CN105548133B - 基于主被动结合光谱技术的火星物质成分测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用主被动结合光谱技术的火星物质成分分析系统与方法。系统包括光学头部、短波光谱仪、中波光谱仪、长波光谱仪、红外AOTF光谱仪、定标板、二维指向镜、指向镜控制电缆及载荷控制器。基于该系统可联合主动激光光谱与被动红外光谱技术实现火星原子、对称分子、非对称分子的联合探测。本发明主动LIBS光谱探测可实现物质原子的定性与定量分析，主动时域激光拉曼探测可实现物质对称分子的定性与定量分析，被动红外光谱探测可实现物质非对称分子的定性与定量分析。主被动光谱结合同时实现物质原子、对称分子、非对称分子的探测，进而实现火星岩石、土壤、矿物等的分类与识别。本发明扩大火星物质分析范围，保持了系统的紧凑便捷性。

Description

基于主被动结合光谱技术的火星物质成分测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种激光光谱探测方法,尤其涉及一种采用主被动结合光谱技术的远程物质成分分析系统与方法，适用于火星表面物质成分分析，属于光电探测领域。

背景技术

在深空探测的火星表面矿物成分分析中，由于载人火星登陆技术尚未成熟，需要使用无人操作的远程自动探测方法。相对于其它的远程物质成分探测方法，激光光谱类探测方法因其无需样品制备，分析速度快，可同时进行多元素分析和微量元素检测，可以清除样品表面尘埃层和深入样品内部进行测量等优点已经或即将得到应用。

在激光光谱探测中，激光诱导击穿光谱(简称LIBS)是一种典型的物质元素探测方法，已在美国“好奇号”火星物质探测上得到应用。激光拉曼光谱技术可以有效提供地质和矿物成分信息，尤其是与水有关的过程(例如，化学风化，化学沉淀如卤水等)。此外它能够检测各种各样的有机官能团，并为有机物和某些关键颜料探测提供检测手段，可用于评估火星地质环境可居住性的优劣。以上两类需采用主动激光源，属于主动光谱方法。

而短波红外光谱仪用于检测物质的短波红外发射或反射光谱，无需光源，属于被动光谱方法，它可以进行火星表面矿物和岩石的探测，许多矿物在短波红外波段具有可分辨的吸收和反射特征，对物质识别及含量分析具有重要意义。激光拉曼光谱方法对于对称分子分析有效，而短波红外光谱方法对非对称分子分析有效。

远程LIBS光谱与激光拉曼光谱技术及被动近红外光谱联合探测，可发挥合自的优势，有效扩大火星表面矿物分析的范围。但需要解决一些关键技术问题，如常规激光拉曼采用连续窄线宽激光器，而LIBS采用窄脉冲低重频激光器，为解决探测装置的紧凑便捷性，光源及探测器如何复用的问题；以及时域分辨脉冲激光拉曼信号的探测及两种光谱信号的时序分配问题；以及主被动光谱光路复用问题等。

针对单一光谱方法用于火星物质成分分析的不足，本发明提出采用主被动结合光谱技术的远程物质成分分析系统与方法，采用LIBS光谱与激光拉曼光谱技术及被动近红外光谱联合探测，可同时实现物质原子、对称分子、非对称分子的探测，由于复用光源、望远光路及光谱仪等，在有效扩大火星物质分析范围的同时，保持了系统的紧凑便捷性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于火星物质成分分析的主被动光谱结合的系统与方法，可同时实现物质原子、对称分子、非对称分子的探测，能满足火星探测系统的体积功耗等要求。

本发明是这样来实现的：

本发明提出的双重复用激光光谱火星矿物成分分析系统主要包括光学头部、光纤复用器、短波光纤、中波光纤、长波光纤、短波光谱仪、中波光谱仪、长波光谱仪、红外AOTF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。

其中，光学头部主要由自聚焦探测器、第二分色片、第一分色片、中继透镜组、主镜、主镜支撑架、次镜调焦组件、次镜、次镜支撑架、自聚焦激光器、双色镜、保护窗口、拉曼全反镜、LIBS全反镜、转折镜、二倍频器、扩束准直镜、光路切换器、分控制线缆、主激光器、尾部保护罩、光学头部控制线缆、紫外可见光谱仪光纤及红外光纤组成。

