月壤含水特性原位快速預判傳感器設計與驗證

馬如奇，裘楨煒，潘 博，倪文成

(1. 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2. 中國科學院安徽光學精密機械研究所，合肥 230031)

0 引 言

深空探測是人類探索和認知宇宙的重要科學途徑，月球作為距離地球最近的天體，一直是深空探測領域的重要探測對象[1-2]。隨著近年來對月球探測和研究的不斷深入，月球極區(qū)水冰存在性以及月球水的來源再次成為月球探測研究的熱點和焦點問題[3-4]。中國已順利完成了“繞、落、回”三步走的月球探測總體戰(zhàn)略[5]，根據(jù)中國月球探測后續(xù)規(guī)劃，月球后續(xù)任務將對極區(qū)永久陰影坑進行無人就位采樣探測，并對水冰的存在性與來源性等科學問題展開研究[6-7]。

與目前各國已開展的中低緯度無人月球采樣探測任務相比，月球極區(qū)永久陰影坑采樣探測任務面臨諸多全新困難：如受光照、深低溫(40 K)等環(huán)境條件制約，探測器在永久陰影坑著陸后將無法得到能源補給，探測器坑內存活壽命及允許工作時間會受到嚴格限制；另外，永久陰影坑遙感數(shù)據(jù)表明坑內水冰分布不均勻，分布隨機性較大[8]。在前述困難客觀存在的前提下，通過實時對采樣設備產生的月壤樣品的含水特性進行原位快速預判，及時發(fā)現(xiàn)可供科學載荷分析的高含水概率月壤，并最大程度避免對不含水(或低含水)月壤樣品的誤送與誤分析，將會大幅提升坑內水冰就位采樣探測效率，增加探測器存活期內的采樣分析次數(shù)，從而有利于提高水冰證認概率。因此，月壤水冰原位快速預判技術是極區(qū)永久陰影坑水冰就位探測任務實施過程中亟待解決的關鍵性技術。

目前，可用于月壤含水特性探測的方法主要有熱重法、質譜法、光譜法、中子譜法、遙感雷達及熱電法等，各探測方法的典型特點如下：

(1)熱重法：通過對月壤進行控溫加熱，利用月壤加熱前后的質量差對月壤的含水量進行精確測量，該方法屬于接觸式測量，需對樣品進行加熱，測量精度較高，質量功耗較大，單次分析時間較長，宜用于地面科學分析載荷設計；

(2)質譜法：通過對月壤加熱后的氣體揮發(fā)分進行質譜分析，根據(jù)質譜分析結果對月壤是否含水及含水量進行反演，該方法屬于接觸式測量，需對樣品進行加熱，測量靈敏度高，測量精度較高，質量功耗較大，可用于在軌科學分析載荷設計[9-10]；

(3)中子譜法：通過對一定深度H分布的測量來間接推測該深度月壤水含量及水分布，推測結果易受包括-OH在內的其他含H物質影響，該方法屬于非接觸式、間接性測量，單次分析時間相對較長，比較適用于采樣區(qū)域初步選址[11]；

(4)遙感雷達：雷達探測深度較大，但抗干擾性較差，易受巖石等地質條件影響，高頻區(qū)水冰特性不明顯，且受質量體積等限制，宜配置在軌道器對探測區(qū)域進行大范圍尋址[12-13]；

(5)熱電法：通過測量不同溫度下月壤介電系數(shù)的差異對月壤是否含水及含水量進行反演，屬于接觸式測量，需對樣品進行加熱，測量精度較低，功耗極低且質量小，可用于就位粗判，但易導致水冰受熱升華[14]；

(6)光譜法：通過物質的光譜吸收或反射特性對物質成分及含量進行較為精確的測量，該方法屬于非接觸式、直接性測量，具有探測精度高、探測時間短、無需對樣品進行加熱等優(yōu)點，特別適用于月壤水冰原位預判[15-16]。

本文在對月球極區(qū)永久陰影坑采樣探測任務需求、采樣系統(tǒng)方案及極區(qū)月壤特性等進行分析的基礎上，重點對采用近紅外激光對月壤含水特性進行快速預判的傳感器設計、預判策略及試驗等進行研究，以期解決極區(qū)永久陰影坑水冰就位探測任務實施過程中面臨的月壤水冰原位快速預判關鍵技術。

