎志欣, 章婷婷, 刘鹏希
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年12月1日