火星主次元素同步分析的定量激光誘導(dǎo)擊穿光譜方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利涉及一種激光光譜探測(cè)方法，尤其涉及一種定量激光誘導(dǎo)擊穿光譜檢測(cè) 方法，適用于火星表面土壤、巖石等探測(cè)目標(biāo)的元素組成定量化分析，屬于光電探測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-inducedbreakdownspectroscopy,簡(jiǎn)稱LIBS)是一 種對(duì)物質(zhì)組成元素進(jìn)行探測(cè)的激光光譜技術(shù)。遠(yuǎn)程LIBS可以在無人的情況下實(shí)現(xiàn)一定距 離的物質(zhì)成份探測(cè)，成為火星表面土壤、巖石等待測(cè)目標(biāo)物質(zhì)分析的重要手段。但定量化 LIBS檢測(cè)是一個(gè)公認(rèn)的技術(shù)難題。在定量化LIBS中存在著許多因素，包括：燒蝕孔效應(yīng)、 化學(xué)基質(zhì)效應(yīng)等，影響定量檢測(cè)的精度。
[0003] 定量化LIBS檢測(cè)的基礎(chǔ)是標(biāo)定，目前定量化LIBS分析主要基于二大類標(biāo)定分析 方法。第一類，是單變量分析標(biāo)定方法，該方法對(duì)待測(cè)的某一種元素進(jìn)行標(biāo)定，得到標(biāo)定曲 線，根據(jù)標(biāo)定曲線及待測(cè)目標(biāo)的該元素譜線強(qiáng)度計(jì)算元素的含量。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是比較 簡(jiǎn)便實(shí)用，分析速度快，缺點(diǎn)是會(huì)受到化學(xué)基質(zhì)效應(yīng)的影響，定量分析的精度受到限制。
[0004] 第二類是多變量分析標(biāo)定方法，該方法同時(shí)對(duì)待測(cè)目標(biāo)的多種元素的多條譜線進(jìn) 行多標(biāo)定樣品的標(biāo)定，通過求解多變量數(shù)學(xué)矩陣方程式，得到回歸矩陣。根據(jù)該回歸矩陣及 待測(cè)目標(biāo)的光譜分布，同時(shí)得到待測(cè)目標(biāo)的多種元素的含量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可消除化學(xué) 基質(zhì)效應(yīng)對(duì)定量分析精度的影響，缺點(diǎn)是求解算法難度及計(jì)算量大。
[0005] 火星車上搭載的LIBS探測(cè)系統(tǒng)受發(fā)射成本等條件制約，其電路等硬件資源有限， 不可能對(duì)火星表面土壤、巖石等目標(biāo)成份中的主要元素及痕量元素同時(shí)進(jìn)行多變量分析。 因此，如何在有限的硬件資源條件下保證分析精度，成為火星LIBS探測(cè)的一大難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本專利的目的在于提供了一種火星表面主要元素與痕量元素成份同步分析的激 光誘導(dǎo)擊穿光譜方法，依據(jù)火星表面物質(zhì)元素組成的先驗(yàn)知識(shí)，把火星表面物質(zhì)元素分為 主要元素及痕量元素；對(duì)主要元素定量檢測(cè)采用多變量分析方法；對(duì)痕量元素檢測(cè)采用單 變量分析方法。以在有限的硬件資源條件下實(shí)現(xiàn)較好的物質(zhì)成份分析精度。
[0007] 本專利是這樣來實(shí)現(xiàn)的，
[0008] 設(shè)需要檢測(cè)的火星表面物質(zhì)成份的主要元素個(gè)數(shù)為a，痕量元素個(gè)數(shù)為b。按下述 方法進(jìn)行LIBS定量分析：
[0009] 1.選擇用于LIBS標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)樣品個(gè)數(shù)為c，要求每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品均包含所有的主要 元素及痕量元素，且c大于a與b的和；
[0010] 2.在實(shí)驗(yàn)室模擬火星環(huán)境下，采用火星巡視車載LIBS探測(cè)系統(tǒng)，設(shè)定固定的激光 器能量、探測(cè)距離、延遲時(shí)間等探測(cè)參數(shù)，并對(duì)c個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行LIBS探測(cè)。以LIBS探測(cè) 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)每個(gè)主要元素選擇一條代表譜線，構(gòu)建c個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品主要元素的歸一化光 譜強(qiáng)度矩陣D;對(duì)每個(gè)痕量元素選擇n條譜線（n大于等于3)，構(gòu)建c個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品痕量元素 的b個(gè)歸一化光譜強(qiáng)度矩陣￡1、&、…、Eb;
[0011] 3.在主要元素分析中，根據(jù)c個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品已知的主要元素含量，計(jì)算并構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn) 樣品主要元素的原子分?jǐn)?shù)矩陣F;構(gòu)建包含原子分?jǐn)?shù)矩陣F、主要元素的歸一化光譜強(qiáng)度矩 陣D、回歸矩陣H的超定矩陣方程，依據(jù)優(yōu)化理論求解該超定矩陣方程，得到最優(yōu)回歸矩陣 H0；
[0012] 4.在痕量元素分析中，根據(jù)c個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品已知的痕量元素含量，計(jì)算并構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn) 樣品痕量元素的原子分?jǐn)?shù)向量h、G2、…、Gb;結(jié)合步驟2的b個(gè)歸一化譜線強(qiáng)度矩陣E E2、…、Eb，對(duì)每種痕量元素得到n條歸一化譜線強(qiáng)度與原子分?jǐn)?shù)關(guān)系的擬合曲線；
[0013] 5.在火星表面上，開啟火星巡視車載LIBS探測(cè)系統(tǒng)，以與實(shí)驗(yàn)室相同的探測(cè)參 數(shù)，得到火星表面土壤等需測(cè)定目標(biāo)主要元素的歸一化LIBS光譜強(qiáng)度向量K，同時(shí)得到痕 量元素的歸一化LIBS光譜強(qiáng)度向量JpJ2、…、Jb;