短波光谱仪、中波光谱仪、长波光谱仪、红外AOTF光谱仪及载荷控制器安装在火星车内。定标板由若干块LIBS及拉曼定标样品组成，通过定标板支架安装在火星车顶板上；指向镜支架底部安装在火星车顶板上，并在该处开有圆孔，二维指向镜安装在指向镜支架上方；光学头部上方开有透明保护窗口，其形状尺寸与圆孔一致，光学头部安装在火星车顶板下面，安装位置保证透明保护窗口与圆孔位置一致。

自聚焦探测器、次镜调焦组件、自聚焦激光器、光路切换器、及主激光器各自带有分控制线缆，五路分控制线缆组成光学头部控制线缆，与载荷控制器相联接，用于接收载荷控制器的控制信号，其中自聚焦探测器可通过光学头部控制线缆向载荷控制器反馈测量信息。载荷控制器通过指向镜控制电缆与二维转动控制组件相连，用以发出控制信号，使二维指向镜绕水平轴和垂直轴转动，实现二维指向。

短波光谱仪、中波光谱仪与长波光谱仪均采用Czerny-Turner形式的平面光栅光谱仪结构，长波光谱仪的传感器采用ICCD面阵传感器，其极高灵敏度可保证LIBS探测的同时传感脉冲激光诱导拉曼极其微弱的光谱信号。红外AOTF光谱仪采用AOTF分光，光学头部的红外谱段信号通过红外光纤传输到红外AOTF光谱仪的狭缝上，再经过准直镜将光束准直后，通过AOTF分光和会聚镜组到达探测器上，可获取火星目标的被动红外高分辨率光谱，用于矿物分析和岩石识别。

短波光谱仪、中波光谱仪、长波光谱仪与红外AOTF光谱仪各自通过USB接口传输线与载荷控制器联接，向载荷控制器输出光谱信号并且接收载荷控制器的控制信号，用于同步开启长波ICCD探测器、中波CCD探测器、短波CCD探测器进行曝光及调节曝光时间TB。载荷控制器可给主激光器发启动脉冲，并控制主激光器与短波光谱仪、中波光谱仪与长波光谱仪开启之间的延时TD。

次镜与主镜组成卡塞格林望远镜结构。次镜安装在次镜支撑架上，可由次镜调焦组件控制沿主光轴平移，从而改变卡塞格林望远镜的焦距，实现不同距离的激光聚焦。主镜安装在主镜支撑架上。

主激光器发射的脉冲激光束经光路切换器切换到第一路时，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，实现对目标位置点的激光聚焦。

主激光器发射的脉冲激光束经光路切换器切换到第二路时，先经二倍频器进行倍频，倍频后的脉冲激光束依次经拉曼全反镜、双色镜反射，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，实现对目标位置点的激光照射。

主光轴、第二光轴、第四光轴三者平行；主光轴与第三光轴垂直；主光轴及指向光轴与二维指向镜的法线共面，满足反射定律的几何关系，主光轴与指向光轴的交点为二维指向镜的中心，定义为主参考点。根据定标板相对于主参考点的空间位置，即距离和方位角，可算出对应二维指向镜的角度值及卡塞格林望远镜的焦距值，这些值储存在载荷控制器的存储器中作为预设值供调用，用以实现对定标板上定标样品的指向和激光聚焦。

基于双重复用激光光谱火星矿物成分分析系统的火星探测按以下步骤进行：

(1)在轨LIBS定标

a.将第一块LIBS定标样品设为当前LIBS定标样品。

b.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LIBS定标样品上。

c.载荷控制器根据存储器的预设值，发出相应的控制指令给次镜调焦组件，使卡塞格林望远镜的焦点可准确落在指向光轴与定标板的当前LIBS定标样品的相交点上。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CCD探测器、中波CCD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。

d.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b.与c.，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

e.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。

f.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。

g.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、双色镜反射，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探测器传感转化为拉曼光谱信号，并送至载荷控制器进行存储分析。

h.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f.与g.，采集当前拉曼定标样品的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

i.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。

j.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双色镜，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

k.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CCD探测器、中波CCD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。

l.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、双色镜反射，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探测器传感转化为拉曼光谱信号，并送至载荷控制器进行存储分析。

m.火星目标被动红外光谱探测

来自火星外的辐射经火星矿物、土壤或岩石目标上的测试点邻近区域反射后，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红外光纤端面上。由红外光纤收集的火星目标红外辐射信号传输到红外AOTF光谱仪的狭缝上，再经过准直镜将光束准直后，通过AOTF分光和会聚镜组到达探测器上，转化为红外光谱信号，送至载荷控制器进行存储分析。