1 設計分析

1.1 采樣任務分析

在月球極區(qū)永久陰影坑水冰就位采樣探測任務中，考慮水冰可能分布及極區(qū)月壤機械特性，采樣系統(tǒng)共配置了兩套獨立的采樣設備：采樣機械臂與鉆進采樣裝置。其中，鉆進采樣裝置采用回轉沖擊鉆進方式潛入月面并不斷排出鉆屑；采樣機械臂上配置水冰預判傳感器及采樣器，利用水冰預判傳感器對鉆進采樣裝置排出鉆屑樣品的含水特性進行實時預判，由采樣器對預判高含水概率的樣品進行采集并轉移至探測器配置的科學載荷設備開展進一步的精準分析。探測器可在月表移動，以拓展采樣區(qū)域。采樣系統(tǒng)組成及布局如圖1所示。

圖1 采樣探測系統(tǒng)總體設計Fig.1 Design of the sampling exploration system

通過對采樣系統(tǒng)任務過程分析可以看出，單次采樣任務可以分為鉆進排屑、樣品預判、樣品采集與樣品轉移4個關鍵環(huán)節(jié)。其中，樣品預判環(huán)節(jié)的主要目的是通過對鉆進采樣裝置鉆屑樣品的含水特性進行原位實時快速預判，及時發(fā)現(xiàn)可供科學載荷分析的高含水概率月壤，并最大程度避免對不含水(或低含水)月壤樣品的誤送與誤分析，以提升坑內水冰就位采樣探測效率，增加探測器存活期內的采樣分析次數(shù)，提高水冰證認概率。通過對預判環(huán)節(jié)分析，可明確采樣探測任務對水冰預判傳感器提出如下核心需求：

(1)質量輕、體積小、功耗低：根據(jù)采樣系統(tǒng)總體設計，水冰預判傳感器布置在采樣機械臂末端。為便于傳感器在機械臂末端布局，水冰預判傳感器的體積及質量應予以控制；考慮坑內能源無法補給，水冰預判傳感器的功耗不宜過高。

(2)預判敏度：水冰預判傳感器的核心用途是對鉆屑樣品是否含水進行預判，其雖非月壤樣品是否含水的表決性設備，但其預判結果會直接決定是否將月壤樣品轉移給科學載荷設備開展進一步精確分析。綜合考慮月球極區(qū)水冰分布遙感數(shù)據(jù)、探測器科學載荷設備分析敏度、預判傳感器資源約束等影響因素，確定臂載水冰預判傳感器的月壤含水量檢測限為1%(質量分數(shù))。

(3)預判速度：水冰預判傳感器對鉆進采樣裝置排出鉆屑的含水特性進行預判，因紅外光譜對月壤的穿透性較差，僅可對表層月壤含水特性進行預判，故為避免月壤堆積覆蓋對含水預判實時性的影響，綜合考慮深低溫環(huán)境含水月壤機械特性、鉆進采樣裝置鉆進速率、鉆進采樣裝置排屑效率等因素，確定水冰預判傳感器的單次檢測時間應為秒級。

(4)預判范圍：水冰預判傳感器配置在采樣機械臂上，通過機械臂運動對一定范圍內表層月壤含水特性進行預判；在對鉆進采樣裝置鉆屑進行預判時，綜合考慮月塵對傳感器影響、傳感器預判精度、機械臂構型布局，確定水冰預判傳感器的預判范圍：光斑直徑@檢測距離為5 cm@500 mm。

1.2 月壤特性分析

采用近紅外譜段對月壤含水特性進行預判探測的基本原理是含水月壤與干月壤的光譜反射特征存在差異，考慮月壤的含水率、礦物組分、粒徑分布、賦存形態(tài)及溫度等均會影響光譜的反射特性，故有必要對極區(qū)月壤特性進行分析研究，以為水冰預判傳感器的設計與測試提供基本依據(jù)。

