嫦娥三号巡视器载红外成像光谱仪技术荣获产品创新奖

     2016年5月10日,第二届“中国光学工程学会科技创新奖”举行了颁奖仪式,分为“中国光学工程学会创新技术奖”11 项和“中国光学工程学会创新产品奖”6 项。其中,技术奖一等奖 2 项、二等奖 4 项、三等奖 5 项;产品奖一等奖 2 项、二等奖 2 项、三等奖 2 项。

获得创新产品奖的有:中国科学院上海技术物理研究所《嫦娥三号巡视器载红外成像光谱仪技术》获得创新产品奖一等奖;浙江红相科技股份有限公司《CH4 气体检漏红外热像仪》获得创新产品奖三等奖。

创新产品奖一等奖丨中国科学院上海技术物理研究所《嫦娥三号巡视器载红外成像光谱仪技术》

嫦娥三号探测器由着陆器和巡视器组成。它们各自携带相应的有效载荷,在月球软着陆后,完成月面定位探测和巡视探测的科学任务。红外成像光谱仪基于巡视器平台,在重量、体积等限制条件下适应热、月尘等恶劣环境,实现对巡视区月面目标就位光谱与图像探测,获取月面目标高分辨率的可见至短波红外谱段的图像及光谱数据,为月表矿物组成与化学成分综合分析提供科学数据,如图示意。

嫦娥三号巡视器载红外成像光谱仪技术突破宽谱段图谱集成高灵敏度就位探测及定标体制、多通道射频驱动声光高效分光机制、月地协同定标方案和定标防尘隔热一体化组件技术、无运动高频调制锁相高灵敏度探测等核心技术,形成红外成像光谱仪产品,完成了对月面宽谱段高分辨率图谱集成同步探测及定标的任务。其主要创新成果为:

创新点1:宽谱段图谱集成高灵敏度就位探测及定标体制的探测体制

适应月面目标光照条件、资源约束及原位科学数据探测需求,提出了面阵凝视光谱成像结合单元光谱探测、月地协同探测及定标的高精度科学数据获取与定量化处理的图谱探测体制。其原理及特征在于:1)凝视面阵成像结合单元光谱的宽谱段图谱合一集成探测技术,实现高空间及高光谱分辨率;2)多通道AOTF高效分光及无运动高频调制锁相探测技术,实现高灵敏度探测;3)同步探测与月地协同定标,实现地外天体的定量化探测。红外成像光谱仪技术探头以不超过4.7 kg重量,在-20~+55ºC宽工作温度条件下,实现光谱范围450~2400 nm,光谱分辨率2~12 nm,以及在9%反照率15º太阳高度角低照度条件下的高信噪比探测。

创新点2:多通道声光高效分光及探测机制

面向低光照、低反射率、大动态限制工作条件下的高性能图谱集成探测与定标,提出单体多通道AOTF设计方法,突破了射频驱动电路及AOTF研制的关键技术,解决了宽频段高效分光技术难题。主要包括以下几方面:1)多通道射频驱动声光高效分光及光谱编程探测理论;2)宽谱段空间应用AOTF高效分光器件的自主研制;3)宽频多路及高频可选调制射频驱动电路;4)正交偏振及光电组合杂光遏制技术。成功实施四通道声光调制分光结合双探测器的探测体制,实现了我国声光调制技术的首次空间应用,满足宽谱段、高信噪比探测的同时适应就位探测资源约束。

创新点3:月地协同定标方案和定标防尘隔热一体化组件技术

基于月面原位矿物成分分析应用需求,结合月面原位探测载荷资源及环境条件,提出月面原位太阳漫反射板结合实验室模拟光谱定标的月地协同定标方案,设计新型超声驱动的定标、防尘、隔热一体化集成组件,在实现高精度定标的同时,满足月面防尘、隔热的要求。主要包括以下几方面:1)基于朗伯漫射定理,建立月地协同的月面目标高光谱定量化探测定标理论;2)仿真分析及试验验证相结合,实现宽谱段、大动态范围、多视角的光谱定标并形成其环境影响校正算法;3)基于超声电机驱动的定标、防尘、隔热一体化轻小型集成定标组件研制;4)建立高精度、宽波段、多溯源参考的实验室光谱和辐射定标系统。

创新点4:低照度目标、宽温度范围下的无运动高频调制锁相高灵敏度探测技术

红外成像光谱仪采用无运动高频调制锁相高灵敏度探测技术实现低照度目标、宽温度范围下的光谱高性能探测。具体措施为:1)基于AOTF分光组件快速射频驱动特性,通过信号光500 Hz的高频调制实现无运动部件的高灵敏度红外锁相探测;2)采用射频可编程光谱采样、积分时间可调工程方法实现高灵敏度、大动态范围的高光谱成像数据获取。

作者:中国光学工程学会(微信号:gh_78a2bdc79040),中高会产学研合作协调部(微信号:CHINA-HI-TECH-IA)

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