(5)联合光谱分析

n.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谱线位置及对称分子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，依据测试点获取的拉曼光谱数据进行对称分子组成及定量分析，再依据测试点获取的红外光谱数据进行非对称分子组成及定量分析，综合以上三种原子分子信息，进而进行岩石、土壤及矿物类型鉴别。

本发明的有益效果是，提供了一种采用主被动结合光谱技术的火星物质成分分析系统与方法。主动LIBS光谱探测可实现物质原子的定性与定量分析，主动时域激光拉曼探测可实现物质对称分子的定性与定量分析，被动红外光谱探测可实现物质非对称分子的定性与定量分析。主被动光谱结合同时实现物质原子、对称分子、非对称分子的探测，进而实现火星岩石、土壤、矿物等的分类与识别。由于复用光源、望远光路及光谱仪等，在有效扩大火星物质分析范围的同时，保持了系统的紧凑便捷性。

附图说明

图1与图2为本发明系统结构及测试原理示意图，图中：1——火星矿物、土壤或岩石目标；2——测试点；3——光学头部；4——紫外可见光谱仪光纤；5——光纤复用器；6——短波光纤；7——中波光纤；8——长波光纤；9——短波光谱仪；10——中波光谱仪；11——长波光谱仪；12——定标板支架；13——定标板；14——火星车顶板；15——长波ICCD探测器；16——中波CCD探测器；17——短波CCD探测器；18——USB接口传输线；19——载荷控制器；20——光学头部控制线缆；21——指向镜支架；22——二维指向镜；23——红外光纤；24——自聚焦探测器；25——第二分色片；26——第一分色片；27——中继透镜组；28——主镜；29——主镜支撑架；30——次镜调焦组件；31——次镜；32——次镜支撑架；33——自聚焦激光器；34——双色镜；35——保护窗口；36——第二光轴；37——拉曼全反镜；38——主光轴；39——LIBS全反镜；40——转折镜；41——指向镜控制电缆；42——二倍频器；43——主参考点；44——指向光轴；45——扩束准直镜；46——光路切换器；47——第三光轴；48——第四光轴；49——分控制线缆；50——主激光器；51——尾部保护罩；52——圆孔；53——二维转动控制组件；54——红外AOTF光谱仪。

注：USB即Universal Serial Bus，通用串行总线；LIBS即Laser-inducedbreakdown spectroscopy，激光诱导击穿光谱；ICCD即Intensified CCD，增强电荷耦合器件；CCD，即Charge coupled divice，指的电荷耦合器件；AOTF，即Acousto optic tunablefilter，指的声光可调谐滤波器。

具体实施方式

本发明具体实施方式如图1及图2所示。

本发明提出的双重复用激光光谱火星矿物成分分析系统主要包括光学头部3、光纤复用器5、短波光纤6、中波光纤7、长波光纤8、短波光谱仪9、中波光谱仪10、长波光谱仪11、红外AOTF光谱仪54、定标板支架12、定标板13、指向镜支架21、二维指向镜22、二维转动控制组件53、指向镜控制电缆41及载荷控制器19。

其中，光学头部3主要由自聚焦探测器24、第二分色片25、第一分色片26、中继透镜组27、主镜28、主镜支撑架29；次镜调焦组件30、次镜31、次镜支撑架32、自聚焦激光器33、双色镜34、保护窗口35、拉曼全反镜37、LIBS全反镜39、转折镜40、二倍频器42、扩束准直镜45、光路切换器46、分控制线缆49、主激光器50、尾部保护罩51、光学头部控制线缆20、紫外可见光谱仪光纤4及红外光纤23组成。

