CN104155001A - 一种用于行星表面就位精细光谱分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于行星表面就位精细光谱分析系统，它包括定标防尘模块、光谱分析模块、数据采集与控制模块、安装基座。该仪器利用多射频复合声光驱动技术，结合双通道分立探测实现目标图像及光谱数据的获取，用于精细光谱分析；采用轻型转动机构驱动集成化的定标防尘板、配以指向镜，实现行星表面恶劣环境下的探测、定标、防尘及保温功能；采用复杂光机构型设计，实现仪器的紧凑型及轻小型。利用该发明实施的仪器具有集成度高，轻小型及多功能的特点，具备无人程控下的自主精细光谱分析功能的同时能适应行星表面恶劣环境，满足深空行星表面探测对新型仪器的需求。

Description

一种用于行星表面就位精细光谱分析系统

技术领域：

本发明涉及一种光谱分析系统，特别指一种就位精细光谱分析的仪器，它采用多射频复合声光驱动技术，结合双通道分立探测实现目标图像及光谱数据的获取，用于光谱分析；采用轻型转动机构驱动集成化的定标防尘板、配以指向镜，实现探测、定标、防尘及保温功能；采用复杂光机构型设计，实现仪器的紧凑型及轻小型，特别适合于行星表面探测等恶劣环境下的就位精细光谱分析应用。

背景技术：

形态测量和光谱测量是研究物质结构和成份的主要方法，其基于不同物质目标的光谱特征，以及微粒的尺寸和形状各不相同。成像光谱仪能在获取所观测目标二维空间信息的同时，以高光谱分辨率获取目标的光谱信息，在光谱图像立方体上有可能直接区分和识别目标，在土地资源调查、农林业、环境与灾害监测、海洋、数字城市等国民经济方面和伪装识别、作战环境侦察、空间探测等军事应用方面均有重要应用价值。

图像能提供地面目标精细的几何特性，而光谱提供目标的光谱信息，能通过对地物几何及特征光谱的判别进行目标识别和分类。成像光谱技术起源于上世纪70年代初期的多光谱遥感技术，并随着对地观测应用的需要而发展，成像光谱仪是一种在成像光谱技术基础上发展起来的新概念光学有效载荷。随着光学、计算机和焦平面探测器等基础技术的不断发展，成像光谱技术在九十年代取得了巨大进步。成像光谱仪器的研制及应用，最终目标是实现对地物目标的几何及光谱特征的测量，与遥感相机或光谱仪相比，在目标识别方面具有更强的能力。

在过去三十年里，成像光谱技术获得巨大的发展，在矿产资源、环境监测、精准农林和军事国防等方面发挥了重要的作用，但是，就行星表面就位目标探测及识别而言，需要实现行星表面矿物识别目标的同时，满足体积、重量及恶劣环境的特殊要求，现有技术方式存在一定局限。针对行星表面目标就位探测，需要解决以下几方面的问题：1)行星表面目标就位探测对图像及光谱获取能力的需求；2)行星表面探测对恶劣温度及防尘环境的适应要求；3)现场定标及性能监测要求；4)轻小型、低功耗的要求。

发明内容：

综上所述，针对现有技术不适用行星表面就位精细光谱分析相关要求的局限性，本发明提供一种适用于行星表面就位精细光谱分析系统，在实现行星表面矿物识别目标的同时，满足体积、重量及恶劣环境的特殊要求。本发明主要特点为：1)采用双通道分立探测，结合多射频复合声光驱动技术实现目标图像及光谱数据的获取，用于光谱分析；2)采用轻型转动机构驱动集成化的定标防尘板、配以指向镜，实现探测、现场定标、防尘保温功能；3)采用复杂光机构型设计，实现仪器的紧凑型及轻小型。

本发明提供的一种适用于行星表面就位精细光谱分析系统包括定标防尘模块1、光谱分析模块2、数据采集与控制模块3、安装基座4，如附图1所示。

所述的定标防尘模块1由防尘盖101、定标漫反射板102、超声电机103、结构支架104组成；模块使用超声电机103驱动，当超声电机不工作时，断电自锁实现零功耗定位；所述的定标漫射板102嵌入防尘盖101内组成集成紧凑型的定标防尘板，当仪器待机或关机时，定标防尘板处于防尘位置，防尘盖保护防止灰尘污染定标漫射板及仪器内部；当仪器定标时，定标防尘板处于定标位置，定标漫射板102漫反射太阳光用于仪器定标；当仪器探测时，定标防尘板处于探测位置，让开光路通道，对目标进行探测；