鑒于目前已開展的月球探測任務均未獲取到極區(qū)月壤樣品，但通常認為極區(qū)具有與月陸相近的地質演化特征，極區(qū)月壤形成和演化歷史也與月陸區(qū)相近[17-18]，故極區(qū)月壤特性可參考已獲取的月陸地區(qū)月壤樣品研究數(shù)據(jù)。阿波羅16號是唯一在月陸地區(qū)著陸并采樣返回的任務，因此阿波羅16號樣品的分析結果可以真實反映月陸地區(qū)月壤特性，相關數(shù)據(jù)可以作為傳感器設計參考。根據(jù)阿波羅16號月壤分析結果，其在礦物組成上以斜長石與輝石為主，并含有少量玻璃體等物質，其中斜長石占比約為70%～80%；月壤粒徑分布與月海類似，主要由小于1 mm的顆粒組成，其平均粒徑約在101～268 μm之間；根據(jù)極區(qū)遙感數(shù)據(jù)分析，極區(qū)光照區(qū)平均溫度約高于110 K，永久陰影坑最低溫度接近40 K。

2 傳感器設計

2.1 探測波段優(yōu)選

水冰預判傳感器的關鍵探測目標是月壤中可能存在的水冰物質，故在傳感器光譜譜段選擇時應優(yōu)先考慮水冰自身的紅外光譜特性。根據(jù)美國USGS數(shù)據(jù)庫中標準水冰近紅外光譜數(shù)據(jù)(見圖2)，標準水冰在1.5 μm, 2.0 μm附近存在較明顯的局部吸收特性，而在1.2 μm, 1.8 μm附近存在較明顯的局部反射特性。因此，可選用1.2 μm與1.5 μm附近譜段的2組紅外激光組成一對差分探測光譜，選用1.8 μm與2.0 μm附近譜段的2組紅外激光組成一對差分探測光譜，通過利用水冰物質在2組差分探測光譜處的吸收/反射特性實現(xiàn)對水冰的預判探測。綜合考慮確定預判傳感器選用的紅外激光波長分別為1.272 μm, 1.512 μm, 1.854 μm, 2.004 μm。

根據(jù)前文月壤特性分析可知，極區(qū)月壤的主要成分是斜長石、輝石及少量玻璃體。根據(jù)ASTER和USGS數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，斜長石的吸收峰約在1.4 μm處，輝石的吸收峰約在1.4 μm與1.9 μm處，石英的吸收峰在1.45 μm, 1.92 μm處，故極區(qū)月壤主要成分的吸收峰與本方案選擇的1.512 μm, 2.004 μm有較明顯區(qū)分。另外，阿波羅16號月壤樣品的光譜分析結果顯示月壤樣品在本文選用波長處不存在明顯吸收特性。

圖2 水冰反射光譜(USGS)Fig.2 Water ice reflection spectrums (USGS)

綜上所述，通過分析極區(qū)月壤主要礦物的光譜數(shù)據(jù)，并參考阿波羅16號月壤樣品光譜分析結果，選用上述4個波長的激光，其中，選1.512 μm,2.004 μm兩個吸收帶以提高月壤水冰的預判概率及預判結果置信度；選擇吸收帶鄰近的1.272 μm, 1.854 μm兩個非吸收帶作為參考，以通過吸收波段與非吸收波段的光強比值對月壤水冰進行預判。

2.2 傳感器總體設計

傳感器主要由光學系統(tǒng)、電子學單元及結構單元3部分組成，如圖3所示。光學系統(tǒng)負責實現(xiàn)多模激光的合束準直、光路分時復用、出射光/反射光同軸傳輸、反射光接收耦合等功能；電子學單元負責實現(xiàn)多個激光器分時驅動控制、探測器信號處理、預判算法硬件實現(xiàn)及總線通信等功能；結構單元為光學系統(tǒng)及電子學單元提供結構支撐，并可為傳感器提供月塵與羽流防護。

圖3 傳感器基本組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of the sensor composition

