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红外成像光谱仪(Visible and Near-Infrared Imaging Spectrometer,VNIS)是“嫦娥三号、四号”巡视器(月球车)载有效载荷[4, 8],红外成像光谱仪由光谱仪探头及电控箱组成,通过电缆组件连接,其中探头安装于巡视器舱外,而电控箱部分安装在巡视器箱内。红外成像光谱仪的主要任务是在巡视器停止时,对月表目标进行可见近红外光谱成像及短波红外光谱探测,获取月表目标的光谱和几何图像数据,完成巡视区探测点矿物组成、含量(丰度)和与化学成分的原位分析。
红外成像光谱仪如图1所示[4],由可见近红外光谱成像通道(0.45 ~ 0.95 μm)和短波红外通道(0.9 ~ 2.4 μm)组成,通过接收月表目标漫反射的太阳辐射来完成对目标光谱的探测,主要技术指标如表1所示[4]。红外成像光谱仪采用声光可调滤光器(AOTF)作为核心分光元件,其系统框图如图2所示,具体包括声光调制分光光学系统、超声驱动定标防尘隔热一体化组件、轻型复合结构、数据获取及处理模块,主控系统等[5, 9]。月球表面矿物反射的太阳辐射,进入成像光谱仪,由仪器首先准直成平行光束,再由声光调制滤光器(AOTF)调制,形成某一波长的准单色光,会聚到探测器上,由此得到月表观测目标的单波段光谱及图像。红外成像光谱仪采用轻型超声电机实现定标、防尘、隔热功能,满足仪器在月面的昼、夜生存、防尘等环境适应性以及轻小型化要求。
表 1 红外成像光谱仪主要技术指标
Table 1. Key technical parameters of VNIS
No. Parameters Spectra VNIR SWIR 1 Spectral range/nm 450-950 900-2 400 2 Resolution 2-7 3-12 3 FOV/ (º) 8.5×8.5 Φ3.6 4 SNR/dB ≥31@9% Solar reflectance 5 Power consumption/W 19.8 6 Weight/kg 4.675(probe) ~0.7(electronics) -
月球矿物光谱分析仪(Lunar Mineralogical Spectrometer,LMS)是“嫦娥五号”任务探测器上的主要有效载荷,用以完成对月面目标的光谱探测和分析任务,为采样区月表物质成分和资源勘察,以及样品实验室测量结果比对研究提供科学数据。
月球矿物光谱分析仪照片如图3所示[8],其探测原理为:来自月球外的太阳辐射经月球表面的矿物反射后,入射到光谱分析仪的视场内,经声光可调滤光器分光(AOTF)后,形成某一波长的准单色光,如通过会聚镜会聚到单元探测器上,则得到目标的光谱信息,如会聚到面阵探测器上,则得到目标的光谱图像。通过改变AOTF的调制频率,从而改变透过AOTF的光波波长,最终获得所需的光谱曲线及指定波长的光谱图像。同时,通过集成设计的二维转动指向机构,按要求转动指向镜,实现对采样点的指向调整探测,从而满足对采样区的多点探测的任务需求。
月球矿物光谱分析仪工作原理框图如图4所示,其设计探测区域为大于2 m×2 m,指向镜转折角度范围为57.09°~117.09°,探测距离范围为1.6~5 m。
月球矿物光谱分析仪基于着陆器平台,主要沿用了VNIS的技术,但其将红外光谱范围从2.4 μm扩展到3.2 μm,且是一种集扫描、光谱可编程于一体的成像光谱仪,满足了科学应用及工程任务要求。
表 2 月球矿物光谱分析仪主要技术指标
Table 2. Key technical parameters of LMS
Description Specification requirements VIS/NIR SWIR Spectral coverage/nm 480–950 900–3 200 Spectral resolution/nm 5.0–25.0 5.0–25.0 FOV/(°) ≥ 3.0 × 3.0 ≥ 3.0 × 3.0 Effective pixels 256 × 256 1 Quantization/bits ≥10 ≥10 SNR (dB,albedo is 9% and solar incident angle is 45˚) ≥30 ≥30 Spectral sampling interval/nm 5 Power consumption/W 16.0 Weight/kg 5.6 -
红外成像光谱仪安装在“玉兔号”月球车的前面,它由可见近红外成像光谱仪(450~950 nm)和短波红外光谱仪光谱仪(900~2 400 nm)组成,实现我国基于声光可调滤光器分光的凝视型成像及光谱探测技术,以及超声电机驱动的月面定标防尘一体化集成技术的首次空间应用。“嫦娥三号”红外成像光谱仪于北京时间2013年12月23日上午10点10分首次开机进行探测及定标,随后获取了多组不同探测点的月壤光谱图像及光谱数据,用于巡视区矿物和化学成分综合研究。红外成像光谱仪月面获取的探测与定标图像,以及光谱数据为原始的光响应信号,经过数据处理后供科学应用。图5为红外成像光谱仪获取的月壤初步探测结果[5],图(a)为单带灰度图像,图(b)为白圆为ROI的DN曲线平均值,图(c)为SWIR通道的DN曲线,图(d)为入瞳的理论光谱辐射,初步分析其光谱具有辉石与橄榄石矿物月壤的典型吸收峰特征。
红外成像光谱仪分别于月面的4个位置进行了探测,获取了宝贵的科学数据,部分科学应用成果已形成论文在自然子刊(Nature communication)[10]、美国科学院院刊(PNAS)杂志[11]、RAA[5]等发表。