所述的光谱分析模块2由可见近红外子模块及短波红外子模块组成，两者共用指向反射镜20及L型光学底板21，其中短波红外子模块由红外成像镜211、红外视场光阑212、红外光路折转反射镜213、红外准直镜214、红外AOTF215、红外会聚镜216、红外像面折转反射镜217、红外探测器218组成，可见近红外子模块由可见成像镜221、可见视场光阑222、可见光路折转反射镜223、可见准直镜224、可见AOTF225、可见会聚镜226、可见像面折转反射镜227、可见探测器228组成。光谱分析模块2的分光器件使用声光可调滤光器AOTF实现时间扫描的凝视型精细光谱探测；通过可见近红外及短波红外的双通道分立探测，配以复合射频驱动组合实现全谱段高性能；采用光路多重折转的复杂光机构型设计，实现紧凑及轻小型，双通道串行分立工作，进一步降低功耗。光谱分析系统工作时，探测目标(探测工况)或定标漫射板(定标工况)反射的太阳光辐射，首先经共用指向反射镜20进入光谱探测模块2，然后分别进入双通道(可见近红外子模块及短波红外子模块)分立探测。其中可见成像镜221将光辐射成像于可见视场光阑222上、由可见光路折转反射镜223折转后进入可见准直镜224准直，然后由可见AOTF225实现程控射频驱动选择衍射光波长，再由可见会聚镜226会聚，经可见像面折转反射镜227会聚至可见探测器228上，实现可见近红外谱段光谱图像探测；短波红外子模块由红外成像镜211将光辐射成像于红外视场光阑212，由红外光路折转反射镜213折转后进入红外准直镜214准直，然后由红外AOTF215实现程控射频驱动选择衍射光波长，再由红外会聚镜216会聚，经红外像面折转反射镜217会聚至红外探测器218上，实现红外光谱探测。

所述的数据采集与控制模块3由主控FPGA31、超声电机驱动电路311、可见探测器驱动电路312、红外探测器前放电路313、射频匹配电路34、DDS射频发生电路341、射频功率放大器342、射频功率开关343、射频逻辑切换电路344、数据处理与存储电路321、数据接口322、总线32、二次电源331、一次电源接口33组成。其中一次电源接口33供电转化为二次电源331满足数据采集与探制模块3各单元的供电需求；由总线32接收指令通过主控FPGA31控制光谱分析系统工作；主控FPGA31控制超声驱动电路311控制超声电机103工作，实现定标防尘板按需要置于防尘、定标或探测位置；主控FPGA31控制DDS射频发生电路341产生所需频率的射频信号，通过射频功率放大器342放大，控制射频逻辑切换电路344通过射频功率开关342选择驱动通道，施加于相应的射频匹配电路34实现对可见AOTF225及红外AOTF215的控制，满足仪器光谱选择的需求；主控FPGA31控制红外探测器前放电路313及可见探测器驱动电路312工作，采集图像及光谱信号，由数据处理与存储电路321处理及存储，并通过数据接口322经由总线32输出；

