CN110873708B - 一种libs主被动双模光谱探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LIBS主被动双模光谱探测系统，主要由主控制器、双模光谱仪、宽谱光纤、接口、狭缝、LIBS脉冲激光器、全反镜、紫外探测器、施密特镜、测距激光器、一维电动台、次镜、电动控制器、主双色镜、主镜、中心透镜、后双色镜组成。本发明的有益效果是，采用巧妙的机电切换及光栅区域分光，实现谱仪内部结构的优化，提高系统的紧凑便捷性；同一谱仪及同一光纤入口，实现LIBS主动光谱与红外被动光谱的复合探测，提高探测效率；针对主被动光谱特征不同，在传感器端采用不同的设计，实现针对性的光谱探测，提高LIBS主动光谱分辨率及红外被动光谱信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及一种双模物质探测系统，尤其涉及一种LIBS主被动双模光谱探测系统，适用于行星物质成分分析，属于光电探测领域。
背景技术
在深空探测领域中，行星表面物质分析需要无人的自动光电探测方法。相比较于其他复杂的物质成分探测方法，基于激光光谱类的光电物质成分分析方法，不需要耗时的试剂添加及前处理准备，可提高分析速度，适用于实时分析，而且可以多元素及多分子同时分析，显示出很大的优势。
在行星物质光谱类探测技术中，一类是属于主动光谱探测技术，即在该技术中，首先需要一个合适的激光激光源，经光学系统汇聚到待分析对象上，从对象上激发出包含物质成分析光谱信号，由光学系统中的光谱仪收集并分析；例如激光诱导击穿光谱(简称LIBS)是一种主动光谱探测技术，可实现原子组成及含量的分析；另一类属于被动光谱探测技术，其中有代表性的为红外吸收(或反射，入射减去吸收等于反射)光谱探测，吸收光谱是入射光子与分子振动转动虚拟能级共振产生吸收而产生的特征吸收光谱线，从这些光谱线中，可以判断待测对象组成分子的组成；主被动光谱探测结合，可以实现物质元素及分子的联合探测，从而可实现更精准的物质分析。
由于LIBS光谱主要位于可见光波段，而被动光谱探测主要位于红外波段，常规的主被动联合光谱探测，往往无法实现光学通路的全复用，从而导致系统的复杂性偏高，常规的联合系统需准备两套光谱仪，因为常规光谱仪无法完成主被动光谱的同时探测。针对这一问题，以及光学通路的全复用需求，本发明提出一种适用于主被动光谱物质分析的光谱仪，光谱仪采用复合设计，可同时实现可见LIBS主动光谱及红外被动光谱的联合探测，提高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行星物质成分分析的LIBS主被动双模光谱探测系统，通过机电切换及光栅区域分光，优化谱仪内部的结构，同一光纤入口，实现主被动光谱的复合探测。
本发明是这样来实现的：
本发明提出的行星LIBS主被动双模物质探测系统主要由主控制器、双模光谱仪、宽谱光纤、接口、狭缝、LIBS脉冲激光器、全反镜、紫外探测器、施密特镜、测距激光器、一维电动台、次镜、电动控制器、主双色镜、主镜、中心透镜、后双色镜组成；
其中探测光路为卡式望远镜结构，主要由主镜、次镜、施密特镜组成，施密特镜用于消除像差；次镜安装在一维电动台上，可在电动控制器的带动下，沿主光轴方向作平动，实现对焦；自聚焦功能依靠测距激光器以及紫外探测器实现；LIBS脉冲激光器用于发射诱导击穿光谱的纳秒级脉冲激光；宽谱光纤用于将可见谱段LIBS信号及红外谱段被动光谱信号送入双模光谱仪进行分析；
