行星表面物质及大气远程原位综合测试系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种行星表面物质及大气远程原位综合测试系统。整个系统包括：小型脉冲固体激光器、卡塞格林望远系统、一维精密移动平台、连续光指示定位激光器、各种光学器件以及中阶梯光谱仪、ICCD、高分辨率相机以及光电倍增管等等。本发明装置系统和方法在同一套系统中实现激光诱导击穿光谱（LIBS）、拉曼光谱（Raman）以及激光雷达等技术联用，该发明采用模块化设计，集成度高、体积小、重量轻。可实现远距离表面显微成像、远距离物质元素分析、远距离物质成分分析以及行星边界层大气探测。
【专利说明】行星表面物质及大气远程原位综合测试系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及物质元素及成分测试技术，具体涉及一种行星表面物质及大气远程原位综合测试系统。
【背景技术】
[0002]对行星表面微观形貌、岩石/ 土壤元素组成、矿物物质成分以及大气探测在深空探测中的重要任务，各国纷纷研制了不同类型的分析仪器，主要有显微成像仪、热成像仪、拉曼光谱仪、红外光谱仪、α粒子X射线质谱仪(APXS)、X射线荧光分析仪等。其中大气探测有如美国“凤凰号”中的激光雷达，激光诱导击穿光谱(LIBS)技术作为表征物质元素的新方法也已经在美国的“好奇号”上得到应用。
[0003]上述探测任务分别采用不同的系统，分开进行，增加了载荷的重量和成本。因此如何把星表面微观形貌、岩石/ 土壤元素组成、矿物物质成分以及大气探测等多种探测任务结合起来，设计新的联合探测系统及方法，提供一种紧凑的多功能仪器装置和方法，对未来深空探测具有重要的意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种紧凑的能够获取行星表面远程显微图片及定性和定量分析行星表面物质的综合测试系统。
[0005]本发明的技术解决方案是:
[0006]行星表面物质及大气远程原位综合测试系统，包括激光定位系统、远程LIBS系统、远程Raman系统、激光雷达系统以及安装调节底座；
[0007]所述激光定位系统包括连续激光器(3)、全反镜(5)、卡塞格林光学系统、一维平移台(13)、分束镜一(21)、分束镜二(19)、CXD (20);所述卡塞格林光学系统包括光学保护窗口(2)、卡塞格林遮光罩(10)、主镜(14)、次镜(12);所述光学保护窗口(2)设置在卡塞格林遮光罩(10)的正前方；所述全反镜设置在光学保护窗口和次镜之间，用于将连续激光器
(3)的出射光反射至卡塞格林光学系统正前方；所述次镜(12)设置在一维平移台(13)上，所述一维平移台(13)能够带动次镜沿卡塞格林光学系统轴线平移；所述分束镜一设置在主镜(14)正后方，所述分束镜二设置在分束镜一的反射光路上，所述CXD设置在分束镜二的反射光路上；
[0008]所述远程LIBS、远程Raman系统、激光雷达系统包括双波长脉冲激光器(7)、45°双色镜(6)、半透半反镜(4)、扩束器(8)、准直透镜(9)、低通滤波片(11)、分束镜一(21)、分束镜二( 19)、会聚透镜(18)、陷波滤波片(17)、光纤探头、光谱仪、ICXD ;所述双色镜设置在双波长脉冲激光器的出射光路上，所述半透半反镜设置在双色镜透射光路和连续激光器出射光路的交汇处；所述扩束器、准直透镜、低通滤波片依次设置在双色镜的反射光路上，且低通滤波片位于双色镜反射光路和卡塞格林光学系统轴线交汇处；会聚透镜、陷波滤波片、光纤探头依次设置在分束镜二的透射光路上，光纤探头与光谱仪通过光纤连接；所述至少一组激光雷达探测单元依次设置在分束镜一的正后方，激光雷达探测单元包括窄带滤波片(22、23、24)、位于窄带滤波片反射光路上的透镜(25、26、27)、设置在透镜后方的光电倍增管(28、29、30)；