如图6所示,凌宗成团队通过对“嫦娥三号”着陆地点及在着陆地点附近的新陨石坑中岩石和土壤的原位分析,揭示了该地区年轻月海玄武岩的化学成分特征(含有较为丰富的橄榄石和钛铁矿矿物)。此项研究成果不仅证实了之前遥感研究的推测,而且更为确切地表明橄榄石矿物成分趋向于富铁的矿物端元[10]。
林扬挺团队利用被修正的高斯模型(MGM)法从4个VNIS光谱数据中提取出了月球土壤的矿物模态组成,如表3所示,对其矿物和化学成分进行研究后发现大约25亿年前月球还泛滥着火山喷发的熔岩[12],而科学家此前普遍认为月球在31亿年前就逐渐沉寂而少有地质活动了。
表 3 从月球土壤的VNIS谱中提取的结果
Table 3. Decoded results from the VNIS spectra of the lunar
Distance/m R ΘTi TiO2 ΘFe FeO OMAT Plagioclase Pyroxene 450 nm 415 nm 750 nm 950 nm CD005 19.79 0.043 0.043 0.070 0.061 1 1.175 5.8% 1.487% 18.8 0.312 15% 20.6% CD006 32.06 0.033 0.033 0.030 0.057 1.154 5.3% 1.482% 18.7 0.157 16.6% 20.3% CD007 38.72 0.027 0.027 0.025 0.047 1.195 6.4% 1.534% 19.5 0.158 17.5% 17.8% CD008 40.89 40.89 0.032 0.029 0.051 1.274 9.0% 1.489% 18.8 0.098 16.3% 13% Avg 6.6% 18.9 0.181 16.4% 17.9% -
“嫦娥四号”红外成像光谱仪在“嫦娥三号”(CE-3)的基础上[13],进一步开展月球背面巡视勘测任务。2019年1月4日,“嫦娥四号”红外成像光谱仪于月球背面展开工作,获得了月球背面近距离高分辨率的光谱数据,实现了人类历史上首次对月球背面的软着陆原位探测。“嫦娥四号”(CE-4)红外成像是光谱仪前3个月昼共在12个探测点进行了探测,其中8个探测点进行了同步在轨定标(目前已工作17个月昼,获取了约100个探测点的数据),如图7所示。基于“嫦娥四号”的探测数据研究结果,成功揭示了月球背面的物质组成,进一步丰富了人类对月球形成与演化的认识。
图 7 第一个月昼,“嫦娥四号”VNIS获得的反射率光谱
Figure 7. "Chang'e-4 "reflectance spectra acquired by the VNIS during the first lunar day
“嫦娥四号”着陆于南极-艾特肯(SPA)盆地,为探测月球内部的组成提供了难得的机会。“嫦娥四号”红外成像光谱仪科学数据研究成果之一(Nature期刊):李春来团队利用光谱初始观测结果推断出,月球背面存在以低钙辉石和橄榄石矿物为主的月球深部物质[13],不仅为解答长期困扰国内外学者的有关月幔物质组成问题提供了直接证据,也为完善月球形成与演化模型提供了支撑。
林杨挺团队利用玉兔二号在第4个月昼测量的光谱,首次推导出覆盖可见光-近红外波段的月表原位光度函数,获得了更准确的月壤FeO含量和成熟度。研究发现月球风化层岩石的光谱在1 µm和2 µm处显示最大吸收,可以被用来区分低钙辉石和高钙辉石检测得出月壤中橄榄石存在的可能性[14]。
Research and applications of In-Situ lunar surface spectral detection technology(Invited)
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摘要: 探测月球与行星表面物质化学成分是了解其起源及演化历史的关键,而光谱探测技术则是物质成分识别与定量反演研究的重要手段。原位(In-Situ)光谱探测有别于空间探测中的环绕器遥感及采样返回探测,是指在目标现场进行的近距离光谱探测。我国“嫦娥三号”任务科学研究与资源勘查,需要开展月球表面原位光谱探测技术研究,突破凝视型时序扫描的新型声光光谱探测关键技术,研发适应表面恶劣环境的高性能、轻小型、高可靠仪器,在国际上率先实现月球表面光谱原位探测及分析。论文结合以“嫦娥三号、四号”为典型应用的红外成像光谱仪,介绍据此发展起来的月球表面原位光谱探测技术,包括探测机制、工作模式及仪器的功能、性能与应用;最后,也简要介绍了即将应用的“嫦娥五号”月球矿物光谱分析仪。Abstract: Exploring the chemical composition of materials on the surface of the moon and planets is the key to research its origin and evolution history. Spectral detection technology is the major methods of material composition recognition and quantitative inversion. In-Situ spectral detection is different from remote sensing and sampling return detection, it refers to the short