[发明专利]基于多数据库支撑及多环节修正的LIBS火星物质分析方法

说明书

本发明公开了一种基于多数据库支撑及多环节修正的LIBS火星物质分析方法。该方法首先在地面建立火星模拟实验室，将LIBS光谱范围分为N个波长测试点。将检测元素分为三类，采用不同的顺序及步骤进行波长测试点定标，并构造基础数据库。通过火星在线标定，修正由火星工作环境带到的波长测试点漂移。本发明的有益效果是，提供了一种构造用于支撑火星LIBS分析的有效及丰富的数据库的方法，地面模拟火星环境与火星在线标定结合消除波长测试点漂移，解决LIBS火星高精度分析的难题。

技术领域

本发明涉及一种激光光谱物质成分分析方法,尤其涉及一种基于激光诱导击穿光谱的物质定性及定量分析方法，适用于火星表面土壤、岩石等探测目标的物质成分分析，土壤、矿物及岩石识别，属于光电探测领域。

背景技术

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,简称LIBS)是一种可用于元素分析的激光光谱技术。远程LIBS可以在无人的情况下实现一定距离的光谱数据采集，成为火星土壤、矿物、岩石等待测目标物质分析的重要手段。

火星物质成分LIBS定性及定量分析是相当困难。首先，由于发射条件、成本及火星车环境等限制，LIBS光谱模块的分辨率不高，目前国际上火星LIBS模块的最高分辨率为0.1nm。由于LIBS是元素原子及离子的发射光谱，因此对于现有分辨率条件下的同一个波长值有可能有多种元素的原子及离子发射都满足，造成定性的难题。此外，在定量化LIBS中存在着许多因素，包括：烧蚀孔效应、化学基质效应等，影响定量检测的精度。

由于火星车上的LIBS分析仪器工作在火星大气环境，受其大气及温度等条件的影响，使其光学及电子学组件产生变化，引起谱线漂移。如何实时校正也是高精度分析需解决的问题。由于火星车硬件条件限制，LIBS分析仪器无法实时分析，只能将谱线数据回传至地球控制系统进行分析。如何将火星LIBS数据与地面LIBS数据库结合分析也是一个需要解决的难题。

火星LIBS分析仪器发射以后，处于无人操作的状态，它的定性及定量分析有赖于地面前期实验的大量数据库及多环节标定方法进行支撑。如何构造有效及丰富的数据库及合理的多环节标定成为火星LIBS物质分析的重要基础。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种火星物质成分LIBS定性及定量分析方法，采用地面数据库支持及在线标定修正达到火星高精度元素分析及物质识别的目的。

本发明是这样来实现的，其步骤为：

(1)在地面上模拟火星的环境，即建立二氧化碳含量为97％，气压为7乇的火星大气模拟试验室。在其内架设火星车上工作的LIBS测试系统。其中激光器放置于火星大气模拟试验室内，LIBS光纤光谱仪放置于火星大气模拟试验室外。LIBS信号通过收集光学系统会聚到LIBS光纤光谱仪的接收光纤端面。接收光纤通过开孔穿出火星大气模拟试验室，与外部的LIBS光纤光谱仪联连；

(2)设LIBS光纤光谱仪的波长起始点为λ_s，终点为λ_f，光谱分辨率为R，根据下式确认LIBS总波长测试点数量N：

波长测试点以λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_n-1、λ_n、λ_n+1、...、λ_N表示，其中n＝1,2,3,....N为波长测试点序号；

(3)在火星大气模拟试验室内开展不同样品的LIBS实验，构建基础数据库，将火星需要探测的元素分为三类，第一类是可在自然条件下以固体单质形式稳定存在的金属与非金属元素，例铁、锰、铜、铝、硅、碳等；第二类在自然条件下的气态元素，例氧、氢等气体；第三类为钠、钾、钙、硫等活跃金属及非金属元素，在自然条件下只能以固态化合物形式稳定存在；