[0009]所述安装调节底座包括底座(33)、360°水平旋转机构(32)、180°倾斜角度旋转机构(31)、至少一组探测单元；所述360°水平旋转机构32设置在底座上，所述180°倾斜角度旋转机构设置在360°水平旋转机构上，所述激光定位系统、远程LIBS系统、远程Raman系统、激光雷达系统均固定在180°倾斜角度旋转机构上。
[0010]基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定和改进:
[0011]上述连续激光器(3)为650nm连续激光器；所述双波长脉冲激光器为1064nm/532nm脉冲激光器；所述光谱仪为带时间分辨具有时间延迟控制的ICCD光谱仪；所述半透半反镜(4)采用透650nm反532nm反射镜；所述双色镜(6)镀双波长分束膜，工作角度为45，对532nm激光完全透射，对1064nm激光反射；所述分光镜(11)镀宽光谱分束膜，工作角度为45°，对出射1064nm激光反射，对收集到的光谱透射；所述分光镜二(19)镀宽光谱分束膜，工作角度为45°，对可见光和收集光谱进行分离，使部分可见光以20%左右的采样量进入CCD相机；所述窄带滤光片(22、23、24)将部分后向散射回来的光学信号进行分光，镀窄带光谱分束膜，工作角度为45°。
[0012]上述的光学保护窗口(2)为一施密特校正板，内侧面为平面,外侧面为非球面。
[0013]本发明的优点是:
[0014]LIBS和Raman以及激光雷达系统联用系统共用一个光路系统，LIBS-Raman系统共用激光器、望远镜、光谱仪。其中，LIBS-Raman仪器使用LIBS模式，激光可以去除土壤、岩石表面的尘埃和风化层，深入分析土壤/岩石真实成分，这种方式相对于单独使用Raman具有不可比拟的优势。系统工作于激光雷达模式可以实现行星边界层大气探测。整个系统采用模块化设计，体积小、重量轻、功能多，具有对目标的快速定位，快速采样和遥感探测功能，这些探测优势综合起来可以使得登陆车在有限的工作时间里返回更多、更有效的探测数据，极大的提高了探测效率。
[0015]该装置的自动聚焦合理利用空间。由于测试样品与LIBS系统距离不确定的缘故，此时测试样品上的焦斑大小不一定能达到所需的阈值范围内，因此需要自动调焦以确保激光处于最佳聚焦状态。此时，对准激光二极管发出连续激光，与主激光共光路聚焦到样品上。同时，通过一维平移台的步进电机同步调整次镜的轴向位置来改变激光的聚焦状态，对该波长的反射光进行收集、探测，并由系统实时分析返回信号的信噪比，当其信噪比达到峰值时即可判定达到最佳聚焦状态。由于之前主激光与对准二极管的已标定至同焦状态，因此也可以判定LIBS主激光也处于最佳的对准状态。
[0016]双波长脉冲激光器实现试用一套收集系统对LIBS和Raman光谱以及激光雷达有效收集。由光谱仪发出脉冲信号给双波长脉冲激光器输出532nm和1064nm激光，通过45°双色镜将532nm和1064nm激光分成相互垂直的两路，532nm激光透射，1064nm激光经过多次反射后进入卡塞格林光学系统，汇聚样品表面产生等离子体，通过卡塞格林光学系统收集，之后经过相应的延迟时间和ICCD门宽控制，由光谱仪对LIBS光谱信号进行探测，实现物质元素分析。透射的532nm激光通过全反镜直接照到样品表面产生Raman光谱，反向散射的Raman信号通过卡塞格林光学系统收集，之后经过相应的延迟时间和CCD门宽控制，由光谱仪对Raman光谱信号进行探测，实现物质分子结构分析。
[0017]光谱收集系统收集能力。等离子体光的光谱范围为240?850nm，包括了 Raman光谱范围，其反射或漫反射发散角通常很小完全在卡塞格林的收光孔径范围之内。等离子体光谱进入主反射镜后依次进入由分光镜，陷波滤波片、最后由透镜汇聚至光谱仪光纤的接收端面上。经过狭缝后由带时间分辨的ICCD光谱仪进行光谱探测。