2.3 光學系統(tǒng)設計

傳感器光學系統(tǒng)主要功能包括多模激光的合束準直、光路分時復用、出射光/反射光同軸傳輸、反射光接收耦合等，其光學方案如圖4所示。四路激光器出射的激光經合束準直后進入出射光纖，經出射光纖、反射鏡中心孔、散射光聚焦透鏡后照射到月壤上；出射光經月壤散射后被散射光聚焦透鏡接收，聚焦后的散射光通過反射鏡反射實現(xiàn)光路換向，后經反射光聚焦透鏡再次聚焦后投射到光學探測器并被光學探測器接收。在光學系統(tǒng)設計中，四路激光共用出射光路，發(fā)射光路與接收光路共軸設計并復用散射光聚焦透鏡，較好地實現(xiàn)了傳感器光學系統(tǒng)的輕小型化設計。

圖4 傳感器光學系統(tǒng)設計Fig.4 Design of the sensor’s optical system

傳感器選用四個不同波長的DFB半導體激光器作為探測光源，激光器采用單模光纖輸出。為實現(xiàn)四路激光對光學系統(tǒng)光路的分時復用，四個激光器的出射光經單模光纖引出后，在傳感器光路出射端進行多模光路合束與準直處理(如圖5)，光纖合束避免采用分束器等光學元件，有效減小了整個光學系統(tǒng)的質量與體積。

圖5 DFB激光器光纖合束示意圖Fig.5 Schematic diagram of fiber combination of the DFB laser

光學系統(tǒng)共包括2片聚焦透鏡及1片帶中心孔的反射鏡，所有鏡片尺寸空間為直徑Φ20×30 mm。出射光經散射光聚焦透鏡后在50 cm距離處照明光斑直徑約為5 cm；采用大投射光斑設計可有效避免月壤表面不同位置的反射率差異對反射光信號的影響，將反射率差異平均化處理，以提高回光光強的穩(wěn)定性；月壤散射光接收光路采用雙聚焦透鏡設計，以保證接收光斑始終處于探測器感光面之內；探測器感光面直徑為3 mm，以50 cm處光斑直徑5 cm為條件，對探測器接收光斑直徑仿真分析，結果表明感光面內的接收光斑直徑小于3 mm，能被探測器完全接收；實際工作時，當探測距離小于50 cm，對應的漫反射光也可完全被接收透鏡接收。

2.4 電子學單元設計

電子學單元集成在兩塊電路板上，包括四個激光器及其驅動控制電路、FPGA及其外圍電路、探測器電路、總線控制器電路及電源電路等。為實現(xiàn)四個激光器對光路的分時復用，四個DFB激光器采用分時工作模式，由單個驅動芯片采用“一拖四”方式進行驅動(如圖6)，四路DFB激光器采用并聯(lián)方式共用驅動電路，并由PMOS對激光器進行開關控制。

圖6 DFB激光器驅動電路設計方案Fig.6 Design of the DFB laser driver circuit

傳感器DFB激光器調制頻率設計為1 kHz，工作時四個激光器輪流開啟，即單個激光器的最大開關頻率為250 Hz，傳感器最小探測周期為4 ms。每個激光器啟動的占空比約為1/4，即單個探測周期內每個激光器的開啟時間為250 μs；探測器輸出的AD采樣率設計為500 kHz，故在單個激光器的開啟時間內可實現(xiàn)125次采樣，并通過多次采樣值累加來降低探測過程中的隨機誤差和噪聲。

基于傳感器電子學單元設計，在靜態(tài)探測模式，按照單次預判時間1 s計算，傳感器按照最小探測周期(4 ms)工作時，可通過獲取的250個探測周期的平均值或累加值來計算預判結果，以獲得較高的檢測精度；在動態(tài)探測模式下，按探測器平臺月面移動速度為0.2 m/s計算，為確保單次檢測過程中視場(光斑直徑5 cm)的變化不大于50%的總視場，單次預判時間需要控制在125 ms以內，故可以采用31個探測周期的平均值或累加值來計算預判結果，以獲得較高的檢測精度。

