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AS期刊

國際期刊Atomic Spectroscopy (ISSN: 0195-5373) 由Dr. Walter Slavin于1962年創(chuàng)辦，刊登原子光譜技術(shù)新方法及應用、新儀器/部件研發(fā)、元素同位素樣品前處理技術(shù)、標準物質(zhì)開發(fā)等。

深空探測已成為航天大國競相角逐的戰(zhàn)場。2021年，隨著美國“毅力”號和中國“祝融”號火星車相繼落火，加上2012年落火至今仍在工作的美國“好奇”號火星車，新一輪火星探測尤其是物質(zhì)成分探測的競爭拉開帷幕。由于地球和火星環(huán)境的差異可能會導致火星土壤的變異，且取樣帶回地球目前也是巨大的挑戰(zhàn)，因此三輛火星車均采用搭載基于激光誘導擊穿光譜(LIBS)儀器對火星物質(zhì)成分進行原位測量：“祝融”號的MarSCoDe（圖1）、“毅力”號的SuperCAM以及“好奇”號的ChemCAM。LIBS是一種原子發(fā)射光譜技術(shù)，它利用脈沖激光燒蝕激發(fā)待測物產(chǎn)生等離子體，通過分析等離子體冷卻時樣品原子/離子輻射譜線，獲得樣品中元素組分和含量，相當于一種“元素相機”。

圖1 中國“祝融”號火星車及其LIBS載荷MarSCoDe

LIBS檢測具有無樣品前處理、快速元素分析、結(jié)構(gòu)緊湊堅固、自清潔能力、深度剖面分析、適應復雜環(huán)境等優(yōu)點，可以彌補X射線熒光儀器缺乏分析輕元素（原子質(zhì)量<20）的缺陷。輕元素在深空探測中非常重要，它們廣泛存在于粘土礦物和其他巖石風化產(chǎn)物中，可用于表征火星過去的氣候環(huán)境；其中碳、氮和氧的譜線也可用來判斷有機物的存在。

2021年5月15日，中國首次火星探測任務“天問一號”著陸器在火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū)著陸，在火星上首次留下印跡，邁出了星際探測的重要一步。由中國科學院上海技術(shù)物理研究所負責研制的火星表面成分探測儀MarSCoDe (Mars Surface Composition Detector) 是我國*LIBS行星物質(zhì)成分分析儀，搭載在“祝融”號火星車成功著陸并開展科學任務，儀器的結(jié)構(gòu)設計、功能及實現(xiàn)等研究內(nèi)容將以封面文章的形式發(fā)表在國際老牌光譜期刊《Atomic Spectroscopy》上（https://doi.org/10.46770/AS.2021.608），MarSCoDe團隊中國科學院上海技術(shù)物理研究所的萬雄研究員為論文第一及通訊作者，中國科學院上海技術(shù)物理研究所徐衛(wèi)明研究員、賈建軍研究員為論文共同通訊作者。

MarSCoDe主要由五大部分組成（圖2），其中兩維指向鏡（BPM）、光學頭部和在軌定標板（CTA）在火星車艙外，另外三通道光譜儀模塊（SM）和載荷控制器則在艙內(nèi)。LIBS激光器發(fā)射的脈沖激光經(jīng)過光學頭部擴束聚焦，BPM反射改變方向至探測對象。在探測點處激發(fā)出的LIBS信號沿反向先后經(jīng)BPM、光學頭部后，通過一根LIBS光纖，送至艙內(nèi)的SM進行分析。載荷控制器負責設置LIBS的工作參數(shù)及存儲最后的LIBS數(shù)據(jù)。

圖2 MarSCoDe的結(jié)構(gòu)圖

由于“祝融”號火星車采用太陽能，因此沒有足夠的能量來維持三通道光譜儀在火星低溫環(huán)境下（通常低與零下50oC）的溫度，此時低溫會引起LIBS光譜的巨大漂移。團隊提出了一種基于粒子群（PSO）優(yōu)化的在軌定標方法，用于修正光譜系統(tǒng)的在軌漂移（圖3）。