[0018]样品成像拍照。LIBS说着Raman工作的同时，样品表面可见光的部分将由望远镜成像最终由分光镜反射部分光进入成像CCD，从而实现对样品表面远程显微成像。结合该点的LIBS元素分析和Raman物质结构分析，可以重建样品三维相貌并标示出各个点的元素成分及相应的物质。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明系统的结构示意图。I一星球表面；2—光学保护窗口 ；3—连续激光器；4一半透半反镜；5—全反镜；6—45°双色镜；7—双波长脉冲激光器；8—扩束器；9一准直透镜；10—卡塞格林遮光罩；11 一低通滤波片；12—卡塞格林次镜；13—一维平移台；14一卡塞格林主镜；15a — I(XD、15b—中阶梯光谱仪；16—光纤探头；17—陷波滤波片、18—会聚透镜、19一分束镜二、20 — CCD、21—分束镜一、22、23、24—窄带滤光片；25、26、27—透镜；28、29、30 — PMT ;31—180°倾斜角度旋转机构、32— 360°水平旋转机构、33—底座。
[0020]图2为发明实施流程图。
[0021]图3为发明LIBS和Raman光谱采集ICXD门控时序示意图。
[0022]图4为发明一个实施例的LIBS分析结果输示意图(距离12米)。
[0023]图5为发明一个实施例的Raman分析结果输出示意图(距离12米)。
【具体实施方式】
[0024]一种行星表面物质及大气远程原位综合测试系统，整个系统包括四部分，激光定位、远程LIBS、远程Raman以及激光雷达。具体有:连续激光器(3)、反射透射镜(4)、反射镜(全反)、卡塞格林光学系统次镜(12)和主镜(14)、一维平移台(13)、分束镜一(21)、分光镜二(19)、CCD (20);双波长脉冲激光器(7)、双色镜(6)、1064扩束系统(8)、准直透镜(9)、低通滤波片(11)、会聚透镜(18)、陷波滤波片(17)、光纤探头(16a)、光纤(16b) ICCD (15a)、中阶梯光谱仪(15b)、窄带滤光片一(22)、窄带滤光片二(23)、窄带滤光片三(24)、透镜一
[25],透镜二(26),透镜三(27)、PMT —(28)、PMT 二(29)、PMT 三(30)、180° 倾斜角度旋转机构(31)、360°水平旋转机构(32)、底座(33)。双色镜(6)的作用是将双波长脉冲激光器进行分束，即532nm激光完全透射，而1064nm激光反射；镀双波长分束膜，工作角度为45° ;分光镜(11)的作用是使出射1064nm激光反射而收集到的光谱透射，镀宽光谱分束膜，工作角度为45° ;分光镜二(19)作用是将可见光和收集光谱进行分离，使部分可见光以20%左右的采样量进入C⑶相机，镀宽光谱分束膜，工作角度为45° ;窄带滤光片(22、23、24)的作用是将部分后向散射回来的光学信号进行分光，镀窄带光谱分束膜，工作角度为45°。镀膜情况根据具体应用而定，如分析532nm激光与大气气溶胶相互作用的反向瑞利散射或Mie散射信号，则镀532nm窄带膜；如分析CO2气体Raman散射则镀C02分子Raman散射波长371.66nm的窄带膜；分析O2气体，则镀O2气体Raman散射波长375.43nm的窄带膜；同理(NO2分子Raman散射波长为372.1nm, CO分子Raman散射波长为383.7nm, N2分子Raman散射波长为386.7nm)。所述的光学保护窗口(2)为一施密特校正板，一个面为平面，另一个面为非球面，用于窗口保护并矫正球差和彗差。
[0025]调节旋转机构(32)、(31)将卡塞格林望远镜机械系统(10)对准行星表面待测样品(如岩石/ 土壤等)，启动连续激光器(3)，650nm激光通过反射镜照射到样品上，样品通过卡塞格林光学系统将成像在CCD (20)，启动一维平移架(13)，调节卡塞格林光学系统次镜