系统具体工作步骤如下：

1)加电待机，超声驱动电路311，射频功率放大器342，可见探测器驱动电路312、红外探测器前放电路313等较大功率电路待机；主控FPGA31待命工作；

2)主控FPGA31接收并解译指令，按指令要求工作；

3)定标防尘模块工作：探测工况时，控制超声电机103驱动定标防尘板外于探测位置；定标工况时，超声电机103驱动定标防尘板外于定标位置；

4)定标防尘模块结束工作，超声驱动电路311待机节能；

5)可见探测器驱动电路312工作，采集暗噪声；

6)射频功率放大器342工作，采集光谱图像数据；

7)可见探测器驱动电路312，射频功率放大器342待机节能；

8)红外探测器前放电路313工作，红外探测器218致冷；

9)红外探测器前放电路313采集暗电流；

10)射频功率放大器342工作，采集红外光谱图像数据；

11)红外探测器前放电路313，射频功率放大器342待机节能；

12)定标防尘模块工作：控制超声电机103驱动定标防尘板外于防尘位置；

13)定标防尘模块结束工作，超声驱动电路311待机节能；

14)待机，等待下一步工作指令。

本发明技术解决思路如下：利用超声电机断电自锁、轻小型的特性实现驱动定标防尘板在探测、定标、防尘工位上的切换；利用声光可调滤光器组合，配以复合射频驱动，实现目标图像及光谱数据获取，并通过采用双通道分立探测，采用适应性复杂光机构型设计，实现紧凑及轻小型的宽谱段精细光谱分析仪器。本发明的具体实现措施如下：

1使用轻型超声电机作为驱动部件，驱动定标防尘板在探测、定标、防尘工位上的切换；利用超声电机断电自锁特性实现切换后的零功耗定位，满足行星表面探测低功耗的需求；

2使用声光可调滤光器，实现时间扫描的凝视型精细光谱探测；通过可见近红外及短波红外的双通道分立探测，配以复合射频驱动组合实现全谱段高性能；

3采用光路多重折转的复杂光机构型设计，实现紧凑及轻小型的宽谱段精细光谱分析仪器。

4设定串行工作流程，简化电路及降低功耗，适应定标及探测工况下的光谱信号探测，进一步实现轻小型及低功耗。

本发明的优点在于：

1)利用超声电机轻型及断电自锁特点，适应行星表面恶劣环境需求，满足仪器在探测、现场定标及防尘保温工况切换的同时实现仪器的轻小型；

2)可见近红外及短波红外的双通道分立探测设计，采用光路多重折转的复杂光机构型，使用声光可调滤光器配以复合射频组合驱动实现紧凑及轻小型的宽谱段精细光谱探测。

该发明可以实现行星表面探测对高性能就位精细光谱分析的同时满足体积、重量及恶劣环境的特殊要求，适应月球等地外行星表面就位精细光谱分析的需求。

附图说明：

图1为本发明就位精细光谱分析系统模型爆炸示意图，其中图A为定标防尘模块说明图，图B为光谱探测模块说明图；图C为定标防尘模块和数据采集与控制模块说明图。

图中:1----为定标防尘模块；

     2----为光谱探测模块；

     3----为数据采集与控制模块；

     4----为安装基座。

图2为本发明中定标防尘模块1说明图。

图3为本发明中光谱探测模块2说明图。

图4为本发明中数据采集与控制模块3模块说明图。

具体实施方式：

下面结合图1～图4给出本发明一个较好实施例，主要作进一步详细说明本发明的特点，而非用来限定本发明的范围：

先请参阅图1，图1是本发明具体实施例用于行星表面就位精细光谱分析仪器示意图，由定标防尘模块1、光谱探测模块2、数据采集与控制模块3、安装基座4组成。其定标防尘模块1采用超声电机驱动集成化的定标防尘板、配以指向镜，实现探测、定标、防尘及保温功能；其光谱探测模块2采用双通道分立探测及复杂光机构型设计，实现紧凑型、轻量化的目标图像及光谱数据的获取模块，用于光谱分析；其数据采集与控制模块3采用多射频复合声光驱动AOTF及串行工作流程，简化电路及降低功耗，适应行星表面探测等恶劣环境下的应用需求。

1、请参阅图2，定标防尘模块1由防尘盖101、定标漫反射板102、超声电机103、结构支架104组成。其中定标漫射板102嵌入防尘盖101内组成定标防尘板，由超声电机103驱动其于探测、定标、防尘三者间位置的切换，当仪器不工作时，定标防尘板处于防尘位置，防尘灰尘污染定标板及内部光学元件；当仪器定标时，定标防尘板处于定标位置，与安装平台水平，漫反射太阳光用于仪器定标；当仪器探测时，定标防尘板处于探测位置，让开光路通道，对目标进行探测。