圖3 基于PSO的在軌定標方法

圖4 基于CNN的元素分析

MarSCoDe主要分析的元素包括Si、O、C、S、H、Na、Ca、Mg、Mn、Fe、Al和Ti，為了實現(xiàn)這些元素的定量分析，團隊提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）的定量分析方法（圖4）。這個CNN包括歸一化層、卷積層、池化層、串聯(lián)層、回歸層、密集層、輸入和輸出層。將數(shù)據(jù)集劃分為訓練集（Training set）和驗證集（Validation set）。對于建庫物質(zhì)的60個光譜數(shù)據(jù)，59個光譜送入網(wǎng)絡進行模型訓練，剩余一個光譜作為驗證集。通過訓練后，完善CNN。在軌檢測時，將對應的經(jīng)粒子群修正的原始LIBS光譜輸入神經(jīng)網(wǎng)絡，可得到其組成元素的含量，并根據(jù)堿硅比獲得其礦物種類（圖5）。

圖5 依據(jù)堿硅比進行目標分類

參考文獻

1. R. C. Wiens, S. Maurice, B. Barraclough, et al. The ChemCam instruments on the Mars Science Laboratory (MSL) rover: body unit and combined system performance. Space Sci. Rev., 2012, 170, 167–227. https://doi.org/10.1007/s11214-012-9902-4

2. S. Maurice, R. C. Wiens, M. Saccoccio, et al.. The ChemCam instruments on the Mars Science Laboratory (MSL) rover: science objectives and mast unit, Space Sci. Rev., 2012, 170, 95–166. https://doi.org/10.1007/s11214-012-9912-2

3. R. C. Wiens, S. Maurice, and F. R. Perez. The SuperCam remote sensing instrument suite for the Mars 2020 rover mission: a preview. Spectroscopy-US, 2017, 32(5), 50–55.

4. X. Wan, R. J. Yuan, H. P. Wang, Y. L. Cheng, J. J. Jia, R. Shu, W. M. Xu, C. H. Li, Y. J. Xin, H. Z. Ma, P. P. Fang, and Z. C. Ling, Elastic Particle Swarm Optimization for MarSCoDe Spectral Calibration on Tianwen-1 Mars Rover, Anal. Chem., 2021, 93, 7970-7977. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c00832

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通信作者簡介

萬 雄

中國科學院上海技術(shù)物理研究所，國家二級研究員，博導。中科院“百人計劃”入選者、Georgia Tech高級研究學者、國際空間科學研究所（ISSI）核心專家，曾任國家實驗示范中心主任。發(fā)表論文140篇(其中SCI收錄論文56篇)。研究領域激光光譜、生物光子學、仿生光學等，參與國家重大航天工程“火星探測”“嫦娥3號”。主持完成及在研科研項目10項，獲省部級以上科研獎勵5項。

徐衛(wèi)明

中國科學院上海技術(shù)物理研究所，研究員，博導。2000年畢業(yè)于北京師范大學物理學專業(yè)，獲得理學學士學位，2005年畢業(yè)于中國科學院上海技術(shù)物理研究所物理電子學專業(yè)，獲得博士研究生學位。長期致力于空間光電儀器及其應用技術(shù)研究。

賈建軍

中國科學院上海技術(shù)物理研究所，研究員，博導，主任設計師。中國科學院大學，國科大杭州高等研究院雙聘教授，引力波太極宇宙實驗室（杭州）副主任，長期從事空間光電儀器設計與工程型號研制工作。對空間光電跟瞄系統(tǒng)、激光通信，激光遙感系統(tǒng)設計等核心技術(shù)深入研究，曾深度參與“墨子號量子科學實驗衛(wèi)星”、“天宮系列”、“嫦娥工程系列”等多個空間光電載荷的型號任務，擔任“墨子號”衛(wèi)星量子糾纏發(fā)射機主任設計師等多個崗位職務，同時也是多個預研課題負責人。目前主要從事空間主動光電與量子精密測量、空間大口徑望遠鏡、空間引力波探測技術(shù)研究，并積極從事空間光通信，量子通信產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)讓推廣。