双模光谱仪内部包含电动台、主动汇聚镜、三棱镜、主动准直镜、主动闪耀光栅、被动闪耀光栅、光栅支架、柱形汇聚透镜、线性可变滤光片、背照式阵列探测器、阵列驱动电路、被动汇聚镜、被动准直镜、出射狭缝、遮光屏、红外探测器、电动扫描台、扫描控制器、工作电路；
接口固定安装在双模光谱仪上，宽谱光纤接到接口上，接口中心开有狭缝，其缝宽可调，用于控制对入射光的衍射；
三棱镜上下两个面分别镀有主动全反膜和被动全反膜，用于分别对所需探测的LIBS主动光谱及红外被动光谱信号进行全反射；三棱镜安装在电动台上，可在电动台的带动下沿上下做直线运动；主动闪耀光栅和被动闪耀光栅固定安装在光栅支架上，用于分别对所需探测的LIBS主动光谱及红外被动光谱信号进行衍射分光；主动闪耀光栅为高刻线数光栅，提供高的光学分辨率，但较窄的光谱范围，用于主动激光光谱分析；被动闪耀光栅为低刻线数光栅，提供低光学分辨率，但较宽的谱段范围，用于被动反射光谱分析；红外探测器前固定有带出射狭缝的遮光屏，只接收通过出射狭缝的衍射光，遮光屏可防止杂散光的影响；红外探测器安装在电动扫描台上，电动扫描台在扫描控制器的控制上，可沿扫描路径作直线运动；扫描起始点为a，对应探测红外被动光谱范围的起始波长λ1(，扫描的终点为b，对应探测红外被动光谱范围的终止波长λ2；将扫描的总长度b-a分成N等份，N即为采样点数，s＝(b-a)/N为采样步长；柱形汇聚透镜可将衍射光更精细地聚焦至背照式阵列探测器；线性可变滤光片可阻挡高阶衍射光进入背照式阵列探测器；背照式阵列探测器由阵列驱动电路驱动，背照式探测方式可提高探测灵敏度；红外探测器由工作电路驱动及进行传感信号放大；
主控制器用于控制测距激光器、LIBS脉冲激光器、阵列驱动电路、工作电路、扫描控制器、电动台，并接收紫外探测器、阵列驱动电路、工作电路的输出传感信号；主控制器还用于给电动控制器、电动台以及扫描控制器发送指令，实现对次镜、三棱镜以及红外探测器的移动扫描控制；
主光轴与反射光轴垂直；入射光轴、主动衍射光轴、主动反射光轴、主动准直光轴、被动反射光轴、被动准直光轴、被动衍射光轴共面；主动衍射光轴与被动衍射光轴关于入射光轴对称；主动反射光轴与被动反射光轴关于入射光轴对称；主动准直光轴与被动准直光轴关于入射光轴对称；
行星LIBS主被动双模物质探测方法按以下步骤进行：
(1)自聚焦实现
主控制器发出指令开启测距激光器；测距激光器发出的紫外连续激光沿主光轴行进，穿过施密特镜打在行星探测目标后，其反射信号沿主光轴反向传播，经施密特镜后，依次由主镜、次镜反射，穿过主双色镜以及主镜的中心孔，经中心透镜聚焦及后双色镜反射至紫外探测器进行反射光强度的光电转换，紫外探测器将该转换值G送至主控制器；
主控制器发出指令给电动控制器，带动一维电动台上的次镜沿主光轴来回移动，同时不断接收新的G值，直至G达到最大值；此时，次镜停止移动，达到自聚焦状态；
(2)LIBS主动光谱探测
主控制器发出指令给电动台，电动台带动三棱镜沿直线向下运动，直至入射光轴与主动全反膜的中心点相交；主控制器发出指令给阵列驱动电路，设定背照式阵列探测器曝光时间等探测参数；
主控制器发出指令开启LIBS脉冲激光器；LIBS脉冲激光器发出的纳秒级脉冲激光，经全反镜、主双色镜反射，再经次镜、主镜反射穿过施密特镜聚焦至行星探测目标；行星探测目标受脉冲激光激发产生的LIBS光谱信号沿主光轴返回，经施密特镜后，依次由主镜、次镜反射，穿过主双色镜以及主的中心孔，经中心透镜聚焦穿过后双色镜至宽谱光纤；进入宽谱光纤的LIBS信号，通过狭缝后，沿入射光轴传输进机身，经三棱镜上的主动全反膜反射后沿主动反射光轴向上传输；经主动准直镜反射并准直后，生成的准直平行光沿主动准直光轴传输；再经主动闪耀光栅衍射之后，沿主动衍射光轴传输；然后经主动汇聚镜反射并汇聚，通过柱形汇聚透镜精细聚光，以及线性可变滤光片阻挡高阶衍射光后，至背照式阵列探测器；背照式阵列探测器将衍射光进行光电转换得到LIBS主动光谱，得到阵列驱动电路将该LIBS主动光谱送至主控制器存储；
