【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于行星星表痕量气体物质浓度探测领域，具体地，涉及一种适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统。
技术介绍
1、在太阳系主要行星天体中，火星的环境与地球最为相似，最有可能存在过生命或适宜生命繁衍。因此，火星在太阳系中占有重要地位。通过火星表面原位资源利用开发以制备生存必须物资、开展火星表面局部环境改造并建立小型生命保障生态系统是实现火星科研站以及火星绿色家园建设的重要前提之一。而这一切都是建立在对目标局部区域的火星星表物质准确勘探的基础之上。其中，水汽、氧气以及有毒有害等火星星表气体物质浓度的实施探测，对于星表原位资源利用以及小型生命保障生态系统的内环境监测都极为重要。
2、早期开展火星气体探测主要采用的是天文台的地基光谱学遥测，但是由于探测距离较远，这种探测方法空间分辨率较低且可靠性难以保证。为了解决该问题，有研究小组在火星轨道器上搭载行星傅里叶光谱仪技术对星表大气进行掩星遥感探测，但该技术的探测灵敏度受火星星表能见度（例如沙尘暴等气候）的影响较大，难以感知到火星表面微量气体浓度的变化。因此，实现目标区域气体物质成分的高灵敏度的准确探测，保证探测系统的集成性和便携性，对于火星星表物质探测以及火星科研站、火星绿色家园规划设计具有十分重要的意义。
3、要提高可调谐半导体激光吸收光谱系统的探测灵敏度，除了抑制信号中的噪声外，气体的有效吸收光程的长度也至关重要，对于相同浓度的待测气体，吸收光程越长，则其吸收信号越大，系统的探测灵敏度越高。
4、目前，在保证光通池物理尺寸的前提下，有效
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供了适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，有效保证了火星星表大气物浓度的高灵敏度探测，为火星科研站以及火星绿色家园的建设提供了支撑保障。
2、为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
3、一种适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，包括：光源发生模块、长光程新型光学多通池以及信号处理模块；
4、所述光源发生模块用于产生信号光束，长光程新型光学多通池供信号光束多次反射，信号处理模块对长光程新型光学多通池的输出信号进行监测；
5、所述长光程新型光学多通池包括第一高反镜、第二高反镜、设置于所述第一高反镜、第二高反镜之间的光路上的一个平面高反镜、以及设置于所述第一高反镜前端的第一反射镜和第二反射镜；所述第一高反镜和第二高反镜的反射面均朝向所述长光程新型光学多通池内侧，所述第一高反镜设置有供所述信号光束通过的内圈小孔和外圈小孔，所述第二高反镜设置有供所述信号光束出射的小孔，所述第一高反镜前端的第一反射镜和第二反射镜用以实现信号光束的再入射。
6、优选地，所述长光程新型光学多通池包括内侧通路和外侧通路；
7、所述内侧通路为：信号光束从第一高反镜的内圈小孔进入，依次经过第一高反镜、平面高反镜、第二高反镜后，再反射到平面高反镜和第一高反镜，往复循环后从所述内圈小孔出射；
8、所述外侧通路为：从所述内圈小孔出射的光束经过第三平面反射镜和第四平面反射镜后从第一高反镜的外圈小孔进入，依次经过第一高反镜、平面高反镜、第二高反镜后，再反射到平面高反镜和第一高反镜，往复循环后从第二高反镜的小孔出射。
9、优选地，所述光源发生模块包括电连接的激光器驱动模块和量子级联激光器，所述光源发生模块的输出波长根据不同种类待测气体的吸收线位置来进行确定。
10、优选地，所述第一高反镜和第二高反镜的光轴之间成一定夹角，高反镜法线的延长线为所述第一高反镜和第二高反镜的光轴之间夹角的角平分线；
11、所述第一反射镜、第一反射镜的光轴间存在夹角，能够调整光束入射角度以实现重入射，且使镜面的光斑能够实现均匀分布。
12、优选地，所述第一高反镜和所述第二高反镜为平凹面镜，所述反射镜为平面反射镜。
13、优选地，所述第一高反镜、第二高反镜以及平面高反镜在待测气体目标吸收线处镀有高反射率膜层，对于同一片高反镜而言，反射面不同半径范围内的环状区域内曲率半径不同。
14、优选地，反射镜不同半径处的曲率半径通过以下计算公式进行确定；
15、，
16、，
17、，
18、，
19、，
20、其中，k为实现重入射的光束绕第一高反镜或第二高反镜的光轴的旋转圈数，m为第一高反镜或第二高反镜表面形成的光斑的个数，θ为相邻光斑的夹角，r为所述第一高反镜或第二高反镜对应光斑分布半径处的曲率半径，和为以所述第一高反镜的凹面中心为坐标原点来表述的所述信号光束的入射坐标位置，为所述信号光束的入射角，a为第一高反镜或第二高反镜镜面光斑的分布半径，l为第一高反镜何第二高反镜之间的单光程长度，第一高反镜上的内圈小孔和外圈小孔以及第二高反镜的出射入射小孔位置根据光斑的分布半径来进行确定，单光程长度l满足0<l<2r。
21、优选地，在所述第一高反镜和第二高反镜中，镜面光斑分布个数随半径的减小而减少，光斑个数根据分布直径和光斑直径进行配置。
22、优选地，所述信号处理模块包括电连接的光电转换单元和信号处理单元，所述光电转换单元设置在第二高反镜的出光口处。
23、根据本专利技术提供的一种火星探测器，包括所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统。