2.5 結構單元設計

傳感器結構單元主要為光學系統(tǒng)及電子學單元提供結構支撐，為傳感器提供月塵及羽流防護，結構單元總體設計如圖7所示。結構單元采用鎂合金材料，光學系統(tǒng)和電子學單元均螺接固定于結構框架內部，電路板板間走線及激光器光纖等內部活動組件沿框架點膠固定或螺接固定，確保傳感器能夠承受主動段力學環(huán)境。

圖7 傳感器結構設計Fig.7 Mechanical structure of the sensor

3 傳感器預判策略

3.1 工作模式

水冰預判傳感器配置在機械臂末端，除待機模式外，設計有兩種工作模式：1)靜態(tài)探測模式：當探測器平臺處于靜止狀態(tài)時，機械臂攜帶傳感器運動至靜態(tài)探測構型并進行構型保持，水冰預判傳感器負責對鉆進采樣裝置排出的靜態(tài)或準靜態(tài)鉆屑樣品的含水特性進行探測預判；2)動態(tài)探測模式：當探測平臺在月面移動時，機械臂攜帶傳感器運動至動態(tài)探測構型并進行構型保持，水冰預判傳感器隨機械臂腕關節(jié)做往復運動，對探測器行進路徑上表層月壤的含水特性進行探測預判。

3.2 在軌預判策略

采用近紅外譜段對月壤含水特性進行預判探測的基本原理是含水月壤與干月壤的光譜反射特征存在差異。依據(jù)前文分析，確定選取波長分別為1.272 μm, 1.512 μm, 1.854 μm, 2.004 μm的紅外激光作為傳感器探測光源。其中，選取標準水冰在1.512 μm, 2.004 μm的兩個吸收帶作為預判譜段，以提高月壤水冰預判結果可靠性；選取標準水冰吸收帶鄰近的1.272 μm, 1.854 μm兩個非吸收帶作為參考譜段；通過1.272 μm與1.512 μm譜段對月壤反射光光強比值、1.854 μm與2.004 μm譜段對月壤反射光光強比值來判定被測月壤是否含有水冰。采用雙波段光強比值進行預判的設計能夠避免反射率絕對量變化的影響，采用兩組吸收帶/非吸收帶比值有助于增強預判可靠性。傳感器在軌預判策略如下：

傳感器基于配置的標準靶標開展月面定標，獲取各個探測譜段在月面工作環(huán)境下的本底DN值

(1)

在月面工作段，利用光照區(qū)表層干月壤或經載荷設備測試確認的非含水月壤，獲取傳感器各個探測譜段對非含水月壤的DN值

(2)

非含水月壤的DN值dsoil將作為對待預判月壤樣品含水特性進行預判的參考。

采用傳感器對待測月壤樣品進行預判探測，獲取待測月壤樣品的DN值

(3)

式中：Dice(k)為第k個探測周期傳感器DN值矩陣；Dice1.2(s),Dice1.5(s),Dice1.8(s),Dice2.0(s)分別為傳感器各個探測波段在第s個采樣周期采集的探測器DN值；k為探測周期計數(shù)，k∈N；s為采樣周期計數(shù)，s∈N。

基于第k個探測周期傳感器DN值矩陣D(k)，計算第k個探測周期內傳感器各采樣周期的DN值累加值dice(k)

(4)

式中：S為傳感器單個探測周期內對光學探測器輸出值的采樣次數(shù)，S∈N+。

根據(jù)本文中傳感器電子學單元設計，每個激光器的開啟時間為250 μs，AD單次采樣時間為2 μs，則S=125。通過對探測器各波段采集的DN值進行累加處理，可降低探測過程中的隨機誤差和噪聲。

為降低單個探測周期的隨機誤差，對傳感器各個探測波段在各探測周期的DN值進行均值處理

(5)

式中：dice為傳感器單個預判周期各個波段探測器DN值均值;K為傳感器單個預判周期內允許探測次數(shù)，K∈N+。

假定一個預判周期為t秒，根據(jù)本文中傳感器電子學單元設計，單個探測周期為4 ms，則可計算一個預判周期內可完成的探測次數(shù)

K=1000t/4

(6)

計算1.2波段與1.5波段干月壤DN值比值

(7)

計算1.8波段與2.0波段干月壤DN值比值

(8)