(3)红外被动光谱探测
主控制器发出指令给电动台，电动台带动三棱镜沿直线向上运动，直至入射光轴与被动全反膜的中心点相交；主控制器发出指令给工作电路，设定红外探测器的曝光时间等探测参数；主控制器发出指令给扫描控制器，设定好采样点数N，带动电动扫描台运动至扫描路径的起始点a；
主控制器发出指令关闭LIBS脉冲激光器；
由自然行星光照环境下行星探测目标自身反射产生的红外反射光，沿主光轴经施密特镜，依次由主镜、次镜反射，穿过主双色镜以及主镜的中心孔，经中心透镜聚焦穿过后双色镜至宽谱光纤；进入宽谱光纤的红外反射信号，通过狭缝后，沿入射光轴传输进机身，经三棱镜上的被动全反膜反射后沿被动反射光轴向下传输；经被动准直镜反射并准直后，生成的准直平行光沿被动准直光轴传输；再经被动闪耀光栅衍射之后，沿被动衍射光轴传输；然后经被动汇聚镜反射并汇聚，通过出射狭缝，被红外探测器接收，并进行光电转换，得到扫描路径上a点衍射光对应的红外被动光谱值，工作电路将该光谱值送至主控制器存储；随着电动扫描台带着红外探测器沿扫描路径作直线运动，依次采样并转换扫描路径上所有N点的衍射光，并将对应的红外被动光谱值都送至主控制器存储，直至扫描至b点结束；
(4)主被动光谱分析
主控制器对接收到的LIBS主动光谱数据进行整个谱段的逐点寻峰，得到激光激发的谱线位置及强度，然后可进行探测对象的原子组成及含量分析；主控制器对接收到的N个点的红外被动光谱数据进行分段求和，提高光谱数据的信噪比，处理后的红外反射光谱分布信息反映了探测对象的分子组成及类型信息；主被动光谱信息融合可对探测对象进行更精确的分析。
本发明的有益效果是，采用巧妙的机电切换及光栅区域分光，实现谱仪内部结构的优化，提高系统的紧凑便捷性；同一谱仪及同一光纤入口，实现LIBS主动光谱与红外被动光谱的复合探测，提高探测效率；针对主被动光谱特征不同，在传感器端采用不同的设计，实现针对性的光谱探测，提高LIBS主动光谱分辨率及红外被动光谱信噪比。
附图说明
图1与图2为本发明示意图，图中：1——主控制器；2——电动台；3——宽谱光纤；4——接口；5——狭缝；6——入射光轴；7——双模光谱仪；8——主动汇聚镜；9——主动衍射光轴；10——三棱镜；11——主动反射光轴；12——主动准直镜；13——主动准直光轴；14——主动闪耀光栅；15——被动闪耀光栅；16——光栅支架；17——柱形汇聚透镜；18——线性可变滤光片；19——背照式阵列探测器；20——阵列驱动电路；21——被动反射光轴；22——被动汇聚镜；23——被动准直光轴；24——被动准直镜；25——出射狭缝；26——遮光屏；27——红外探测器；28——电动扫描台；29——扫描控制器；30——工作电路；31——主动全反膜；32——被动全反膜；33——扫描路径；34——被动衍射光轴；35——LIBS脉冲激光器；36——全反镜；37——紫外探测器；38——反射光轴；39——行星探测目标；40——主光轴；41——施密特镜；42——测距激光器；43——一维电动台；44——次镜；45——电动控制器；46——主双色镜；47——主镜；48——中心孔；49——中心透镜；50——后双色镜。
具体实施方式
本发明具体实施方式如图1及图2所示。
本发明提出的行星LIBS主被动双模物质探测系统主要由主控制器1、双模光谱仪7、宽谱光纤3、接口4、狭缝5、LIBS脉冲激光器35、全反镜36、紫外探测器37、施密特镜41、测距激光器42、一维电动台43、次镜44、电动控制器45、主双色镜46、主镜47、中心透镜49、后双色镜50组成；