(12)和主镜(14)之间的距离，当CXD上获得最清晰光斑像点后关闭连续激光器，停止调节卡塞格林次镜系统。开启CCD (20)，测试样品像点的光线经过卡塞格林光学系统收集后经过分束镜一(21)，经过分束镜二分成两束光，一束进入CXD (20)，这束光线用来对测试样品点进行远程显微成像。开启双波长脉冲激光器(7)，激光通过双色镜(6)两个波长的激光被分成相互垂直方向传输，1064nm激光反射后通过扩束器(8),准直透镜(9)和低通滤波片(11)进入卡塞格林光学系统，通过卡塞格林光学系统主次镜汇聚到样品表面产生等离子体，等离子体经过卡塞格林光学系统收集后经过分束镜一(21 )，经过分束镜二分成两束光，一束通过会聚透镜(18)和光纤探头进入带时间分辨的ICCD光谱仪，对样品表面被激发的等离子体光谱进行元素分析；532nm激光反射后照射到样品表面产Raman光谱，Raman光谱经过卡塞格林光学系统收集后经过分束镜一(21),经过分束镜二分成两束光,一束通过会聚透镜(18)和光纤探头进入带时间分辨的ICCD光谱仪，对样品进行Raman光谱分析；调节旋转机构(32)、(31)将卡塞格林望远镜机械系统(10)对准行星大气，激光器(7)分束的532nm激光在行星大气中与大气中的气溶胶(尘、粉末、颗粒物)及大气分子等相互作用，会产生吸收和散射(Rayleigh瑞利散射、Mie米氏散射、Raman拉曼散射),对后向散射回来的光学信号通过光电倍增管(28)、(29)、(30)进行探测，对探测的信号进行分析处理，可以提供大气的湿、温、风、压以及C02、H2O等分子浓度等丰富的大气的信息。
[0026]本发明装置包括LIBS-Raman联合光谱探测系统和远程显微成像系统和激光雷达行星大气测量系统，整个系统共用一个光学系统。其中LIBS-Raman联合光谱探测系统可以远程清除风化层，用来探测行星的土壤/岩石的元素成分和含量以及判断矿物质种类和类型；远程显微成像系统用来分析岩石及土壤纹理，对其显微照片进行分析，可以协助LIBS-Raman系统研究岩石/ 土壤中的矿物成分。
[0027]通过调节卡塞格林主镜和次镜之间的距离，使得CCD接收到指示激光通过卡塞隔离系统后的光束为平行光后停止调节主次镜距离，同时准确计算样品距离。由光谱仪发出脉冲信号给双波长脉冲激光器输出532nm和1064nm激光，通过双色镜将532nm和1064nm激光分成相互垂直的两路，532nm激光透射，1064nm激光经过2次反射后进入卡塞格林光学系统，汇聚样品表面产生等离子体，通过卡塞格林光学系统收集，之后经过相应的延迟时间和门宽由光谱仪分析样品元素。而透过532nm激光通过两次反射直接到样品上，产生Raman光谱，然后又通过卡塞格林光学系统收集，之后经过相应的延迟时间和门宽由光谱仪分析样品元素。调节旋转机构将卡塞格林望远镜系统对准行星大气，激光器分束的532nm激光在行星大气中与大气层中的气溶胶(尘、粉末、颗粒物)及大气分子等相互作用，会产生吸收和散射(Rayleigh瑞利散射、Mie米氏散射、Raman拉曼散射),对后向散射回来的光学信号通过光电倍增管进行探测，对探测的信号进行分析处理，可以提供大气的湿、温、风、压以及C02、H2O等分子浓度等丰富的大气的信息。
[0028]本发明的技术方案是这样来实现的，当着陆器到达待测目标附近时，着陆器伸出桅杆，桅杆上面具有俯仰可精密调节的装置，本发明系统安装在桅杆上。根据主控制和分析系统驱动电机将本发明系统视场对准待测目标样品。如图1所示，控制系统启动650nm连续激光器(3)，激光指示到待测样品附近，通过水平(32)和竖直(31)旋转轴调节控制将指示激光准确照射到待测目标样品上。
[0029]启动连续激光器3，650nm激光通过反射镜照射到样品上，样品通过卡塞格林光学系统将成像在(XD20，启动一维平移架13，调节卡塞格林光学系统次镜12和主镜14之间的距离，当CCD上获得清晰可见的像点后关闭连续激光器，停止调节卡塞格林光学系统。开启双波长脉冲激光器7，激光通过双色镜6后，两个波长的激光被分成相互垂直方向传输，1064nm激光反射后通过扩束器8，准直透镜9和低通滤波片11进入卡塞格林光学系统，通过卡塞格林光学系统主次镜汇聚到样品表面产生等离子体，等离子体经过卡塞格林光学系统收集后经过分束镜一 21，经过分束镜二分成两束光，一束进入(XD20成像，另一束通过会聚透镜18和光纤探头进入带时间分辨的ICCD光谱仪，对样品进行完整的分析；532nm激光反射后照射到样品表面产Raman现象，Raman光谱经过卡塞格林光学系统收集后经过分束镜一 21，经过分束镜二分成两束光，一束进入(XD20成像，另一束通过会聚透镜18和光纤探头进入中阶梯光谱仪，对样品进行完整的元素和结构分析。