distance spectral detection performed at the target site. The lunar science research and resource exploration of "Chang'e-3 "mission need to implement the first In-Situ spectral detection technology on the lunar surface, by breaking through the key technologies of the new acousto-optic spectroscopic detection of staring time series scanning, we have developed high-performance, light and small, highly reliable instruments, adapted to the harsh surface environment, and become the first in the world to realize In-Situ spectral detection and analysis on the lunar surface of the moon. The paper takes "Chang'e-3 and 4" as typical applications, and introduces the In-Situ spectral detection technology of the lunar surface, including detection mechanism, working mode and the function, performance and application of the instrument; Finally, the "Chang'e-5" lunar mineral spectrometer was introduced which will be applied soon.
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Key words:
- lunar surface detection /
- spectral technology /
- In-Situ spectral detection
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表 1 红外成像光谱仪主要技术指标
Table 1. Key technical parameters of VNIS
No. Parameters Spectra VNIR SWIR 1 Spectral range/nm 450-950 900-2 400 2 Resolution 2-7 3-12 3 FOV/ (º) 8.5×8.5 Φ3.6 4 SNR/dB ≥31@9% Solar reflectance 5 Power consumption/W 19.8 6 Weight/kg 4.675(probe) ~0.7(electronics) 表 2 月球矿物光谱分析仪主要技术指标
Table 2. Key technical parameters of LMS
Description Specification requirements VIS/NIR SWIR Spectral coverage/nm 480–950 900–3 200 Spectral resolution/nm 5.0–25.0 5.0–25.0 FOV/(°) ≥ 3.0 × 3.0 ≥ 3.0 × 3.0 Effective pixels 256 × 256 1 Quantization/bits ≥10 ≥10 SNR (dB,albedo is 9% and solar incident angle is 45˚) ≥30 ≥30 Spectral sampling interval/nm 5 Power consumption/W 16.0 Weight/kg 5.6 表 3 从月球土壤的VNIS谱中提取的结果
Table 3. Decoded results from the VNIS spectra of the lunar
Distance/m R ΘTi TiO2 ΘFe FeO OMAT Plagioclase Pyroxene 450 nm 415 nm 750 nm 950 nm CD005 19.79 0.043 0.043 0.070 0.061 1 1.175 5.8% 1.487% 18.8 0.312 15% 20.6% CD006 32.06 0.033 0.033 0.030 0.057 1.154 5.3% 1.482% 18.7 0.157 16.6% 20.3% CD007 38.72 0.027 0.027 0.025 0.047 1.195 6.4% 1.534% 19.5 0.158 17.5% 17.8% CD008 40.89 40.89 0.032 0.029 0.051 1.274 9.0% 1.489% 18.8 0.098 16.3% 13% Avg 6.6% 18.9 0.181 16.4% 17.9% -
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