其中探测光路为卡式望远镜结构，主要由主镜47、次镜44、施密特镜41组成，施密特镜41用于消除像差；次镜44安装在一维电动台43上，可在电动控制器45的带动下，沿主光轴40方向作平动，实现对焦；自聚焦功能依靠测距激光器42以及紫外探测器37实现；LIBS脉冲激光器35用于发射诱导击穿光谱的纳秒级脉冲激光；宽谱光纤3用于将可见谱段LIBS信号及红外谱段被动光谱信号送入双模光谱仪7进行分析；
双模光谱仪7内部包含电动台2、主动汇聚镜8、三棱镜10、主动准直镜12、主动闪耀光栅14、被动闪耀光栅15、光栅支架16、柱形汇聚透镜17、线性可变滤光片18、背照式阵列探测器19、阵列驱动电路20、被动汇聚镜22、被动准直镜24、出射狭缝25、遮光屏26、红外探测器27、电动扫描台28、扫描控制器29、工作电路30；
接口4(注：本实施例为SMA905接口)固定安装在双模光谱仪7上，宽谱光纤3接到接口4上，接口4中心开有狭缝5，其缝宽可调(本实施例为25微米)，用于控制对入射光的衍射；
三棱镜10上下两个面分别镀有主动全反膜31和被动全反膜32，用于分别对所需探测的LIBS主动光谱及红外被动光谱信号进行全反射；三棱镜10安装在电动台2上，可在电动台2的带动下沿上下做直线运动；主动闪耀光栅14和被动闪耀光栅15固定安装在光栅支架16上，用于分别对所需探测的LIBS主动光谱及红外被动光谱信号进行衍射分光；主动闪耀光栅14为高刻线数光栅(本实施例为2400线/mm)，提供高的光学分辨率，但较窄的光谱范围，用于主动激光光谱分析；被动闪耀光栅15为低刻线数光栅(本实施例为300线/mm)，提供低光学分辨率，但较宽的谱段范围，用于被动反射光谱分析；红外探测器27前固定有带出射狭缝25的遮光屏26，只接收通过出射狭缝25的衍射光，遮光屏26可防止杂散光的影响；红外探测器27安装在电动扫描台28上，电动扫描台28在扫描控制器29的控制上，可沿扫描路径33作直线运动；扫描起始点为a，对应探测红外被动光谱范围的起始波长λ1(本实施例为700nm)，扫描的终点为b，对应探测红外被动光谱范围的终止波长λ2(本实施例为2500nm)；将扫描的总长度b-a分成N等份，N即为采样点数(本实施例为1800)，s＝(b-a)/N为采样步长；柱形汇聚透镜17可将衍射光更精细地聚焦至背照式阵列探测器19；线性可变滤光片18可阻挡高阶衍射光进入背照式阵列探测器19；背照式阵列探测器19由阵列驱动电路20驱动，背照式探测方式可提高探测灵敏度；红外探测器27由工作电路30驱动及进行传感信号放大；
主控制器1用于控制测距激光器42、LIBS脉冲激光器35、阵列驱动电路20、工作电路30、扫描控制器29、电动台2，并接收紫外探测器37、阵列驱动电路20、工作电路30的输出传感信号；主控制器1还用于给电动控制器45、电动台2以及扫描控制器29发送指令，实现对次镜44、三棱镜10以及红外探测器27的移动扫描控制；
主光轴40与反射光轴38垂直；入射光轴6、主动衍射光轴9、主动反射光轴11、主动准直光轴13、被动反射光轴21、被动准直光轴23、被动衍射光轴34共面；主动衍射光轴9与被动衍射光轴34关于入射光轴6对称；主动反射光轴11与被动反射光轴21关于入射光轴6对称；主动准直光轴13与被动准直光轴23关于入射光轴6对称；
行星LIBS主被动双模物质探测方法按以下步骤进行：
(1)自聚焦实现
