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”。

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、具有自清洁能力、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，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。

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（通常低于零下50^oC）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）。

图3 基于PSO的在轨定标方法

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）。

图5 依据碱硅比进行目标分类

[主要参考文献]

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

[原文]

Xiong Wan*, Chenhong Li, Hongpeng Wang, Weiming Xu*, Jianjun Jia*, Yingjian Xin, Huanzhen Ma, Peipei Fang, and Zongcheng Ling, Design, Function, and Implementation of China's First LIBS Instrument (MarSCoDe) on the Zhurong Mars Rover, At. Spectrosc., 2021. https://doi.org/10.46770/AS.2021.608