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AS期刊:“祝融号”火星探测利器——中国首台LIBS行星物质成分分析仪(MarSCoDe)


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AS期刊

国际期刊Atomic Spectroscopy (ISSN: 0195-5373) 由Dr. Walter Slavin于1962年创办,刊登原子光谱技术新方法及应用、新仪器/部件研发、元素同位素样品前处理技术、标准物质开发等。

深空探测已成为航天大国竞相角逐的战场。2021年,随着美国“毅力”号和中国“祝融”号火星车相继落火,加上2012年落火至今仍在工作的美国“好奇”号火星车,新一轮火星探测尤其是物质成分探测的竞争拉开帷幕。由于地球和火星环境的差异可能会导致火星土壤的变异,且取样带回地球目前也是巨大的挑战,因此三辆火星车均采用搭载基于激光诱导击穿光谱(LIBS)仪器对火星物质成分进行原位测量:“祝融”号的MarSCoDe(图1)、“毅力”号的SuperCAM以及“好奇”号的ChemCAM。LIBS是一种原子发射光谱技术,它利用脉冲激光烧蚀激发待测物产生等离子体,通过分析等离子体冷却时样品原子/离子辐射谱线,获得样品中元素组分和含量,相当于一种“元素相机”。

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图1 中国“祝融”号火星车及其LIBS载荷MarSCoDe

LIBS检测具有无样品前处理、快速元素分析、结构紧凑坚固、自清洁能力、深度剖面分析、适应复杂环境等优点,可以弥补X射线荧光仪器缺乏分析轻元素(原子质量<20)的缺陷。轻元素在深空探测中非常重要,它们广泛存在于粘土矿物和其他岩石风化产物中,可用于表征火星过去的气候环境;其中碳、氮和氧的谱线也可用来判断有机物的存在。

2021年5月15日,中国首次火星探测任务“天问一号”着陆器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆,在火星上首次留下印迹,迈出了星际探测的重要一步。由中国科学院上海技术物理研究所负责研制的火星表面成分探测仪MarSCoDe (Mars 

Surface Composition Detector) 是我国首台LIBS行星物质成分分析仪,搭载在“祝融”号火星车成功着陆并开展科学任务,仪器的结构设计、功能及实现等研究内容将以封面文章的形式发表在国际老牌光谱期刊《Atomic Spectroscopy》上(https://doi.org/10.46770/AS.2021.608),MarSCoDe团队中国科学院上海技术物理研究所的万雄研究员为论文第一及通讯作者,中国科学院上海技术物理研究所徐卫明研究员、贾建军研究员为论文共同通讯作者。

MarSCoDe主要由五大部分组成(图2),其中两维指向镜(BPM)、光学头部和在轨定标板(CTA)在火星车舱外,另外三通道光谱仪模块(SM)和载荷控制器则在舱内。LIBS激光器发射的脉冲激光经过光学头部扩束聚焦,BPM反射改变方向至探测对象。在探测点处激发出的LIBS信号沿反向先后经BPM、光学头部后,通过一根LIBS光纤,送至舱内的SM进行分析。载荷控制器负责设置LIBS的工作参数及存储最后的LIBS数据。

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图2 MarSCoDe的结构图

由于“祝融”号火星车采用太阳能,因此没有足够的能量来维持三通道光谱仪在火星低温环境下(通常低与零下50oC)的温度,此时低温会引起LIBS光谱的巨大漂移。团队提出了一种基于粒子群(PSO)优化的在轨定标方法,用于修正光谱系统的在轨漂移(图3)。

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图3 基于PSO的在轨定标方法

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图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,为了实现这些元素的定量分析,团队提出一种基于卷积神经网络(CNN)的定量分析方法(图4)。这个CNN包括归一化层、卷积层、池化层、串联层、回归层、密集层、输入和输出层。将数据集划分为训练集(Training set)和验证集(Validation set)。对于建库物质的60个光谱数据,59个光谱送入网络进行模型训练,剩余一个光谱作为验证集。通过训练后,完善CNN。在轨检测时,将对应的经粒子群修正的原始LIBS光谱输入神经网络,可得到其组成元素的含量,并根据碱硅比获得其矿物种类(图5)。

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图5 依据碱硅比进行目标分类

参考文献

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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通信作者简介

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万 雄

中国科学院上海技术物理研究所,国家二级研究员,博导。中科院“百人计划”入选者、Georgia Tech高级研究学者、国际空间科学研究所(ISSI)核心专家,曾任国家实验示范中心主任。申请专利159项(授权发明专利94项,授权实用新型38项,实现发明专利转让11项)。发表论文140篇(其中SCI收录论文56篇)。研究领域激光光谱、生物光子学、仿生光学等,参与国家重大航天工程“火星探测”“嫦娥3号”。主持完成及在研国家级科研项目10项,获省部级以上科研奖励5项。

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徐卫明

中国科学院上海技术物理研究所,研究员,博导。2000年毕业于北京师范大学物理学专业,获得理学学士学位,2005年毕业于中国科学院上海技术物理研究所物理电子学专业,获得博士研究生学位。长期致力于空间光电仪器及其应用技术研究。

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贾建军

中国科学院上海技术物理研究所,研究员,博导,主任设计师。中国科学院大学,国科大杭州高等研究院双聘教授,引力波太极宇宙实验室(杭州)副主任,长期从事空间光电仪器设计与工程型号研制工作。对空间光电跟瞄系统、激光通信,激光遥感系统设计等核心技术深入研究,曾深度参与“墨子号量子科学实验卫星”、“天宫系列”、“嫦娥工程系列”等多个空间光电载荷的型号任务,担任“墨子号”卫星量子纠缠发射机主任设计师等多个岗位职务,同时也是多个预研课题负责人。目前主要从事空间主动光电与量子精密测量、空间大口径望远镜、空间引力波探测技术研究,并积极从事空间光通信,量子通信产业化转让推广。