主控制器1发出指令开启测距激光器42；测距激光器42发出的紫外连续激光(本实施例为波长355nm)沿主光轴40行进，穿过施密特镜41打在行星探测目标39后，其反射信号沿主光轴40反向传播，经施密特镜41后，依次由主镜47、次镜44反射，穿过主双色镜46以及主镜47的中心孔48，经中心透镜49聚焦及后双色镜50反射至紫外探测器37进行反射光强度的光电转换，紫外探测器37将该转换值G送至主控制器1；
主控制器1发出指令给电动控制器45，带动一维电动台43上的次镜44沿主光轴40来回移动，同时不断接收新的G值，直至G达到最大值；此时，次镜44停止移动，达到自聚焦状态；
(2)LIBS主动光谱探测
主控制器1发出指令给电动台2，电动台2带动三棱镜10沿直线向下运动，直至入射光轴6与主动全反膜31的中心点相交；主控制器1发出指令给阵列驱动电路20，设定背照式阵列探测器19曝光时间等探测参数；
主控制器1发出指令开启LIBS脉冲激光器35；LIBS脉冲激光器35发出的纳秒级脉冲激光(本实施例为波长1064nm，脉宽8ns，脉冲能量40mJ)，经全反镜36、主双色镜46反射，再经次镜44、主镜47反射穿过施密特镜41聚焦至行星探测目标39；行星探测目标39受脉冲激光激发产生的LIBS光谱信号沿主光轴40返回，经施密特镜41后，依次由主镜47、次镜44反射，穿过主双色镜46以及主镜47的中心孔48，经中心透镜49聚焦穿过后双色镜50至宽谱光纤3；进入宽谱光纤3的LIBS信号，通过狭缝5后，沿入射光轴6传输进机身7，经三棱镜10上的主动全反膜31反射后沿主动反射光轴11向上传输；经主动准直镜12反射并准直后，生成的准直平行光沿主动准直光轴13传输；再经主动闪耀光栅14衍射之后，沿主动衍射光轴9传输；然后经主动汇聚镜8反射并汇聚，通过柱形汇聚透镜17精细聚光，以及线性可变滤光片18阻挡高阶衍射光后，至背照式阵列探测器19；背照式阵列探测器19将衍射光进行光电转换得到LIBS主动光谱，阵列驱动电路20将该LIBS主动光谱送至主控制器1存储；
(3)红外被动光谱探测
主控制器1发出指令给电动台2，电动台2带动三棱镜10沿直线向上运动，直至入射光轴6与被动全反膜32的中心点相交；主控制器1发出指令给工作电路30，设定红外探测器27的曝光时间等探测参数；主控制器1发出指令给扫描控制器29，设定好采样点数N，带动电动扫描台28运动至扫描路径33的起始点a；
主控制器1发出指令关闭LIBS脉冲激光器35；
由自然行星光照环境下行星探测目标39自身反射产生的红外反射光，沿主光轴40经施密特镜41，依次由主镜47、次镜44反射，穿过主双色镜46以及主镜47的中心孔48，经中心透镜49聚焦穿过后双色镜50至宽谱光纤3；进入宽谱光纤3的红外反射信号，通过狭缝5后，沿入射光轴6传输进机身7，经三棱镜10上的被动全反膜32反射后沿被动反射光轴21向下传输；经被动准直镜24反射并准直后，生成的准直平行光沿被动准直光轴23传输；再经被动闪耀光栅15衍射之后，沿被动衍射光轴34传输；然后经被动汇聚镜22反射并汇聚，通过出射狭缝25，被红外探测器27接收，并进行光电转换，得到扫描路径33上a点衍射光对应的红外被动光谱值，工作电路30将该光谱值送至主控制器1存储；随着电动扫描台28带着红外探测器27沿扫描路径33作直线运动，依次采样并转换扫描路径33上所有N点的衍射光，并将对应的红外被动光谱值都送至主控制器1存储，直至扫描至b点结束；
(4)主被动光谱分析
主控制器1对接收到的LIBS主动光谱数据进行整个谱段(本实施例为400-850nm)的逐点寻峰，得到激光激发的谱线位置及强度，然后可进行探测对象的原子组成及含量分析；主控制器1对接收到的N个点的红外被动光谱数据进行分段求和，提高光谱数据的信噪比(本实施例N为1800，每10个采样点求和，最终得到700nm-2500nm的180个谱段的光谱值，谱段的平均宽度为10nm)，处理后的红外反射光谱分布信息反映了探测对象的分子组成及类型信息；主被动光谱信息融合可对探测对象进行更精确的分析。