計算1.2波段與1.5波段預判月壤DN值比值

(9)

計算1.8波段與2.0波段預判月壤DN值比值

(10)

計算兩個探測波段DN值比值的差值

ΔRice1.2/1.5=Rice1.2/1.5-Rsoil1.2/1.5

(11)

ΔRice1.8/2.0=Rice1.8/2.0-Rsoil1.8/2.0

(12)

若下式成立

(13)

則判定月壤樣品有較大概率含水冰。

3.3 在軌定標策略

根據(jù)預判策略，在使用前需完成傳感器本底DN值定標及干月壤DN定標。受飛行段空間環(huán)境影響及月面新應用環(huán)境與地面環(huán)境差異影響，月面工作段激光器可能會發(fā)生衰變，光學探測器響應特性可能會發(fā)生變化，而傳感器核心部件參數(shù)變化必將影響傳感器檢測限指標，進而可能導致傳感器預判結果失真。為消除傳感器自身參數(shù)變化對預判結果的影響，為傳感器配置了反射率確知的標準靶標，通過對定標靶標及深空暗目標(在軌條件下觀測背日深空)的觀測即可完成傳感器在軌定標，獲得各探測譜段在月面工作環(huán)境下的本底DN值dbase。

為消除地面模擬月壤與真實月壤的光譜反射特性差異對預判結果的影響，傳感器在工作前需開展干月壤定標。根據(jù)目前遙感數(shù)據(jù)，極區(qū)光照區(qū)表層月壤溫度較高，不滿足水冰穩(wěn)定賦存的溫度條件，故可利用極區(qū)光照區(qū)表層月壤獲取傳感器各個探測譜段對非含水月壤的DN值dsoil。

4 試驗驗證

4.1 傳感器樣機研制

基于前文中的傳感器光學系統(tǒng)、電子學單元及結構單元的設計，研制了傳感器工程樣機，如圖8所示。傳感器整機實測質量為495 g，實測包絡尺寸為64.5 mm×64.5 mm×156.5 mm，實測平均功耗16 W。

圖8 水冰預判傳感器實物照片F(xiàn)ig.8 Photo of the lunar water ice prediction sensor

4.2 含水月壤制備

為驗證傳感器檢測限，基于兩種類型的模擬月壤，分別制備10組低含水率模擬月壤樣品。月壤樣品制備及測試過程為：1)將月壤樣品加熱到140 ℃維持4 h，確保月壤水分烘干；2)在高溫條件下將月壤樣品轉移至充滿氮氣的密封罩中降溫并靜置24 h，采用水汽吸附法在樣品表層形成低含水率模擬月壤；3)在密封條件下，將待測試樣品轉移至充滿低溫氮氣的試驗系統(tǒng)中，并利用試驗系統(tǒng)中預置液氮工裝為月壤樣品降溫；4)在試驗系統(tǒng)內對低溫月壤樣品稱重后，將月壤樣品轉移至傳感器正下方500 mm處進行含水特性預判測試；5)測試完成后，將低溫月壤樣品從試驗系統(tǒng)中取出，將月壤樣品加熱到140 ℃維持4 h，確保月壤水分烘干后稱重。S1,S2兩類模擬月壤采用粒徑均小于1 mm的斜長巖與玄武巖并按照7∶3的比例配置，但斜長巖的采掘地域不同，低含水率模擬月壤參數(shù)見表1。

表1 低含水率模擬月壤過程參數(shù)Table 1 Process parameters of the simulated lunar soil with low water content

4.3 檢測限驗證試驗

為驗證傳感器檢測限等關鍵性指標，搭建了傳感器試驗驗證系統(tǒng)，如圖9所示。試驗系統(tǒng)由透明全密封手套箱及內置的電子天平、升降支架、傳感器樣機、液氮制冷工裝、溫度傳感器、樣品測試支架等組成。其中，升降支架用于調整傳感器與待測目標間的距離；溫度傳感器可實時測量含水月壤環(huán)境溫度；預判傳感器通過轉接電連接器與手套箱的測試控制器連接用于接收測試數(shù)據(jù)。試驗開始前，先向液氮制冷工裝的樣品腔和手套箱內充高純氮氣，待樣品腔內空氣排盡后，向液氮制冷工裝的樣品腔注入液氮，為測試樣品提供低溫環(huán)境；試驗實施過程中,測試環(huán)境維持暗室條件。