短波光谱仪9、中波光谱仪10、长波光谱仪11、红外AOTF光谱仪54及载荷控制器19安装在火星车内。定标板13由若干块LIBS及拉曼定标样品组成(注：本实施例中为十块LIBS定标样品及二块拉曼定标样品)，通过定标板支架12安装在火星车顶板14上；指向镜支架21底部安装在火星车顶板14上，并在该处开有圆孔52，二维指向镜22安装在指向镜支架21上方；光学头部3上方开有透明保护窗口35，其形状尺寸与圆孔52一致，光学头部3安装在火星车顶板14下面，安装位置保证透明保护窗口35与圆孔52位置一致。

自聚焦探测器24、次镜调焦组件30、自聚焦激光器33、光路切换器46、及主激光器50各自带有分控制线缆49，五路分控制线缆49组成光学头部控制线缆20，与载荷控制器19相联接，用于接收载荷控制器19的控制信号，其中自聚焦探测器24可通过光学头部控制线缆20向载荷控制器19反馈测量信息。载荷控制器19通过指向镜控制电缆41与二维转动控制组件53相连，用以发出控制信号，使二维指向镜22绕水平轴和垂直轴转动，实现二维指向。

短波光谱仪9、中波光谱仪10与长波光谱仪11均采用Czerny-Turner形式的平面光栅光谱仪结构，长波光谱仪11的传感器采用ICCD面阵传感器，其极高灵敏度可保证LIBS探测的同时传感脉冲激光诱导拉曼极其微弱的光谱信号。红外AOTF光谱仪54采用AOTF分光，光学头部3的红外谱段信号通过红外光纤23传输到红外AOTF光谱仪54的狭缝上，再经过准直镜将光束准直后，通过AOTF分光和会聚镜组到达探测器上，可获取火星目标的被动红外高分辨率光谱，用于矿物分析和岩石识别。

短波光谱仪9、中波光谱仪10、长波光谱仪11与红外AOTF光谱仪54各自通过USB接口传输线18与载荷控制器19联接，向载荷控制器19输出光谱信号并且接收载荷控制器19的控制信号，用于同步开启长波ICCD探测器15、中波CCD探测器16、短波CCD探测器17进行曝光及调节曝光时间TB。载荷控制器19可给主激光器50发启动脉冲，并控制主激光器50与短波光谱仪9、中波光谱仪10与长波光谱仪11开启之间的延时TD。(注：本实施例，为取得较好的信噪比，对应于LIBS探测，TB设定1毫秒，TD设定为1微秒；对应于拉曼探测，TB设定140纳秒，TD设定为10纳秒)

次镜31与主镜28组成卡塞格林望远镜结构。次镜31安装在次镜支撑架32上，可由次镜调焦组件30控制沿主光轴38平移，从而改变卡塞格林望远镜的焦距，实现不同距离的激光聚焦。主镜28安装在主镜支撑架29上。

主激光器50发射的脉冲激光束经光路切换器46切换到第一路时，先由扩束准直镜45扩束准直、LIBS全反镜39反射、转折镜40转折后，再由次镜31反射，主镜28反射后，沿主光轴38向上行进，通过保护窗口35向上穿出，再通过二维指向镜22改变行进方向，实现对目标位置点的激光聚焦。

主激光器50发射的脉冲激光束经光路切换器46切换到第二路时，先经二倍频器42进行倍频，倍频后的脉冲激光束依次经拉曼全反镜37、双色镜34反射，沿主光轴38向上行进，通过保护窗口35向上穿出，再通过二维指向镜22改变行进方向，实现对目标位置点的激光照射。(注：没通过卡塞格林望远镜，非聚焦模式)

主光轴38、第二光轴36、第四光轴48三者平行；主光轴38与第三光轴47垂直；主光轴38及指向光轴44与二维指向镜22的法线共面，满足反射定律的几何关系，主光轴38与指向光轴44的交点为二维指向镜22的中心，定义为主参考点43。根据定标板13相对于主参考点43的空间位置，即距离和方位角，可算出对应二维指向镜的角度值及卡塞格林望远镜的焦距值，这些值储存在载荷控制器19的存储器中作为预设值供调用，用以实现对定标板13上定标样品的指向和激光聚焦。

