[發明專利]星球表面幾何特征及其物質成份的同步測試系統及方法

有效

• 申請號: 201110187550.5
• 申請日: 2011-07-06
• 公開（公告）號: CN102353343A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 萬雄;王建宇;舒嶸
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01N21/27;G01N21/62
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本專利涉及幾何特征及其物質成份的測試技術，具體指一種同時獲取星球表面三維形貌及物質成份的激光測試系統及方法，它用于深空探測中外星球表面目標區域幾何特征及物質化學成份的同步分析。

背景技術

在深空探測中，對外星球表面形貌及物質成份分析是一項重要的任務。傳統的測試往往是表面形貌測試及物質化學成份分析采用不同的系統，分開進行，其缺點是無法將幾何特征點與其物質成份一一對應，并且因采用了兩套系統增加了星球著陸器的載荷，增加了深空探測的成本。因此如何把幾何特征點表面形貌與其物質成份探測結合起來，設計新的探測系統及方法，減少著陸器載荷具有重要的意義。

本專利針對星球表面形貌及物質成份分析系統中存在的一些問題，提出一種星球表面幾何特征及其物質成份的同步測試系統及方法，該系統及方法可在同一套系統中，把星球表面目標區域幾何特征點表面形貌及其物質成份同時探測出來，可減小著陸器的載荷，提高深空探測的經濟性。

發明內容

本專利的目的是提供一種深空探測中，星球表面幾何特征及其物質成份的同步測試系統及方法。該方法采用主分析及控制系統發出控制信號啟動控制信號分配器，由控制信號分配器將控制信號分別傳送至X軸步機電機，Y軸步機電機及激光脈沖控制器，以啟動紅外脈沖激光器聚焦至星球表面掃描區域的不同特征點。回波信號中的1064nm激光反射信號被PIN光電探測器接收，得到聚焦點距離并經一定的延時后，控制增強型成像器件ICCD進行曝光，獲取光譜儀分光后的等離子體光譜圖像，根據不同的譜線分布，分析該星球表面聚焦點的物質成份。完成星球表面掃描區域所有點的掃描后，重建出區域的三維表面形貌并同時標定出表面各特征點的物質成份。

本專利的技術方案是這樣來實現的，當星球著陸器到達離星球表面目標區域上方一定高度時懸停，由主分析及控制系統發出第一個目標區域特征點X及Y軸轉動角度值信號，帶動旋轉多面體掃描鏡旋轉至預定位置并啟動1064nm脈沖激光器。脈沖激光分為兩路：一路直接通過主分束鏡被激光采樣接收器接收后立即啟動計數器開始計數；另一路被主分束鏡反射后，經聚焦光學系統聚焦后打到星球表面聚焦點。星球表面聚焦點被脈沖激光擊中后，回波信號中既有1064nm的激光反射信號又包含激光脈沖誘導產生的等離子體輻射光譜信號。回波信號逆向通過聚焦光學系統后被次分束鏡分成光程相等的兩路：一路直接通過分束鏡，經光纖耦合器入射進光纖，由光譜儀內的衍射光柵對激光誘導產生的等離子體光譜信號進行分光；一路被分束鏡反射后通過1064nm窄帶濾光片，回波信號中的1064nm激光反射信號被PIN光電探測器接收，經放大器放大后，控制計數器停止計數同時啟動數字延遲脈沖發生器DG535，經一定的延時后，控制增強型成像器件ICCD進行曝光，獲取光譜儀分光后的等離子體光譜圖像。激光誘導等離子體信號計算電路根據不同的譜線分布，分析該星球表面聚焦點的物質成份；同時激光雷達運算電路根據計數器的數字及真空中的光速可計算出該聚焦點離PIN光電探測器的距離，并通過坐標變換得到該聚焦點對應的目標區域平面坐標，以重建目標區域三維表面形貌；激光誘導等離子體信號計算電路及激光雷達運算電路運算結束后，將結果送至主分析及控制系統，綜合兩者信息可同步得出這一聚焦點幾何特征及物質成份信息。然后由主分析及控制系統發出下一個目標區域特征點控制信號，帶動旋轉多面體掃描鏡旋轉至下一個預定位置；重復以上信號采集及分析過程，可得下一個目標區域特征點的幾何特征及物質成份信息。當完成整個目標區域掃描后，可重建出區域的三維表面形貌并同時標定出表面各點的物質成份。