使用的超声电机103由南京航空航天大学及上海技术物理研究所联合研制的空间应用型TRUM-30电机，其主要技术指标为：

a)尺寸：

b)额定扭距：≥0.08Nm正/反转。

c)额定转速：≥100r/min。

d)自锁力矩：≥0.1Nm。

e)电源电压12～15V，功耗小于12W。

f)定、转子质量：≤40g。

定标漫射板102由合肥物质研究院研制的CE-DBB-ZS1型定标漫射板，其主要技术指标为：

a)谱段：400～2500mm；

b)全谱段半球反射率：反射率>85％；

c)面非均匀性：优于1％；

d)郎伯性：要求天顶角45°、方位角0°观测(以光谱仪观测方位为0度，下同)，入射方位角为90°时，在入射天顶角75°附近BRDF变化小于10‰/°、45°附近变化小于4‰/°；

e)尺寸：52mm×48mm×10mm；

f)重量：≤40克；

2、请参阅图3，光谱分析模块2所述的光谱分析模块2由可见近红外子模块及短波红外子模块组成，两者共用指向反射镜20及L型光学底板21，其中短波红外子模块由红外成像镜211、红外视场光阑212、红外光路折转反射镜213、红外准直镜214、红外AOTF215、红外会聚镜216、红外像面折转反射镜217、红外探测器218组成，可见近红外子模块由可见成像镜221、可见视场光阑222、可见光路折转反射镜223、可见准直镜224、可见AOTF225、可见会聚镜226、可见像面折转反射镜227、可见探测器228组成。光谱分析模块2的分光器件使用声光可调滤光器(AOTF)实现时间扫描的凝视型精细光谱探测；通过可见近红外及短波红外的双通道分立探测，配以复合射频驱动组合实现全谱段高性能；采用光路多重折转的复杂光机构型设计，实现紧凑及轻小型，双通道串行分立工作，进一步降低功耗。

光谱分析系统工作时，探测目标(探测工况)或定标漫射板(定标工况)反射的太阳光辐射，首先经共用指向反射镜20进入光谱探测模块2，然后分别进入双通道(可见近红外子模块及短波红外子模块)分立探测。其中可见成像镜221将光辐射成像于可见视场光阑222上、由可见光路折转反射镜223折转后进入可见准直镜224准直，然后由可见AOTF225实现程控射频驱动选择衍射光波长，再由可见会聚镜226会聚，经可见像面折转反射镜227会聚至可见探测器228上，实现可见近红外谱段光谱图像探测；短波红外子模块由红外成像镜211将光辐射成像于红外视场光阑212，由红外光路折转反射镜213折转后进入红外准直镜214准直，然后由红外AOTF215实现程控射频驱动选择衍射光波长，再由红外会聚镜216会聚，经红外像面折转反射镜217会聚至红外探测器218上，实现红外光谱探测。

