火星主次元素同步分析的定量激光诱导击穿光谱方法技术

本发明专利技术公开了一种火星主次元素同步分析的定量激光诱导击穿光谱方法。该方法依据火星表面物质元素组成的先验知识，把火星表面物质元素分为主要元素及痕量元素；对主要元素定量检测采用多变量分析方法；对痕量元素检测采用单变量分析方法。本发明专利技术的有益效果是，可在火星车有限的硬件资源条件下，实现主要元素的高精度分析，同时兼顾痕量元素的分析。

【技术实现步骤摘要】
火星主次元素同步分析的定量激光诱导击穿光谱方法
本专利涉及一种激光光谱探测方法,尤其涉及一种定量激光诱导击穿光谱检测方法，适用于火星表面土壤、岩石等探测目标的元素组成定量化分析，属于光电探测领域。
技术介绍
激光诱导击穿光谱(Laser-inducedbreakdownspectroscopy,简称LIBS)是一种对物质组成元素进行探测的激光光谱技术。远程LIBS可以在无人的情况下实现一定距离的物质成份探测，成为火星表面土壤、岩石等待测目标物质分析的重要手段。但定量化LIBS检测是一个公认的技术难题。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。定量化LIBS检测的基础是标定，目前定量化LIBS分析主要基于二大类标定分析方法。第一类，是单变量分析标定方法，该方法对待测的某一种元素进行标定，得到标定曲线，根据标定曲线及待测目标的该元素谱线强度计算元素的含量。这种方法的优点是比较简便实用，分析速度快，缺点是会受到化学基质效应的影响，定量分析的精度受到限制。第二类是多变量分析标定方法，该方法同时对待测目标的多种元素的多条谱线进行多标定样品的标定，通过求解多变量数学矩阵方程式，得到回归矩阵。根据该回归矩阵及待测目标的光谱分布，同时得到待测目标的多种元素的含量。该方法的优点是可消除化学基质效应对定量分析精度的影响，缺点是求解算法难度及计算量大。火星车上搭载的LIBS探测系统受发射成本等条件制约，其电路等硬件资源有限，不可能对火星表面土壤、岩石等目标成份中的主要元素及痕量元素同时进行多变量分析。因此，如何在有限的硬件资源条件下保证分析精度，成为火星LIBS探测的一大难题。
技术实现思路
本专利的目的在于提供了一种火星表面主要元素与痕量元素成份同步分析的激光诱导击穿光谱方法，依据火星表面物质元素组成的先验知识，把火星表面物质元素分为主要元素及痕量元素；对主要元素定量检测采用多变量分析方法；对痕量元素检测采用单变量分析方法。以在有限的硬件资源条件下实现较好的物质成份分析精度。本专利是这样来实现的，设需要检测的火星表面物质成份的主要元素个数为a，痕量元素个数为b。按下述方法进行LIBS定量分析：1.选择用于LIBS标定的标准样品个数为c，要求每个标准样品均包含所有的主要元素及痕量元素，且c大于a与b的和；2.在实验室模拟火星环境下，采用火星巡视车载LIBS探测系统，设定固定的激光器能量、探测距离、延迟时间等探测参数，并对c个标准样品进行LIBS探测。以LIBS探测数据为基础，对每个主要元素选择一条代表谱线，构建c个标准样品主要元素的归一化光谱强度矩阵D；对每个痕量元素选择n条谱线(n大于等于3)，构建c个标准样品痕量元素的b个归一化光谱强度矩阵E1、E2、…、Eb；3.在主要元素分析中，根据c个标准样品已知的主要元素含量，计算并构建标准样品主要元素的原子分数矩阵F；构建包含原子分数矩阵F、主要元素的归一化光谱强度矩阵D、回归矩阵H的超定矩阵方程，依据优化理论求解该超定矩阵方程，得到最优回归矩阵Ho；4.在痕量元素分析中，根据c个标准样品已知的痕量元素含量，计算并构建标准样品痕量元素的原子分数向量G1、G2、…、Gb；结合步骤2的b个归一化谱线强度矩阵E1、E2、…、Eb，对每种痕量元素得到n条归一化谱线强度与原子分数关系的拟合曲线；5.