行星表面物质及大气远程原位综合测试系统技术方案

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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，该实用新型专利技术采用模块化设计，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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术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。本技术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，该技术采用模块化设计，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
本技术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。
技术介绍
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、ct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。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。
技术实现思路
本技术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。本技术的技术解决方案是: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；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)、CCD (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(IO )、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(XD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。基于上述基本方案，本技术还做如下优化限定和改进: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°。上述的光学保护窗口⑵为一施密特校正板，内侧面为平面，外侧面为非球面。本技术的优点是: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。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。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I(XD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(XD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。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，陷本文档来自技高网...

【技术保护点】
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）、CCD（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CCD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、ICCD；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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱香平，张文松，汤洁，赵卫，段忆翔，豆西博，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：实用新型
国别省市：