【权利要求】
1.行星表面物质及大气远程原位综合测试系统，其特征在于: 包括激光定位系统、远程LIBS系统、远程Raman系统、激光雷达系统以及安装调节底座； 所述激光定位系统包括连续激光器(3)、全反镜(5)、卡塞格林光学系统、一维平移台(13)、分束镜一(21)、分束镜二(19)、CXD(20);所述卡塞格林光学系统包括光学保护窗口(2 )、卡塞格林遮光罩(10 )、主镜(14 )、次镜(12);所述光学保护窗口( 2 )设置在卡塞格林遮光罩(10)的正前方；所述全反镜设置在光学保护窗口和次镜之间，用于将连续激光器(3)的出射光反射至卡塞格林光学系统正前方；所述次镜(12)设置在一维平移台(13)上，所述一维平移台(13)能够带动次镜沿卡塞格林光学系统轴线平移；所述分束镜一设置在主镜(14)正后方，所述分束镜二设置在分束镜一的反射光路上，所述CXD设置在分束镜二的反射光路上； 所述远程LIBS、远程Raman系统、激光雷达系统包括双波长脉冲激光器(7)、45°双色镜(6)、半透半反镜(4)、扩束器(8)、准直透镜(9)、低通滤波片(11)、分束镜一(21)、分束镜二(19)、会聚透镜(18)、陷波滤波片(17)、光纤探头、光谱仪、ICXD ;所述双色镜设置在双波长脉冲激光器的出射光路上，所述半透半反镜设置在双色镜透射光路和连续激光器出射光路的交汇处；所述扩束器、准直透镜、低通滤波片依次设置在双色镜的反射光路上，且低通滤波片位于双色镜反射光路和卡塞格林光学系统轴线交汇处；会聚透镜、陷波滤波片、光纤探头依次设置在分束镜二的透射光路上，光纤探头与光谱仪通过光纤连接；所述至少一组激光雷达探测单元依次设置在分束镜一的正后方，激光雷达探测单元包括窄带滤波片(22、23、24)、位于窄带滤波片反射光路上的透镜(25、26、27)、设置在透镜后方的光电倍增管(28、29、30)； 所述安装调节底座包括底座(33)、360°水平旋转机构(32)、180°倾斜角度旋转机构(31)、至少一组探测单元；所述360°水平旋转机构32设置在底座上，所述180°倾斜角度旋转机构设置在360°水平旋转机构上，所述激光定位系统、远程LIBS系统、远程Raman系统、激光雷达系统均固定在180°倾斜角度旋转机构上。
2.根据权利要求1所述的行星表面物质及大气远程原位综合测试系统，其特征在于:所述连续激光器(3)为650nm连续激光器；所述双波长脉冲激光器为1064nm/532nm脉冲激光器；所述光谱仪为带时间分辨具有时间延迟控制的ICCD光谱仪；所述半透半反镜(4)采用透650nm反532nm反射镜；所述双色镜(6)镀双波长分束膜，工作角度为45，对532nm激光完全透射，对1064nm激光反射；所述分光镜(11)镀宽光谱分束膜，工作角度为45°，对出射1064nm激光反射，对收集到的光谱透射；所述分光镜二( 19)镀宽光谱分束膜，工作角度为45°，对可见光和收集光谱进行分离，使部分可见光以20%左右的采样量进入CCD相机；所述窄带滤光片(22、23、24)将部分后向散射回来的光学信号进行分光，镀窄带光谱分束膜，工作角度为45°。
3.根据权利要求1或2所述的行星表面物质及大气远程原位综合测试系统，其特征在于:所述的光学保护窗口(2)为一施密特校正板，内侧面为平面，外侧面为非球面。
【文档编号】G01S17/88GK103743719SQ201310675957
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】朱香平, 张文松, 汤洁, 赵卫, 段忆翔, 豆西博 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所