專利名稱：星球表面幾何特征及其物質(zhì)成份的同步測試系統(tǒng)及方法
技術領域：
本專利涉及幾何特征及其物質(zhì)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(zhì)成份的激光測試系統(tǒng)及方法，它用于深空探測中外星球表面目標區(qū)域幾何特征及物質(zhì)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(zhì)成份分析是一項重要的任務。傳統(tǒng)的測試往往是表面形貌測試及物質(zhì)化學成份分析采用不同的系統(tǒng)，分開進行，其缺點是無法將幾何特征點與其物質(zhì)成份一一對應，并且因采用了兩套系統(tǒng)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(zhì)成份探測結(jié)合起來，設計新的探測系統(tǒng)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(zhì)成份分析系統(tǒng)中存在的一些問題，提出一種星球表面幾何特征及其物質(zhì)成份的同步測試系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法可在同一套系統(tǒng)中， 把星球表面目標區(qū)域幾何特征點表面形貌及其物質(zhì)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(jīng)濟性。

發(fā)明內(nèi)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(zhì)成份的同步測試系統(tǒng)及方法。該方法采用主分析及控制系統(tǒng)發(fā)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(qū)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(jīng)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(jù)不同的譜線分布，分析該星球表面聚焦點的物質(zhì)成份。完成星球表面掃描區(qū)域所有點的掃描后，重建出區(qū)域的三維表面形貌并同時標定出表面各特征點的物質(zhì)成份。本專利的技術方案是這樣來實現(xiàn)的，當星球著陸器到達離星球表面目標區(qū)域上方一定高度時懸停，由主分析及控制系統(tǒng)發(fā)出第一個目標區(qū)域特征點X及Y軸轉(zhuǎn)動角度值信號，帶動旋轉(zhuǎn)多面體掃描鏡旋轉(zhuǎn)至預定位置并啟動1064·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(shù)器開始計數(shù)；另一路被主分束鏡反射后，經(jīng)聚焦光學系統(tǒng)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(chǎn)生的等離子體輻射光譜信號?；夭ㄐ盘柲嫦蛲ㄟ^聚焦光學系統(tǒng)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(jīng)光纖耦合器入射進光纖，由光譜儀內(nèi)的衍射光柵對激光誘導產(chǎn)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(jīng)放大器放大后，控制計數(shù)器停止計數(shù)同時啟動數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器DG535，經(jīng)一定的延時后，控制增強型成像器件ICXD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(jù)不同的譜線分布，分析該星球表面聚焦點的物質(zhì)成份；同時激光雷達運算電路根據(jù)計數(shù)器的數(shù)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(qū)域平面坐標，以重建目標區(qū)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(jié)束后，將結(jié)果送至主分析及控制系統(tǒng)，綜合兩者信息可同步得出這一聚焦點幾何特征及物質(zhì)成份信息。然后由主分析及控制系統(tǒng)發(fā)出下一個目標區(qū)域特征點控制信號，帶動旋轉(zhuǎn)多面體掃描鏡旋轉(zhuǎn)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(qū)域特征點的幾何特征及物質(zhì)成份信息。當完成整個目標區(qū)域掃描后， 可重建出區(qū)域的三維表面形貌并同時標定出表面各點的物質(zhì)成份。


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(zhuǎn)多面體掃描鏡；5X軸步機電機；6——望遠鏡系統(tǒng)；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(shù)器；19——數(shù)字延遲脈沖發(fā)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(tǒng)；25——控制信號分配器J6——激光脈沖控制器；27——Y軸步機電機。
具體實施例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(qū)域上方一定高度時懸停，由主分析及控制系統(tǒng)M發(fā)出第一個目標區(qū)域特征點X及Y軸轉(zhuǎn)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(jù)接收到的控制信號，帶動旋轉(zhuǎn)多面體掃描鏡4旋轉(zhuǎn)至預定位置；激光脈沖控制器沈接收到控制信號后，啟動 1064nm脈沖激光器7。脈沖激光經(jīng)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(shù)器18開始計數(shù)；另一路被主分束鏡10反射后，經(jīng)望遠鏡系統(tǒng)6、全反鏡3、旋轉(zhuǎn)多面體掃描鏡4組成的聚焦光學系統(tǒng)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(chǎn)生的等離子體輻射光譜信號?；夭ㄐ盘柲嫦蛲ㄟ^聚焦光學系統(tǒng)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(jīng)光纖耦合器 12入射進光纖13，由光譜儀21內(nèi)的衍射光柵對激光誘導產(chǎn)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(jīng)放大器17放大后，控制計數(shù)器18停止計數(shù)同時啟動數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器DG53519，經(jīng)一定的延時后，控制增強型成像器件ICXD 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(jù)不同的譜線分布，分析該星球表面聚焦點的物質(zhì)成份；同時激光雷達運算電路20根據(jù)計數(shù)器18的數(shù)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(qū)域平面坐標，以重建目標區(qū)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(jié)束后，將結(jié)果送至主分析及控制系統(tǒng)對，綜合兩者信息可同步得出這一聚焦點幾何特征及物質(zhì)成份信息。