Claims (1)
1.一种主被动双模光谱探测系统，用于实现LIBS主动光谱与红外被动光谱的复合探测，包括主控制器(1)、双模光谱仪(7)、宽谱光纤(3)、接口(4)、狭缝(5)、LIBS脉冲激光器(35)、全反镜(36)、紫外探测器(37)、施密特镜(41)、测距激光器(42)、一维电动台(43)、次镜(44)、电动控制器(45)、主双色镜(46)、主镜(47)、中心透镜(49)、后双色镜(50)；其特征在于：
探测光路为卡式望远镜结构，由主镜(47)、次镜(44)、施密特镜(41)组成，施密特镜(41)用于消除像差；次镜(44)安装在一维电动台(43)上，可在电动控制器(45)的带动下，沿主光轴(40)方向作平动，实现对焦；自聚焦功能依靠测距激光器(42)以及紫外探测器(37)实现；LIBS脉冲激光器(35)用于发射诱导击穿光谱的纳秒级脉冲激光；宽谱光纤(3)用于将可见谱段LIBS信号及红外谱段被动光谱信号送入双模光谱仪(7)进行分析；
双模光谱仪(7)内部包含电动台(2)、主动汇聚镜(8)、三棱镜(10)、主动准直镜(12)、主动闪耀光栅(14)、被动闪耀光栅(15)、光栅支架(16)、柱形汇聚透镜(17)、线性可变滤光片(18)、背照式阵列探测器(19)、阵列驱动电路(20)、被动汇聚镜(22)、被动准直镜(24)、出射狭缝(25)、遮光屏(26)、红外探测器(27)、电动扫描台(28)、扫描控制器(29)、工作电路(30)；
接口(4)固定安装在双模光谱仪(7)上，宽谱光纤(3)接到接口(4)上，接口(4)中心开有狭缝(5)，其缝宽可调，用于控制对入射光的衍射；
三棱镜(10)上下两个面分别镀有主动全反膜(31)和被动全反膜(32)，用于分别对所需探测的LIBS主动光谱及红外被动光谱信号进行全反射；三棱镜(10)安装在电动台(2)上，可在电动台(2)的带动下沿上下做直线运动；主动闪耀光栅(14)和被动闪耀光栅(15)固定安装在光栅支架(16)上，用于分别对所需探测的LIBS主动光谱及红外被动光谱信号进行衍射分光；主动闪耀光栅(14)为高刻线数光栅，提供高的光学分辨率，但较窄的光谱范围，用于主动激光光谱分析；被动闪耀光栅(15)为低刻线数光栅，提供低光学分辨率，但较宽的谱段范围，用于被动反射光谱分析；红外探测器(27)前固定有带出射狭缝(25)的遮光屏(26)，只接收通过出射狭缝(25)的衍射光，遮光屏(26)可防止杂散光的影响；红外探测器(27)安装在电动扫描台(28)上，电动扫描台(28)在扫描控制器(29)的控制下，可沿扫描路径(33)作直线运动；扫描起始点为a，对应探测红外被动光谱范围的起始波长λ1，扫描的终点为b，对应探测红外被动光谱范围的终止波长λ2；将扫描的总长度b-a分成N等份，N即为采样点数，s为采样步长，s＝(b-a)/N；柱形汇聚透镜(17)可将衍射光更精细地聚焦至背照式阵列探测器(19)；线性可变滤光片(18)可阻挡高阶衍射光进入背照式阵列探测器(19)；背照式阵列探测器(19)由阵列驱动电路(20)驱动，背照式探测方式可提高探测灵敏度；红外探测器(27)由工作电路(30)驱动及进行传感信号放大；
主控制器(1)用于控制测距激光器(42)、LIBS脉冲激光器(35)、阵列驱动电路(20)、工作电路(30)、扫描控制器(29)、电动台(2)，并接收紫外探测器(37)、阵列驱动电路(20)、工作电路(30)的输出传感信号；主控制器(1)还用于给电动控制器(45)、电动台(2)以及扫描控制器(29)发送指令，实现对次镜(44)、三棱镜(10)以及红外探测器(27)的扫描控制；