在火星表面上，开启火星巡视车载LIBS探测系统，以与实验室相同的探测参数，得到火星表面土壤等需测定目标主要元素的归一化LIBS光谱强度向量K，同时得到痕量元素的归一化LIBS光谱强度向量J1、J2、…、Jb；6.将K与Ho相乘得到a个主要元素的原子分数，进而得到火星表面测定目标的主要元素的含量；7.对每种痕量元素，结合步骤5的光谱强度向量J1、J2、…、Jb及步骤4的n条拟合曲线，可得n个原子分数值，求取这n个原子分数值的平均值，得到每种痕量元素的原子分数，进而得到火星表面测定目标的b个痕量元素的含量。本专利技术的有益效果是，提供了一种火星表面主要元素与痕量元素成份同步分析的激光诱导击穿光谱方法，可在火星车有限的硬件资源条件下，实现主要元素的高精度分析，同时兼顾痕量元素的分析。具体实施方式本专利技术提出的火星表面主要元素与痕量元素成份同步分析的激光诱导击穿光谱方法，首先依据火星表面物质元素组成的先验知识，把火星表面物质元素分为主要元素及痕量元素；然后对主要元素定量检测采用多变量分析方法；对痕量元素检测采用单变量分析方法。以下述具体实施例说明本方法。设需要检测的火星表面物质成份的主要元素个数为a，痕量元素个数为b。按下述步骤进行LIBS定量分析：1.选择用于LIBS标定的标准样品个数为c，要求每个标准样品均包含所有的主要元素及痕量元素，且c大于a与b的和；在具体实施例中，设火星表面土壤、岩石等目标需要定量分析的主要元素个数为6(即a＝6)，包括硅、铁、铝、镁、碳、硫，按上述顺序从1到6排序；设需要定量分析的痕量元素个数为5(即b＝5)，包括钛、钡、锂、锰、锌，按上述顺序从1到5排序。在具体实施例中c＝12，即准备12个标准样品用以进行LIBS标定。这12个样品为固态，大小尺寸均等，含有上述6种主要元素及5种痕量元素，且这11种元素的原子分数(即原子数百分比)均已知；每个样品中的成份均匀分布。2.在实验室模拟火星环境下，采用火星巡视车载LIBS探测系统，设定固定的激光器能量、探测距离、延迟时间等探测参数，并对这c个标准样品进行LIBS探测。以LIBS探测数据为基础，对每个主要元素选择一条代表谱线，构建c个标准样品主要元素的归一化光谱强度矩阵D：在具体实施例中，c＝12，a＝6。主要元素归一化光谱强度矩阵中的第一行中的6个值代表第一个标准样品6个主要元素代表谱线(注：一个元素取一根代表谱线)的归一化光谱强度值；第二行中的6个值代表第二个标准样品6个主要元素代表谱线的归一化光谱强度值；以此类推…；第12行中的6个值代表第12个标准样品6个主要元素代表谱线的归一化光谱强度值。对每个痕量元素选择n条谱线(n大于等于3)，构建c个标准样品痕量元素的b个归一化光谱强度矩阵E1、E2、…、Eb；痕量元素归一化光谱强度矩阵E1、E2、…、Eb按下式构建：在本具体实施例中，n取3，b＝5，c＝12。矩阵Ei中第一行中的3个值代表第一个标准样品第i个痕量元素3条代表谱线的归一化光谱强度值；第二行中的3个值代表第二个标准样品第i个痕量元素3条代表谱线的归一化光谱强度值；以此类推，第12行中的3个值代表第12个标准样品第i个痕量元素3条代表谱线的归一化光谱强度值。其中i从1到5。3.在主要元素分析中，根据c个标准样品已知的主要元素含量，计算并构建标准样品主要元素的原子分数矩阵F；构建包含原子分数矩阵F、主要元素的归一化光谱强度矩阵D、回归矩阵H的超定矩阵方程，依据优化理论求解该超定矩阵方程，得到最优回归矩阵Ho；其中，原子分数矩阵在具体实施例中，a＝6，c＝12。