所用AOTF选用中国电子科技集团第26研究所定制产品，其中可见AOTF(225)主要技术指标为：

a)工作波长：450～950nm

b)光谱分辨率：2～10nm

c)孔径角：≥4.3°

d)分离角：>5.6°

e)通光口径：10mm×10mm

f)衍射效率非均匀性：<30％

g)衍射效率与透过率的乘积：≥37％全谱段

h)漂移：光谱范围内小于0.01°

i)尺寸(宽×高×长(光轴))：43mm×29mm×32mm

j)驱动功率：≤2.0W

k)驱动频率范围：65MHz～185MHz

红外AOTF(215)主要技术指标为：

a)工作波长：900～2400nm

b)光谱分辨率：3～12nm

c)孔径角：>2°

d)分离角：>6.2°

e)通光口径：10mm×10mm

f)衍射效率：>30％全谱段

g)透过率：>95％

h)漂移：光谱范围内小于0.1°

i)尺寸(宽×高×长(光轴))：60mm×30mm×38mm

j)驱动功率：≤2.0W

k)驱动频率范围：40MHz～130MHz

可见探测器228选用Cypress公司的STAR250型CMOS器件，主要技术指标为：

a)有效像素：512×512

b)像素尺寸25μm×25μm

c)光谱范围200～1000nm

d)读出频率最快可达30帧/秒

e)平均暗电流信号4750e-/s at RT

f)内部ADC量化位数：10bit

红外探测器218选用Judson公司J23TE2-66C型InGaAs红外探测器件，主要技术指标为：

a)光敏面大小：Φ1mm

b)最大响应：1.2A/W

c)探测率：8.4E¹¹cmHz^1/2W^-1

d)暗电流：1.0E-5A

e)TEC：2级

3、请参阅图4，数据采集与控制模块3由主控FPGA31、超声电机驱动电路311、可见探测器驱动电路312、红外探测器前放电路313、射频匹配电路34、DDS射频发生电路341、射频功率放大器342、射频功率开关343、射频逻辑切换电路344、数据处理与存储电路321、数据接口322、总线32、二次电源331、一次电源接口33组成。其中一次电源接口33供电转化为二次电源331满足数据采集与探制模块3各单元的供电需求；由总线32接收指令通过主控FPGA31控制光谱分析系统工作；主控FPGA31控制超声驱动电路311控制超声电机103工作，实现定标防尘板按需要置于防尘、定标或探测位置；主控FPGA31控制DDS射频发生电路341产生所需频率的射频信号，通过射频功率放大器342放大，控制射频逻辑切换电路344通过射频功率开关342选择驱动通道，施加于相应的射频匹配电路34实现对可见AOTF225及红外AOTF215的控制，满足仪器光谱选择的需求；主控FPGA(31)控制红外探测器前放电路(313)及可见探测器驱动电路312工作，采集图像及光谱信号，由数据处理与存储电路321处理及存储，并通过数据接口322经由总线32输出。其工作步骤描述如下：a)加电待机，超声驱动电路311，射频功率放大器342，可见探测器驱动电路312、红外探测器前放电路313等较大功率电路待机；主控FPGA31待命工作；b)主控FPGA31接收并解译指令，按指令要求工作；c)定标防尘模块工作：探测工况时，控制超声电机103驱动定标防尘板外于探测位置；定标工况时，超声电机103驱动定标防尘板外于定标位置；d)定标防尘模块结束工作，超声驱动电路311待机节能；e)可见探测器驱动电路(312)工作，采集暗噪声；f)射频功率放大器342工作，采集光谱图像数据；g)可见探测器驱动电路312，射频功率放大器342待机节能；h)红外探测器前放电路313工作，红外探测器218致冷；i)红外探测器前放电路313采集暗电流；j)射频功率放大器342工作，采集红外光谱图像数据；k)红外探测器前放电路313，射频功率放大器342待机节能；l)定标防尘模块工作：控制超声电机103驱动定标防尘板外于防尘位置；m)定标防尘模块结束工作，超声驱动电路311待机节能；n)待机，等待下一步工作指令。

Claims (1)

1.一种用于行星表面就位精细光谱分析系统，它包括定标防尘模块(1)、光谱分析模块(2)、数据采集与处理模块(3)、控制模块(4)；其特征在于：

所述的定标防尘模块(1)由防尘盖(101)、定标漫反射板(102)、超声电机(103)、结构支架(104)组成；模块使用超声电机(103)驱动，当超声电机不工作时，断电自锁实现零功耗定位；所述的定标漫射板(102)嵌入防尘盖(101)内组成集成紧凑型的定标防尘板，当仪器待机或关机时，定标防尘板处于防尘位置，防尘盖保护防止灰尘污染定标漫射板及仪器内部；当仪器定标时，定标防尘板处于定标位置，定标漫射板(102)漫反射太阳光用于仪器定标；当仪器探测时，定标防尘板处于探测位置，让开光路通道，对目标进行探测；