实现自聚焦时，主控制器发出指令开启测距激光器；测距激光器发出的紫外连续激光沿主光轴行进，穿过施密特镜打在行星探测目标后，其反射信号沿主光轴反向传播，经施密特镜后，依次由主镜、次镜反射，穿过主双色镜以及主镜的中心孔，经中心透镜聚焦及后双色镜反射后，沿反射光轴(38)到达紫外探测器进行反射光强度的光电转换，紫外探测器将反射光强度光电转换得到的G值送至主控制器；主控制器发出指令给电动控制器，带动一维电动台上的次镜沿主光轴来回移动，同时不断接收新的G值，直至G值达到最大值；此时，次镜停止移动，达到自聚焦状态；
LIBS主动光谱探测时，主控制器发出指令给电动台，电动台带动三棱镜沿直线向下运动，直至入射光轴与主动全反膜的中心点相交；主控制器发出指令给阵列驱动电路，设定背照式阵列探测器的曝光时间；主控制器发出指令开启LIBS脉冲激光器；LIBS脉冲激光器发出的纳秒级脉冲激光，经全反镜、主双色镜反射，再经次镜、主镜反射穿过施密特镜聚焦至行星探测目标；行星探测目标受脉冲激光激发产生的LIBS光谱信号沿主光轴返回，经施密特镜后，依次由主镜、次镜反射，穿过主双色镜以及主镜的中心孔，经中心透镜聚焦穿过后双色镜至宽谱光纤；进入宽谱光纤的LIBS信号，通过狭缝后，沿入射光轴传输进双模光谱仪内部，经三棱镜上的主动全反膜反射后沿主动反射光轴向上传输；经主动准直镜反射并准直后，生成的准直平行光沿主动准直光轴传输；再经主动闪耀光栅衍射之后，沿主动衍射光轴传输；然后经主动汇聚镜反射并汇聚，通过柱形汇聚透镜精细聚光，以及线性可变滤光片阻挡高阶衍射光后，到达背照式阵列探测器；背照式阵列探测器将衍射光进行光电转换得到LIBS主动光谱，阵列驱动电路将该LIBS主动光谱送至主控制器存储；
红外被动光谱探测时，主控制器发出指令给电动台，电动台带动三棱镜沿直线向上运动，直至入射光轴与被动全反膜的中心点相交；主控制器发出指令给工作电路，设定红外探测器的曝光时间；主控制器发出指令给扫描控制器，设定好采样点数N，带动电动扫描台运动至扫描路径的起始点a；主控制器发出指令关闭LIBS脉冲激光器；由自然行星光照环境下行星探测目标自身反射产生的红外反射光，沿主光轴经施密特镜，依次由主镜、次镜反射，穿过主双色镜以及主镜的中心孔，经中心透镜聚焦穿过后双色镜至宽谱光纤；进入宽谱光纤的红外反射信号，通过狭缝后，沿入射光轴传输进双模光谱仪内部，经三棱镜上的被动全反膜反射后沿被动反射光轴向下传输；经被动准直镜反射并准直后，生成的准直平行光沿被动准直光轴传输；再经被动闪耀光栅衍射之后，沿被动衍射光轴传输；然后经被动汇聚镜反射并汇聚，通过出射狭缝，被红外探测器接收，并进行光电转换，得到扫描路径上a点衍射光对应的红外被动光谱值，工作电路将该光谱值送至主控制器存储；随后电动扫描台带着红外探测器沿扫描路径作直线运动，依次采样并转换扫描路径上所有N点的衍射光，并将对应的红外被动光谱值都送至主控制器存储，直至扫描至b点结束；
主光轴(40)与反射光轴(38)垂直；入射光轴(6)、主动衍射光轴(9)、主动反射光轴(11)、主动准直光轴(13)、被动反射光轴(21)、被动准直光轴(23)、被动衍射光轴(34)共面；主动衍射光轴(9)与被动衍射光轴(34)关于入射光轴(6)对称；主动反射光轴(11)与被动反射光轴(21)关于入射光轴(6)对称；主动准直光轴(13)与被动准直光轴(23)关于入射光轴(6)对称。
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