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國(guó)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(yīng)用、新儀器/部件研發(fā)、元素同位素樣品前處理技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)開發(fā)等。

深空探測(cè)已成為航天大國(guó)競(jìng)相角逐的戰(zhàn)場(chǎng)。2021年，隨著美國(guó)“毅力”號(hào)和中國(guó)“祝融”號(hào)火星車相繼落火，加上2012年落火至今仍在工作的美國(guó)“好奇”號(hào)火星車，新一輪火星探測(cè)尤其是物質(zhì)成分探測(cè)的競(jìng)爭(zhēng)拉開帷幕。由于地球和火星環(huán)境的差異可能會(huì)導(dǎo)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(dǎo)擊穿光譜(LIBS)儀器對(duì)火星物質(zhì)成分進(jìn)行原位測(cè)量：“祝融”號(hào)的MarSCoDe（圖1）、“毅力”號(hào)的SuperCAM以及“好奇”號(hào)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(cè)物產(chǎn)生等離子體，通過分析等離子體冷卻時(shí)樣品原子/離子輻射譜線，獲得樣品中元素組分和含量，相當(dāng)于一種“元素相機(jī)”。

圖1 中國(guó)“祝融”號(hào)火星車及其LIBS載荷MarSCoDe

LIBS檢測(cè)具有無(wú)樣品前處理、快速元素分析、結(jié)構(gòu)緊湊堅(jiān)固、自清潔能力、深度剖面分析、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)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(cè)中非常重要，它們廣泛存在于粘土礦物和其他巖石風(fēng)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(jī)物的存在。

2021年5月15日，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問一號(hào)”著陸器在火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)著陸，在火星上首次留下印跡，邁出了星際探測(cè)的重要一步。由中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所負(fù)責(zé)研制的火星表面成分探測(cè)儀MarSCoDe (Mars Surface Composition Detector) 是我國(guó)*LIBS行星物質(zhì)成分分析儀，搭載在“祝融”號(hào)火星車成功著陸并開展科學(xué)任務(wù)，儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能及實(shí)現(xiàn)等研究?jī)?nèi)容將以封面文章的形式發(fā)表在國(guó)際老牌光譜期刊《Atomic Spectroscopy》上（https://doi.org/10.46770/AS.2021.608），MarSCoDe團(tuán)隊(duì)中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的萬(wàn)雄研究員為論文第一及通訊作者，中國(guó)科學(xué)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(xué)頭部和在軌定標(biāo)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(xué)頭部擴(kuò)束聚焦，BPM反射改變方向至探測(cè)對(duì)象。在探測(cè)點(diǎn)處激發(fā)出的LIBS信號(hào)沿反向先后經(jīng)BPM、光學(xué)頭部后，通過一根LIBS光纖，送至艙內(nèi)的SM進(jìn)行分析。載荷控制器負(fù)責(zé)設(shè)置LIBS的工作參數(shù)及存儲(chǔ)最后的LIBS數(shù)據(jù)。

圖2 MarSCoDe的結(jié)構(gòu)圖

由于“祝融”號(hào)火星車采用太陽(yáng)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(shí)低溫會(huì)引起LIBS光譜的巨大漂移。團(tuán)隊(duì)提出了一種基于粒子群（PSO）優(yōu)化的在軌定標(biāo)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(biāo)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(shí)現(xiàn)這些元素的定量分析，團(tuán)隊(duì)提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的定量分析方法（圖4）。這個(gè)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(xùn)練集（Training set）和驗(yàn)證集（Validation set）。對(duì)于建庫(kù)物質(zhì)的60個(gè)光譜數(shù)據(jù)，59個(gè)光譜送入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型訓(xùn)練，剩余一個(gè)光譜作為驗(yàn)證集。通過訓(xùn)練后，完善CNN。在軌檢測(cè)時(shí)，將對(duì)應(yīng)的經(jīng)粒子群修正的原始LIBS光譜輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)行目標(biāo)分類

參考文獻(xiàn)

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.

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通信作者簡(jiǎn)介

萬(wàn) 雄

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，國(guó)家二級(jí)研究員，博導(dǎo)。中科院“百人計(jì)劃”入選者、Georgia Tech高級(jí)研究學(xué)者、國(guó)際空間科學(xué)研究所（ISSI）核心專家，曾任國(guó)家實(shí)驗(yàn)示范中心主任。申請(qǐng)專利159項(xiàng)(授權(quán)發(fā)明專利94項(xiàng),授權(quán)實(shí)用新型38項(xiàng),實(shí)現(xiàn)發(fā)明專利轉(zhuǎn)讓11項(xiàng))。發(fā)表論文140篇(其中SCI收錄論文56篇)。研究領(lǐng)域激光光譜、生物光子學(xué)、仿生光學(xué)等，參與國(guó)家重大航天工程“火星探測(cè)”“嫦娥3號(hào)”。主持完成及在研國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目10項(xiàng)，獲省部級(jí)以上科研獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)。

徐衛(wèi)明

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，研究員，博導(dǎo)。2000年畢業(yè)于北京師范大學(xué)物理學(xué)專業(yè)，獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2005年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所物理電子學(xué)專業(yè)，獲得博士研究生學(xué)位。長(zhǎng)期致力于空間光電儀器及其應(yīng)用技術(shù)研究。

賈建軍

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，研究員，博導(dǎo)，主任設(shè)計(jì)師。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，國(guó)科大杭州高等研究院雙聘教授，引力波太極宇宙實(shí)驗(yàn)室（杭州）副主任，長(zhǎng)期從事空間光電儀器設(shè)計(jì)與工程型號(hào)研制工作。對(duì)空間光電跟瞄系統(tǒng)、激光通信，激光遙感系統(tǒng)設(shè)計(jì)等核心技術(shù)深入研究，曾深度參與“墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”、“天宮系列”、“嫦娥工程系列”等多個(gè)空間光電載荷的型號(hào)任務(wù)，擔(dān)任“墨子號(hào)”衛(wèi)星量子糾纏發(fā)射機(jī)主任設(shè)計(jì)師等多個(gè)崗位職務(wù)，同時(shí)也是多個(gè)預(yù)研課題負(fù)責(zé)人。目前主要從事空間主動(dòng)光電與量子精密測(cè)量、空間大口徑望遠(yuǎn)鏡、空間引力波探測(cè)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。