所述的光谱分析模块(2)由可见近红外子模块及短波红外子模块组成，两者共用指向反射镜(20)及L型光学底板(21)，其中短波红外子模块由红外成像镜(211)、红外视场光阑(212)、红外光路折转反射镜(213)、红外准直镜(214)、红外AOTF(215)、红外会聚镜(216)、红外像面折转反射镜(217)、红外探测器(218)组成，可见近红外子模块由可见成像镜(221)、可见视场光阑(222)、可见光路折转反射镜(223)、可见准直镜(224)、可见AOTF(225)、可见会聚镜(226)、可见像面折转反射镜(227)、可见探测器(228)组成；光谱分析模块(2)的分光器件使用声光可调滤光器(AOTF)实现时间扫描的凝视型精细光谱探测；通过可见近红外及短波红外的双通道分立探测，配以复合射频驱动组合实现全谱段高性能；采用光路多重折转的复杂光机构型设计，实现紧凑及轻小型，双通道串行分立工作，进一步降低功耗。光谱分析系统工作时，在探测工况下探测目标反射的太阳光辐射或在定标工况下定标漫射板反射的太阳光辐射，首先经共用指向反射镜(20)进入光谱探测模块(2)，然后分别进入可见近红外子模块及短波红外子模块双通道分立探测；其中可见成像镜(221)将光辐射成像于可见视场光阑(222)上、由可见光路折转反射镜(223)折转后进入可见准直镜(224)准直，然后由可见AOTF(225)实现程控射频驱动选择衍射光波长，再由可见会聚镜(226)会聚，经可见像面折转反射镜(227)会聚至可见探测器(228)上，实现可见近红外谱段光谱图像探测；短波红外子模块由红外成像镜(211)将光辐射成像于红外视场光阑(212)，由红外光路折转反射镜(213)折转后进入红外准直镜(214)准直，然后由红外AOTF(215)实现程控射频驱动选择衍射光波长，再由红外会聚镜(216)会聚，经红外像面折转反射镜(217)会聚至红外探测器(218)上，实现红外光谱探测；

所述的数据采集与控制模块(3)由主控FPGA(31)、超声电机驱动电路(311)、可见探测器驱动电路(312)、红外探测器前放电路(313)、射频匹配电路(34)、DDS射频发生电路(341)、射频功率放大器(342)、射频功率开关(343)、射频逻辑切换电路(344)、数据处理与存储电路(321)、数据接口(322)、总线(32)、二次电源(331)、一次电源接口(33)组成；其中一次电源接口(33)供电转化为二次电源(331)满足数据采集与探制模块(3)各单元的供电需求；由总线(32)接收指令通过主控FPGA(31)控制光谱分析系统工作；主控FPGA(31)控制超声驱动电路(311)控制超声电机(103)工作，实现定标防尘板按需要置于防尘、定标或探测位置；主控FPGA(31)控制DDS射频发生电路(341)产生所需频率的射频信号，通过射频功率放大器(342)放大，控制射频逻辑切换电路(344)通过射频功率开关(342)选择驱动通道，施加于相应的射频匹配电路(34)实现对可见AOTF(225)及红外AOTF(215)的控制，满足仪器光谱选择的需求；主控FPGA(31)控制红外探测器前放电路(313)及可见探测器驱动电路(312)工作，采集图像及光谱信号，由数据处理与存储电路(321)处理及存储，并通过数据接口(322)经由总线(32)输出；

系统具体工作步骤如下：

1)加电待机，超声驱动电路(311)，射频功率放大器(342)，可见探测器驱动电路(312)、红外探测器前放电路(313)等较大功率电路待机；主控FPGA(31)待命工作；

2)主控FPGA(31)接收并解译指令，按指令要求工作；

3)定标防尘模块工作：探测工况时，控制超声电机(103)驱动定标防尘板外于探测位置；定标工况时，超声电机(103)驱动定标防尘板外于定标位置；

4)定标防尘模块结束工作，超声驱动电路(311)待机节能；

5)可见探测器驱动电路(312)工作，采集暗噪声；

6)射频功率放大器(342)工作，采集光谱图像数据；

7)可见探测器驱动电路(312)，射频功率放大器(342)待机节能；

8)红外探测器前放电路(313)工作，红外探测器(218)致冷；

9)红外探测器前放电路(313)采集暗电流；

10)射频功率放大器(342)工作，采集红外光谱图像数据；

11)红外探测器前放电路(313)，射频功率放大器(342)待机节能；

12)定标防尘模块工作：控制超声电机(103)驱动定标防尘板外于防尘位置；

13)定标防尘模块结束工作，超声驱动电路(311)待机节能；

14)待机，等待下一步工作指令。