原子分数矩阵中的第一行中的6个值代表第一个标准样品6个主要元素的原子分数；第二行中的6个值代表第二个标准样品6个主要元素的原子分数；以此类推…；第12行中的6个值代表第12个标准样品6个主要元素的原子分数。构建以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种火星主次元素同步分析的定量激光诱导击穿光谱方法，其特征在于，所述的方法依据火星表面物质元素组成的先验知识，把火星表面物质元素分为主要元素及痕量元素；对主要元素定量检测采用多变量分析方法；对痕量元素检测采用单变量分析方法；具体方法步骤如下：1)设需要检测的火星表面物质成份的主要元素个数为a，痕量元素个数为b，则选择用于LIBS标定的标准样品个数为c，要求每个标准样品均包含所有的主要元素及痕量元素，且c大于a与b的和；2)在实验室模拟火星环境下，采用火星巡视车载LIBS探测系统，设定固定的激光器能量、探测距离、延迟时间等探测参数，并对c个标准样品进行LIBS探测；以LIBS探测数据为基础，对每个主要元素选择一条代表谱线，构建c个标准样品主要元素的归一化光谱强度矩阵D；对每个痕量元素选择n条谱线构建c个标准样品痕量元素的b个归一化光谱强度矩阵E1、E2、…、Eb，其中n大于等于3；3)在主要元素分析中，根据c个标准样品已知的主要元素含量，计算并构建标准样品主要元素的原子分数矩阵F；构建包含原子分数矩阵F、主要元素的归一化光谱强度矩阵D、回归矩阵H的超定矩阵方程，依据优化理论求解该超定矩阵方程，得到最优回归矩阵Ho；4)在痕量元素分析中，根据c个标准样品已知的痕量元素含量，计算并构建标准样品痕量元素的原子分数向量G1、G2、…、Gb；结合步骤2)的b个归一化谱线强度矩阵E1、E2、…、Eb，对每种痕量元素得到n条归一化谱线强度与原子分数关系的拟合曲线；5)在火星表面上，开启火星巡视车载LIBS探测系统，以与实验室相同的探测参数，得到火星表面土壤等需测定目标主要元素的归一化LIBS光谱强度向量K，同时得到痕量元素的归一化LIBS光谱强度向量J1、J2、…、Jb；6)将K与Ho相乘得到a个主要元素的原子分数，进而得到火星表面测定目标的主要元素的含量；7)对每种痕量元素，结合步骤5)的光谱强度向量J1、J2、…、Jb及步骤4)的n条拟合曲线，可得n个原子分数值，求取这n个原子分数值的平均值，得到每种痕量元素的原子分数，进而得到火星表面测定目标的b个痕量元素的含量。...

【技术特征摘要】
1.一种火星主次元素同步分析的定量激光诱导击穿光谱方法，其特征在于，所述的方法依据火星表面物质元素组成的先验知识，把火星表面物质元素分为主要元素及痕量元素；对主要元素定量检测采用多变量分析方法；对痕量元素检测采用单变量分析方法；具体方法步骤如下：1)设需要检测的火星表面物质成份的主要元素个数为a，痕量元素个数为b，则选择用于LIBS标定的标准样品个数为c，要求每个标准样品均包含所有的主要元素及痕量元素，且c大于a与b的和；2)在实验室模拟火星环境下，采用火星巡视车载LIBS探测系统，设定固定的激光器能量、探测距离及延迟时间探测参数，并对c个标准样品进行LIBS探测；以LIBS探测数据为基础，对每个主要元素选择一条代表谱线，构建c个标准样品主要元素的归一化光谱强度矩阵D；对每个痕量元素选择n条谱线构建c个标准样品痕量元素的b个归一化光谱强度矩阵E1、E2、…、Eb，其中n大于等于3；3)在主要元素分析中，根据c个标准样品已知的主要元素含量，计算并构建标准样品主要元素的原子分数矩阵F...

【专利技术属性】
技术研发人员：万雄，章婷婷，刘鹏希，况耀武，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31