基于双重复用激光光谱火星矿物成分分析系统的火星探测按以下步骤进行：

(1)在轨LIBS定标

a.将第一块LIBS定标样品设为当前LIBS定标样品。

b.载荷控制器19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53，使其带动二维指向镜22绕水平轴和垂直轴转动，至指向光轴44相交于定标板13的当前LIBS定标样品上。

c.载荷控制器19根据存储器的预设值，发出相应的控制指令给次镜调焦组件30，使卡塞格林望远镜的焦点可准确落在指向光轴44与定标板13的当前LIBS定标样品的相交点上。载荷控制器19发出控制指令给光路切换器46，使其切换至第一路。载荷控制器19按LIBS探测的需求，设定好相应的TB和TD。载荷控制器19发出启动指令开启主激光器50(本实施例为纳秒级1064nm半导体泵浦固体激光器)，主激光器50发出一个1064nm脉冲激光束先由扩束准直镜45扩束准直、LIBS全反镜39反射、转折镜40转折后，再由次镜31反射，主镜28反射后，沿主光轴38向上行进，通过保护窗口35向上穿出，再通过二维指向镜22改变行进方向沿指向光轴44传输，聚焦击中定标板13的当前LIBS定标样品。激发出的LIBS回波信号沿指向光轴44传至二维指向镜22，再由二维指向镜22反射向下沿主光轴38传输，向下通过保护窗口35，依次经主镜28及次镜31反射，沿主光轴38向下行进，通过主镜28中间的圆孔后，经中继透镜组27聚焦，第一分色片26反射，第二分色片25反射，会聚于紫外可见光谱仪光纤4端面上。由紫外可见光谱仪光纤4收集的LIBS信号经光纤复用器5分为短中长波三路，分别沿短波光纤6、中波光纤7、长波光纤8进入短波光谱仪9(注：本实施例中光谱范围240-340nm，光谱分辨率0.1nm)、中波光谱仪10(注：本实施例中光谱范围340-540nm，光谱分辨率0.2nm)、长波光谱仪11(注：本实施例中光谱范围540-850nm，光谱分辨率0.3nm)，再分别由短波CCD探测器17、中波CCD探测器16、长波ICCD探测器15传感转化为LIBS光谱信号，并送至载荷控制器19进行存储分析。

d.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b.与c.，采集当前LIBS定标样品的LIBS光谱信号并在载荷控制器19进行存储，直至完成定标板13所有LIBS定标样品的LIBS光谱信号的存储。

(2)在轨拉曼定标

e.载荷控制器19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。

f.载荷控制器19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53，使其带动二维指向镜22绕水平轴和垂直轴转动，至指向光轴44相交于定标板13的当前拉曼定标样品上。载荷控制器19发出控制指令给光路切换器46，使其切换至第二路。

g.载荷控制器19发出启动指令开启主激光器50。主激光器50发射的一个1064nm脉冲激光束，先经二倍频器42倍频(注：本实施例倍频后为532nm脉冲激光)，倍频后的脉冲激光束依次经拉曼全反镜37、双色镜34反射，沿主光轴38向上行进，通过保护窗口35向上穿出，再通过二维指向镜22改变行进方向沿指向光轴44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44传至二维指向镜22，再由二维指向镜22反射向下沿主光轴38传输，向下通过保护窗口35，依次经主镜28及次镜31反射，沿主光轴38向下行进，通过主镜28中间的圆孔后，经中继透镜组27聚焦，第一分色片26反射，第二分色片25反射，会聚于紫外可见光谱仪光纤4端面上。由紫外可见光谱仪光纤4收集的斯托克斯拉曼回波信号经光纤复用器5沿长波光纤8进入长波光谱仪11，再由长波ICCD探测器15传感转化为拉曼光谱信号，并送至载荷控制器19进行存储分析。

h.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f.与g.，采集当前拉曼定标样品的拉曼光谱信号并在载荷控制器19进行存储，直至完成定标板13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

i.载荷控制器19发出控制指令给二维转动控制组件53，使其带动二维指向镜22绕水平轴和垂直轴转动，至指向光轴44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1。指向光轴44与火星矿物、土壤或岩石目标1的交点为测试点2。