圖9 傳感器檢測限驗證試驗Fig.9 Verification test of the sensor detection limits

試驗步驟為：1)采用暗目標對傳感器定標，獲取傳感器本底數(shù)據(jù)dbase；2)對烘干的無水模擬月壤預判測試，獲取干壤定標數(shù)據(jù)dsoil；3)采用液氮對水汽吸附法制得的低含水率月壤樣品降溫，制備低溫月壤水冰；4)對稱重后的月壤水冰樣品預判測試，獲取測試數(shù)據(jù)dice；5)重復試驗完成全部樣品測試；6)將全部樣品再次烘烤去水并稱重；7)按預判策略處理測試數(shù)據(jù)，結果如表2、表3所示。

從測試結果可知：傳感器對兩類地面模擬月壤水冰樣品的檢測限分別為0.39%與0.28%，預判效果較好；月壤礦物組分及粒徑等特性確實會影響傳感器預判效果；單組光譜測試值中存在低含水率月壤可預判而鄰近高含水率月壤不可預判的情況，經采用標準水合物對傳感器進行復核測試后確認傳感器預判一致性良好，經分析確認傳感器測試數(shù)據(jù)波動是受低含水率模擬月壤制備工藝穩(wěn)定性因素影響。

本文的含水率檢測限專項驗證試驗是在地面常壓低溫環(huán)境下采用極區(qū)模擬月壤開展，傳感器在軌真實響應特性(光學、電子學)可能與文中驗證試驗存在差異?？紤]本文研制的傳感器采用光強比值算法，地月環(huán)境(溫度、真空)差異、試驗用模擬月壤與真實月壤特性差異(礦物組成、粒徑級配、含水率、水冰賦存形式等)等因素對傳感器最終預判結果的影響可通過預判算法有效消除；但傳感器自身本底在地月環(huán)境下的差異對預判最終結果的影響，則仍需通過在軌定標的方法予以解決。

表2 傳感器檢測限測試數(shù)據(jù)(S1)Table 2 Test data of the sensor detection limits (S1)

表3 傳感器檢測限測試數(shù)據(jù)(S2)Table 3 Test data of the sensor detection limits (S2)

4.4 檢測范圍驗證試驗

為驗證傳感器檢測范圍，設計了基于紅外相機的檢測范圍測量系統(tǒng)，如圖10所示。試驗時將傳感器鏡頭與漫反射板的距離調整為500 mm，并利用傳感器照射帶有刻度線的漫反射板，通過紅外相機對漫反射板位置成像，即可同時看到刻度線和光斑的像，測試結果如圖11所示，傳感器在500 mm處的探測光斑約為5 cm，符合設計預期。

圖10 傳感器檢測范圍驗證試驗Fig.10 Verification test of the sensor detection range

圖11 檢測范圍試驗結果Fig.11 The result of the detection range test

5 結 論

本文在對月球極區(qū)永久陰影坑采樣探測任務需求、極區(qū)月壤賦存形式及其基本物理特性、水冰原位探測技術現(xiàn)狀等進行分析的基礎上，結合月球極區(qū)永久陰影坑采樣探測總體方案，對基于紅外光譜探測技術的極區(qū)月壤含水特性原位快速預判技術進行研究，設計并研制了基于紅外光譜的水冰預判傳感器工程樣機?；谥苽涞膬深惗嘟M低含水率模擬月壤水冰樣品，開展了模擬月壤水冰原位快速預判專項試驗及傳感器檢測限與檢測范圍驗證試驗。試驗結果表明：本文設計研制的小型水冰預判傳感器對地面模擬月壤水冰的檢測限可達0.39%，單次檢測時間可優(yōu)于1 s，探測光斑直徑@檢測距離為5 cm@500 mm；經試驗驗證，采用多模紅外光譜對月壤水冰進行原位快速預判的技術方案可行。