[0014] 6.將K與H。相乘得到a個(gè)主要元素的原子分?jǐn)?shù)，進(jìn)而得到火星表面測(cè)定目標(biāo)的主 要元素的含量；
[0015] 7.對(duì)每種痕量元素，結(jié)合步驟5的光譜強(qiáng)度向量1、J2、…、Jb及步驟4的n條擬 合曲線，可得n個(gè)原子分?jǐn)?shù)值，求取這n個(gè)原子分?jǐn)?shù)值的平均值，得到每種痕量元素的原子 分?jǐn)?shù)，進(jìn)而得到火星表面測(cè)定目標(biāo)的b個(gè)痕量元素的含量。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是，提供了一種火星表面主要元素與痕量元素成份同步分析的 激光誘導(dǎo)擊穿光譜方法，可在火星車有限的硬件資源條件下，實(shí)現(xiàn)主要元素的高精度分析， 同時(shí)兼顧痕量元素的分析。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明提出的火星表面主要元素與痕量元素成份同步分析的激光誘導(dǎo)擊穿光譜 方法，首先依據(jù)火星表面物質(zhì)元素組成的先驗(yàn)知識(shí)，把火星表面物質(zhì)元素分為主要元素及 痕量元素；然后對(duì)主要元素定量檢測(cè)采用多變量分析方法；對(duì)痕量元素檢測(cè)采用單變量分 析方法。
[0018] 以下述具體實(shí)施例說明本方法。
[0019] 設(shè)需要檢測(cè)的火星表面物質(zhì)成份的主要元素個(gè)數(shù)為a，痕量元素個(gè)數(shù)為b。
[0020] 按下述步驟進(jìn)行LIBS定量分析：
[0021] 1.選擇用于LIBS標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)樣品個(gè)數(shù)為c，要求每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品均包含所有的主要 元素及痕量元素，且c大于a與b的和；
[0022] 在具體實(shí)施例中，設(shè)火星表面土壤、巖石等目標(biāo)需要定量分析的主要元素個(gè)數(shù)為 6(即a= 6)，包括硅、鐵、鋁、鎂、碳、硫，按上述順序從1到6排序；設(shè)需要定量分析的痕量 元素個(gè)數(shù)為5 (即b= 5)，包括鈦、鋇、鋰、錳、鋅，按上述順序從1到5排序。在具體實(shí)施例 中c= 12,即準(zhǔn)備12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品用以進(jìn)行LIBS標(biāo)定。這12個(gè)樣品為固態(tài)，大小尺寸均等， 含有上述6種主要元素及5種痕量元素，且這11種元素的原子分?jǐn)?shù)（即原子數(shù)百分比）均 已知；每個(gè)樣品中的成份均勻分布。
[0023] 2.在實(shí)驗(yàn)室模擬火星環(huán)境下，采用火星巡視車載LIBS探測(cè)系統(tǒng)，設(shè)定固定的激光 器能量、探測(cè)距離、延遲時(shí)間等探測(cè)參數(shù)，并對(duì)這c個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行LIBS探測(cè)。以LIBS探 測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)每個(gè)主要元素選擇一條代表譜線，構(gòu)建c個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品主要元素的歸一化 光譜強(qiáng)度矩陣D:
[0025] 在具體實(shí)施例中，c= 12,a= 6。主要元素歸一化光譜強(qiáng)度矩陣中的第一行中的 6個(gè)值代表第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品6個(gè)主要元素代表譜線（注：一個(gè)元素取一根代表譜線）的歸 一化光譜強(qiáng)度值；第二行中的6個(gè)值代表第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品6個(gè)主要元素代表譜線的歸一化 光譜強(qiáng)度值；以此類推…;第12行中的6個(gè)值代表第12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品6個(gè)主要元素代表譜線 的歸一化光譜強(qiáng)度值。
[0026] 對(duì)每個(gè)痕量元素選擇n條譜線（n大于等于3)，構(gòu)建c個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品痕量元素的b個(gè) 歸一化光譜強(qiáng)度矩陣Ei、E2、…、Eb;
[0027] 痕量元素歸一化光譜強(qiáng)度矩陣￡1、&、…、Eb按下式構(gòu)建：
[0029] 在本具體實(shí)施例中，n取3，b= 5,c= 12。
[0030] 矩陣Ei中第一行中的3個(gè)值代表第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品第i個(gè)痕量元素3條代表譜線 的歸一化光譜強(qiáng)度值；第二行中的3個(gè)值代表第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品第i個(gè)痕量元素3條代表譜 線的歸一化光譜強(qiáng)度值；以此類推，第12行中的3個(gè)值代表第12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品第i個(gè)痕量元 素3條代表譜線的歸一化光譜強(qiáng)度值。其中i從1到5。
[0031] 3.在主要元素分析中，根據(jù)c個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品已知的主要元素含量，計(jì)算并構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn) 樣品主要元素的原子分?jǐn)?shù)矩陣F;構(gòu)建包含原子分?jǐn)?shù)矩陣F、主要元素的歸一化光譜強(qiáng)度矩 陣D、回歸矩陣H的超定矩陣方程，依據(jù)優(yōu)化理論求解該超定矩陣方程，得到最優(yōu)回歸矩陣 H0；
[0032] 其中，原子分?jǐn)?shù)矩陣
[0034] 在具體實(shí)施例中，a= 6,