j.载荷控制器19发出启动指令给自聚焦激光器33(注：本实施例为Rayscience公司的连续激光二极管QLD-808-150SN，其波长为808nm),自聚焦激光器33发射出连续激光束向上透射过双色镜34(注：本实施例中，该双色镜双面镀高透膜及高反膜，可实现808nm高透射，532nm高反射)，再上穿保护窗口35，通过二维指向镜22改变行进方向沿指向光轴44传输，连续照射测试点2。测试点2反射的回波信号沿指向光轴44传至二维指向镜22，再由二维指向镜22反射向下沿主光轴38传输，向下通过保护窗口35，依次经主镜28及次镜31反射，沿主光轴38向下行进，通过主镜28中间的圆孔后，经中继透镜组27聚焦，第一分色片26反射，第二分色片25透射，会聚于自聚焦探测器24。自聚焦探测器24将其传感的回波强度值传送给载荷控制器19进行分析。载荷控制器19发出控制指令给次镜调焦组件30，连续改变卡塞格林望远镜的焦距，直至自聚焦探测器24传感的回波强度值达到峰值。此时，测试点2即为卡塞格林望远镜的聚焦点。

(4)火星目标探测

k.火星目标LIBS探测

载荷控制器19发出控制指令给光路切换器46，使其切换至第一路。载荷控制器19按LIBS探测的需求，设定好相应的TB和TD。载荷控制器19发出启动指令开启主激光器50，主激光器50发出一个1064nm脉冲激光束先由扩束准直镜45扩束准直、LIBS全反镜39反射、转折镜40转折后，再由次镜31反射，主镜28反射后，沿主光轴38向上行进，通过保护窗口35向上穿出，再通过二维指向镜22改变行进方向沿指向光轴44传输，聚焦击中测试点2。激发出的LIBS回波信号沿指向光轴44传至二维指向镜22，再由二维指向镜22反射向下沿主光轴38传输，向下通过保护窗口35，依次经主镜28及次镜31反射，沿主光轴38向下行进，通过主镜28中间的圆孔后，经中继透镜组27聚焦，第一分色片26反射，第二分色片25反射，会聚于紫外可见光谱仪光纤4端面上。由紫外可见光谱仪光纤4收集的LIBS信号经光纤复用器5分为短中长波三路，分别沿短波光纤6、中波光纤7、长波光纤8进入短波光谱仪9、中波光谱仪10、长波光谱仪11，再分别由短波CCD探测器17、中波CCD探测器16、长波ICCD探测器15传感转化为LIBS光谱信号，并送至载荷控制器19进行存储分析。

l.火星目标激光拉曼探测

载荷控制器19发出控制指令给光路切换器46，使其切换至第二路。载荷控制器19发出启动指令开启主激光器50。主激光器50发射的一个1064nm脉冲激光束，先经二倍频器42倍频，倍频后的脉冲激光束依次经拉曼全反镜37、双色镜34反射，沿主光轴38向上行进，通过保护窗口35向上穿出，再通过二维指向镜22改变行进方向沿指向光轴44传输，击中测试点2。激发出的斯托克斯拉曼回波信号沿指向光轴44传至二维指向镜22，再由二维指向镜22反射向下沿主光轴38传输，向下通过保护窗口35，依次经主镜28及次镜31反射，沿主光轴38向下行进，通过主镜28中间的圆孔后，经中继透镜组27聚焦，第一分色片26反射，第二分色片25反射，会聚于紫外可见光谱仪光纤4端面上。由紫外可见光谱仪光纤4收集的斯托克斯拉曼回波信号经光纤复用器5沿长波光纤8进入长波光谱仪11，再由长波ICCD探测器15传感转化为拉曼光谱信号，并送至载荷控制器19进行存储分析。

m.火星目标被动红外光谱探测

来自火星外的辐射经火星矿物、土壤或岩石目标1上的测试点2邻近区域反射后，沿指向光轴44传至二维指向镜22，再由二维指向镜22反射向下沿主光轴38传输，向下通过保护窗口35，依次经主镜28及次镜31反射，沿主光轴38向下行进，通过主镜28中间的圆孔后，经中继透镜组27聚焦，第一分色片26透射后可会聚于红外光纤23端面上。由红外光纤23收集的火星目标红外辐射信号传输到红外AOTF光谱仪54(注：本实施例光谱范围850～2400nm)的狭缝上，再经过准直镜将光束准直后，通过AOTF分光和会聚镜组到达探测器上，转化为红外光谱信号，送至载荷控制器19进行存储分析。

