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AS期刊

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

深空探測已成為航天大國競相角逐的戰場。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成分探測的競爭拉開帷幕。由于地球和火星環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，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是一種原子發射光譜技術，它利用脈沖激光燒蝕激發待測物產生等離子體，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、結構緊湊堅固、自清潔能力、深度剖面分析、適應復雜環境等優點，可以彌補X射線熒光儀器缺乏分析輕元素（原子質量<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物中，可用于表征火星過去的氣候環境；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，儀器的結構設計、功能及實現等研究內容將以封面文章的形式發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物理研究所徐衛明研究員、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。LIBS激光器發射的脈沖激光經過光學頭部擴束聚焦，BPM反射改變方向至探測對象。在探測點處激發出的LIBS信號沿反向先后經BPM、光學頭部后，通過一根LIBS光纖，送至艙內的SM進行分析。載荷控制器負責設置LIBS的工作參數及存儲最后的LIBS數據。

圖2 MarSCoDe的結構圖

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）優化的在軌定標方法，用于修正光譜系統的在軌漂移（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，為了實現這些元素的定量分析，團隊提出一種基于卷積神經網絡（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、串聯層、回歸層、密集層、輸入和輸出層。將數據集劃分為訓練集（Training set）和驗證集（Validation set）。對于建庫物質的60個光譜數據，59個光譜送入網絡進行模型訓練，剩余一個光譜作為驗證集。通過訓練后，完善CNN。在軌檢測時，將對應的經粒子群修正的原始LIBS光譜輸入神經網絡，可得到其組成元素的含量，并根據堿硅比獲得其礦物種類（圖5）。

圖5 依據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。

徐衛明

中國科學院上海技術物理研究所，研究員，博導。2000年畢業于北京師范大學物理學專業，獲得理學學士學位，2005年畢業于中國科學院上海技術物理研究所物理電子學專業，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研究。

賈建軍

中國科學院上海技術物理研究所，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、激光通信，激光遙感系統設計等核心技術深入研究，曾深度參與“墨子號量子科學實驗衛星”、“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”衛星量子糾纏發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研究，并積極從事空間光通信，量子通信產業化轉讓推廣。