然后由主分析及控制系統(tǒng)M發(fā)出下一個目標區(qū)域特征點X及Y軸轉(zhuǎn)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及激光脈沖控制器沈。X軸步機電機5及Y軸步機電機27根據(jù)接收到的控制信號，帶動旋轉(zhuǎn)多面體掃描鏡4旋轉(zhuǎn)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(qū)域特征點的幾何特征及物質(zhì)成份信息。當完成整個目標區(qū)域掃描后，可重建出區(qū)域的三維表面形貌并同時標定出表面各點的物質(zhì)成份。
權(quán)利要求
1.一種星球表面幾何特征及其物質(zhì)成份的同步測試系統(tǒng)，它包括全反鏡(3)、旋轉(zhuǎn)多面體掃描鏡(4)、X軸步機電機(5)、Y軸步機電機(XT)、望遠鏡系統(tǒng)(6)、1064nm脈沖激光器 (7)、擴束鏡(8)、凸透鏡(9)、主分束鏡(10)、次分束鏡(11)、光纖耦合器(12)、光纖(13)、 1064nm窄帶濾光片(14)、PIN光電探測器(15)、激光采樣接收器(16)、放大器(17)、計數(shù)器 (18)、數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器DG535(19)、激光雷達運算電路(20)、光譜儀(21)、增強型成像器件ICCDO》、激光誘導等離子體信號計算電路(23)、主分析及控制系統(tǒng)(M)、控制信號分配器0 及激光脈沖控制器( )，其特征在于當星球著陸器到達離星球表面(1)目標區(qū)域上方一定高度時懸停，由主分析及控制系統(tǒng)04)發(fā)出第一個目標區(qū)域特征點X及Y軸轉(zhuǎn)動角度值信號至控制信號分配器(25)，由控制信號分配器0 將控制信號分別傳送至X軸步機電機(5)、Y軸步機電機(XT)及激光脈沖控制器06) ；X軸步機電機( 及Y軸步機電機(XT)根據(jù)接收到的控制信號，帶動旋轉(zhuǎn)多面體掃描鏡(4)旋轉(zhuǎn)至預定位置；激光脈沖控制器06)接收到控制信號后，啟動1064nm 脈沖激光器(7)，脈沖激光經(jīng)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(shù)器(18)開始計數(shù)；另一路被主分束鏡(10)反射后，經(jīng)望遠鏡系統(tǒng)(6)、全反鏡(3)、旋轉(zhuǎn)多面體掃描鏡(4)組成的聚焦光學系統(tǒng)聚焦后打到星球表面聚焦點O)；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(chǎn)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(tǒng)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(jīng)光纖耦合器(1 入射進光纖(13)，由光譜儀內(nèi)的衍射光柵對激光誘導產(chǎn)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(jīng)放大器(17) 放大后，控制計數(shù)器(18)停止計數(shù)同時啟動數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器DG535 (19)，經(jīng)一定的延時后，控制增強型成像器件ICCD0 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(jù)不同的譜線分布，分析該星球表面聚焦點的物質(zhì)成份；同時激光雷達運算電路00)根據(jù)計數(shù)器(18)的數(shù)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(qū)域平面坐標，以重建目標區(qū)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00)運算結(jié)束后，將結(jié)果送至主分析及控制系統(tǒng)(M)，綜合兩者信息可同步得出這一聚焦點幾何特征及物質(zhì)成份信息；然后由主分析及控制系統(tǒng)04)發(fā)出下一個目標區(qū)域特征點X及Y軸轉(zhuǎn)動角度值信號至控制信號分配器(25)，由控制信號分配器0 將控制信號分別傳送至X軸步機電機(5)，Y軸步機電機(XT)及激光脈沖控制器06)，X軸步機電機(5)及Y軸步機電機(XT)根據(jù)接收到的控制信號，帶動旋轉(zhuǎn)多面體掃描鏡(4)旋轉(zhuǎn)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(qū)域特征點的幾何特征及物質(zhì)成份信息；當完成整個目標區(qū)域掃描后，可重建出區(qū)域的三維表面形貌并同時標定出表面各點的物質(zhì)成份。
2.一種基于權(quán)利要求1所述測試系統(tǒng)的星球表面幾何特征及其物質(zhì)成份的同步測試方法，其特征在于包括以下步驟1)回波信號被分成兩路，其中1064nm激光反射信號被用于測量星球表面聚焦點的距離；激光誘導的等離子體光譜信號被光譜儀及ICCD接收，根據(jù)不同的譜線分布，分析該星球表面聚焦點的物質(zhì)成份；2)主分析及控制系統(tǒng)發(fā)出X及Y軸旋轉(zhuǎn)角度信號，控制X軸步機電機、Y軸步機電機旋轉(zhuǎn)，使脈沖激光聚焦至掃描區(qū)域不同的特征點；3)重復步驟1)得到新聚焦點的距離及分析出新聚焦點的物質(zhì)成份；4)完成星球表面掃描區(qū)域所有點的掃描后，重建出區(qū)域的三維表面形貌并同時標定出表面各點的物質(zhì)成份。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種星球表面幾何特征及其物質(zhì)成份的同步測試系統(tǒng)及方法。它采用主分析及控制系統(tǒng)發(fā)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(qū)域的不同特征點?；夭ㄐ盘栔械?064nm激光反射信號被PIN光電探測器接收，得到聚焦點距離并經(jīng)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(jù)不同的譜線分布，分析該星球表面聚焦點的物質(zhì)成份。完成星球表面掃描區(qū)域所有點的掃描后，重建出區(qū)域的三維表面形貌并同時標定出表面各特征點的物質(zhì)成份。
文檔編號G01N21/62GK102353343SQ201110187550
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者萬雄, 王建宇, 舒嶸 申請人:中國科學院上海技術物理研究所