(5)联合光谱分析

n.载荷控制器19依据步骤(1)和(2)在轨定标获得的定标样品的LIBS及拉曼光谱数据可对光谱仪谱线偏差及常见原子LIBS谱线位置及对称分子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2获取的LIBS光谱数据进行原子组成及定量分析，依据测试点2获取的拉曼光谱数据进行对称分子组成及定量分析，再依据测试点2获取的红外光谱数据进行非对称分子组成及定量分析，综合以上三种原子分子信息，进而进行岩石、土壤及矿物类型鉴别。

Claims (2)

1.一种采用主被动结合光谱技术的火星物质成分分析系统，系统包括光学头部(3)、光纤复用器(5)、短波光纤(6)、中波光纤(7)、长波光纤(8)、短波光谱仪(9)、中波光谱仪(10)、长波光谱仪(11)、红外AOTF光谱仪(54)、定标板支架(12)、定标板(13)、指向镜支架(21)、二维指向镜(22)、二维转动控制组件(53)、指向镜控制电缆(41)及载荷控制器(19)，其特征在于：

光学头部(3)包括自聚焦探测器(24)、第二分色片(25)、第一分色片(26)、中继透镜组(27)、主镜(28)、主镜支撑架(29)、次镜调焦组件(30)、次镜(31)、次镜支撑架(32)、自聚焦激光器(33)、双色镜(34)、保护窗口(35)、拉曼全反镜(37)、LIBS全反镜(39)、转折镜(40)、二倍频器(42)、扩束准直镜(45)、光路切换器(46)、分控制线缆(49)、主激光器(50)、尾部保护罩(51)、光学头部控制线缆(20)、紫外可见光谱仪光纤(4)及红外光纤(23)；

短波光谱仪(9)、中波光谱仪(10)、长波光谱仪(11)、红外AOTF光谱仪(54)及载荷控制器(19)安装在火星车内，定标板(13)由若干块LIBS及拉曼定标样品组成，通过定标板支架(12)安装在火星车顶板(14)上；指向镜支架(21)底部安装在火星车顶板(14)上，并在该处开有圆孔(52)，二维指向镜(22)安装在指向镜支架(21)上方；光学头部(3)上方开有透明保护窗口(35)，其形状尺寸与圆孔(52)一致，光学头部(3)安装在火星车顶板(14)下面，安装位置保证透明保护窗口(35)与圆孔(52)位置一致；

自聚焦探测器(24)、次镜调焦组件(30)、自聚焦激光器(33)、光路切换器(46)、及主激光器(50)各自带有分控制线缆(49)，五路分控制线缆(49)组成光学头部控制线缆(20)，与载荷控制器(19)相联接，用于接收载荷控制器(19)的控制信号，其中自聚焦探测器(24)可通过光学头部控制线缆(20)向载荷控制器(19)反馈测量信息；载荷控制器(19)通过指向镜控制电缆(41)与二维转动控制组件(53)相连，用以发出控制信号，使二维指向镜(22)绕水平轴和垂直轴转动，实现二维指向；

短波光谱仪(9)、中波光谱仪(10)与长波光谱仪(11)均采用Czerny-Turner形式的平面光栅光谱仪结构，长波光谱仪(11)的传感器采用ICCD面阵传感器，其极高灵敏度可保证LIBS探测的同时传感脉冲激光诱导拉曼极其微弱的光谱信号；红外AOTF光谱仪(54)采用AOTF分光，光学头部(3)的红外谱段信号通过红外光纤(23)传输到红外AOTF光谱仪(54)的狭缝上，再经过准直镜将光束准直后，通过AOTF分光和会聚镜组到达探测器上，可获取火星目标的被动红外高分辨率光谱，用于矿物分析和岩石识别；

短波光谱仪(9)、中波光谱仪(10)、长波光谱仪(11)与红外AOTF光谱仪(54)各自通过USB接口传输线(18)与载荷控制器(19)联接，向载荷控制器(19)输出光谱信号并且接收载荷控制器(19)的控制信号，用于同步开启长波ICCD探测器(15)、中波CCD探测器(16)、短波CCD探测器(17)进行曝光及调节曝光时间TB；载荷控制器(19)可给主激光器(50)发启动脉冲，并控制主激光器(50)与短波光谱仪(9)、中波光谱仪(10)与长波光谱仪(11)开启之间的延时TD；

次镜(31)与主镜(28)组成卡塞格林望远镜结构，次镜(31)安装在次镜支撑架(32)上，可由次镜调焦组件(30)控制沿主光轴(38)平移，从而改变卡塞格林望远镜的焦距，实现不同距离的激光聚焦；主镜(28)安装在主镜支撑架(29)上；