附圖說明

圖1為本專利的原理圖，圖中：1——星球表面；2——表面聚焦點；3——全反鏡；4——旋轉多面體掃描鏡；5X軸步機電機；6——望遠鏡系統；7——1064nm脈沖激光器；8——擴束鏡；9——凸透鏡；10——主分束鏡；11——次分束鏡；12——光纖耦合器；13——光纖；14——1064nm窄帶濾光片；15——PIN光電探測器；16——激光采樣接收器；17——放大器；18——計數器；19——數字延遲脈沖發生器DG535；20——激光雷達運算電路；21——光譜儀；22——增強型成像器件ICCD；23——激光誘導等離子體信號計算電路；24——主分析及控制系統；25——控制信號分配器；26——激光脈沖控制器；27——Y軸步機電機。

具體實施方式

本專利的原理如圖1所示，當星球著陸器到達離星球表面1目標區域上方一定高度時懸停，由主分析及控制系統24發出第一個目標區域特征點X及Y軸轉動角度值信號至控制信號分配器25，由控制信號分配器25將控制信號分別傳送至X軸步機電機5，Y軸步機電機27及激光脈沖控制器26。X軸步機電機5及Y軸步機電機27根據接收到的控制信號，帶動旋轉多面體掃描鏡4旋轉至預定位置；激光脈沖控制器26接收到控制信號后，啟動1064nm脈沖激光器7。脈沖激光經擴束鏡8、凸透鏡9至主分束鏡10后分為兩路：一路直接通過主分束鏡10被激光采樣接收器16接收后立即啟動計數器18開始計數；另一路被主分束鏡10反射后，經望遠鏡系統6、全反鏡3、旋轉多面體掃描鏡4組成的聚焦光學系統聚焦后打到星球表面聚焦點2。星球表面聚焦點2被脈沖激光擊中后，回波信號中既有1064nm的激光反射信號又包含激光脈沖誘導產生的等離子體輻射光譜信號。回波信號逆向通過聚焦光學系統后被次分束鏡11分成光程相等的兩路：一路直接通過分束鏡11，經光纖耦合器12入射進光纖13，由光譜儀21內的衍射光柵對激光誘導產生的等離子體光譜信號進行分光；一路被分束鏡11反射后通過1064nm窄帶濾光片14，回波信號中的1064nm激光反射信號被PIN光電探測器15接收，經放大器17放大后，控制計數器18停止計數同時啟動數字延遲脈沖發生器DG53519，經一定的延時后，控制增強型成像器件ICCD?22進行曝光，獲取光譜儀21分光后的等離子體光譜圖像。激光誘導等離子體信號計算電路23根據不同的譜線分布，分析該星球表面聚焦點的物質成份；同時激光雷達運算電路20根據計數器18的數字及真空中的光速可計算出該聚焦點離PIN光電探測器15的距離，并通過坐標變換得到該聚焦點對應的目標區域平面坐標，以重建目標區域三維表面形貌；激光誘導等離子體信號計算電路23及激光雷達運算電路20運算結束后，將結果送至主分析及控制系統24，綜合兩者信息可同步得出這一聚焦點幾何特征及物質成份信息。然后由主分析及控制系統24發出下一個目標區域特征點X及Y軸轉動角度值信號至控制信號分配器25，由控制信號分配器25將控制信號分別傳送至X軸步機電機5，Y軸步機電機27及激光脈沖控制器26。X軸步機電機5及Y軸步機電機27根據接收到的控制信號，帶動旋轉多面體掃描鏡4旋轉至下一個預定位置；重復以上信號采集及分析過程，可得下一個目標區域特征點的幾何特征及物質成份信息。當完成整個目標區域掃描后，可重建出區域的三維表面形貌并同時標定出表面各點的物質成份。