24、本专利技术的有益效果在于：
25、本专利技术基于所提出的长光程新型光通池的可调谐半导体激光吸收光谱系统实现了折叠式双圈多反光场均匀分布，在保证设备空间长度尺寸不变且不提高光斑间干涉噪声的同时，相对于传统herriott多通池结构将系统气体的有效吸收光程提高了3倍；从而有效保证火星星表大气物浓度的高灵敏度探测，为火星科研站以及火星绿色家园的建设提供支撑保障；
26、其中，双入射阶梯式双曲率半径多通池结构可被扩展成多次入射式多光通池结构，从而实现信号光束的多次再入射以进一步提高气体的吸收光程；在某些特定场合下若需要简化多通池结构时，也可用于非折叠式的只有两面高反镜组成的光学多通池中，从而实现1.5倍的吸收光程的提升；本专利技术提供了长光程新型光通池的设计方法，可适应不同空间尺寸以及有效吸收光程的载荷研制需求。
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1.一种适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，包括：光源发生模块、长光程新型光学多通池（25）以及信号处理模块；
2.根据权利要求1所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，所述长光程新型光学多通池（25）包括内侧通路和外侧通路；
3.根据权利要求1所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，所述光源发生模块包括电连接的激光器驱动模块（21）和量子级联激光器（22），所述光源发生模块的输出波长根据不同种类待测气体的吸收线位置进行确定。
4.根据权利要求1所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，所述第一高反镜（253）和第二高反镜（255）的光轴之间成预设夹角，平面高反镜（254）法线的延长线为所述第一高反镜（253）和第二高反镜（255）的光轴之间夹角的角平分线；
5.根据权利要求1所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，所述第一高反镜（253）和所述第二高反镜（255）为平凹面镜，所述平面高反镜（254）为平面反
6.根据权利要求1所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，所述第一高反镜（253）、第二高反镜（255）以及平面高反镜（254）在待测气体目标吸收线处镀有高反射率膜层，第一高反镜（253）或第二高反镜（255）的反射面不同半径范围内的环状区域内曲率半径不同。
7.根据权利要求6所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，在第一高反镜（253）或第二高反镜（255）不同半径处的曲率半径通过以下计算公式进行确定；
8.根据权利要求7所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，在所述第一高反镜（253）和第二高反镜（255）中，镜面光斑分布个数随半径的减小而减少，光斑个数根据分布直径和光斑直径进行配置。
9.根据权利要求1所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，所述信号处理模块包括电连接的光电转换单元（16）和信号处理单元（17），所述光电转换单元（16）设置在第二高反镜（255）的出光口处。
10.一种火星探测器，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统。
...【技术特征摘要】
1.一种适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，包括：光源发生模块、长光程新型光学多通池（25）以及信号处理模块；
2.根据权利要求1所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，所述长光程新型光学多通池（25）包括内侧通路和外侧通路；
3.根据权利要求1所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，所述光源发生模块包括电连接的激光器驱动模块（21）和量子级联激光器（22），所述光源发生模块的输出波长根据不同种类待测气体的吸收线位置进行确定。
4.根据权利要求1所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，所述第一高反镜（253）和第二高反镜（255）的光轴之间成预设夹角，平面高反镜（254）法线的延长线为所述第一高反镜（253）和第二高反镜（255）的光轴之间夹角的角平分线；
5.根据权利要求1所述的适用于火星痕量气体物质浓度测量的小型化探测系统，其特征在于，所述第一高反镜（253）和所述第二高反镜（255）为平凹面镜，所述平面高反镜（254）为平面反射镜。
6.根据权利要求1所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴涛，张晓，陈晓，韩艳，陈树海，赵丹，徐航，潘林心，方振，
申请(专利权)人：深空探测实验室天都实验室，
类型：发明
国别省市：
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