主激光器(50)发射的脉冲激光束经光路切换器(46)切换到第一路时，先由扩束准直镜(45)扩束准直、LIBS全反镜(39)反射、转折镜(40)转折后，再由次镜(31)反射，主镜(28)反射后，沿主光轴(38)向上行进，通过保护窗口(35)向上穿出，再通过二维指向镜(22)改变行进方向，沿指向光轴(44)行进，实现对目标位置点的激光聚焦；激发出的LIBS回波信号沿指向光轴(44)传至二维指向镜(22)，再由二维指向镜(22)反射向下沿主光轴(38)传输，向下通过保护窗口(35)，依次经主镜(28)及次镜(31)反射，沿主光轴(38)向下行进，通过主镜(28)中间的圆孔后，经中继透镜组(27)聚焦，第一分色片26反射后沿第三光轴(47)行进，再经第二分色片(25)反射沿第四光轴(48)行进，会聚于紫外可见光谱仪光纤(4)端面上；

主激光器(50)发射的脉冲激光束经光路切换器(46)切换到第二路时，先经二倍频器(42)进行倍频，倍频后的脉冲激光束沿第二光轴(36)行进，依次经拉曼全反镜(37)、双色镜(34)反射，沿主光轴(38)向上行进，通过保护窗口(35)向上穿出，再通过二维指向镜(22)改变行进方向，沿指向光轴(44)行进，实现对目标位置点的激光照射；激发出的斯托克斯拉曼回波信号沿指向光轴(44)传至二维指向镜(22)，再由二维指向镜(22)反射向下沿主光轴(38)传输，向下通过保护窗口(35)，依次经主镜(28)及次镜(31)反射，沿主光轴(38)向下行进，通过主镜(28)中间的圆孔后，经中继透镜组(27)聚焦，第一分色片26反射后沿第三光轴(47)行进，再经第二分色片(25)反射沿第四光轴(48)行进，会聚于紫外可见光谱仪光纤(4)端面上；

主光轴(38)、第二光轴(36)、第四光轴(48)三者平行；主光轴(38)与第三光轴(47)垂直；主光轴(38)及指向光轴(44)与二维指向镜(22)的法线共面，满足反射定律的几何关系，主光轴(38)与指向光轴(44)的交点为二维指向镜(22)的中心，定义为主参考点(43)；根据定标板(13)相对于主参考点(43)的空间位置，即距离和方位角，可算出对应二维指向镜的角度值及卡塞格林望远镜的焦距值，这些值储存在载荷控制器(19)的存储器中作为预设值供调用，用以实现对定标板(13)上定标样品的指向和激光聚焦。

2.一种基于权利要求1所述一种采用主被动结合光谱技术的火星物质成分分析系统的火星物质成分分析方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在轨LIBS定标

1-1).将第一块LIBS定标样品设为当前LIBS定标样品；

1-2).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LIBS定标样品上；

1-3).载荷控制器根据存储器的预设值，发出相应的控制指令给次镜调焦组件，使卡塞格林望远镜的焦点可准确落在指向光轴与定标板的当前LIBS定标样品的相交点上；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CCD探测器、中波CCD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、双色镜反射，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探测器传感转化为拉曼光谱信号，并送至载荷控制器进行存储分析；

2-4).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)与2-3)，采集当前拉曼定标样品的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双色镜，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CCD探测器、中波CCD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、双色镜反射，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探测器传感转化为拉曼光谱信号，并送至载荷控制器进行存储分析；

4-3).火星目标被动红外光谱探测

来自火星外的辐射经火星矿物、土壤或岩石目标上的测试点邻近区域反射后，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红外光纤端面上；由红外光纤收集的火星目标红外辐射信号传输到红外AOTF光谱仪的狭缝上，再经过准直镜将光束准直后，通过AOTF分光和会聚镜组到达探测器上，转化为红外光谱信号，送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谱线位置及对称分子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，依据测试点获取的拉曼光谱数据进行对称分子组成及定量分析，再依据测试点获取的红外光谱数据进行非对称分子组成及定量分析，综合以上三种原子分子信息，进而进行岩石、土壤及矿物类型鉴别。