CN106525818B - 基于多数据库支撑及多环节修正的libs火星物质分析方法 - Google Patents

基于多数据库支撑及多环节修正的libs火星物质分析方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

基于多数据库支撑及多环节修正的LIBS火星物质分析方法
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λs，终点为λf，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、...、λn-1、λn、λn+1、...、λN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；
对第一类元素的数据库构建先进行步骤4，对第二类元素的数据库构建直接进入步骤5；对第三类元素的数据库构建直接进入步骤6；
(4)对第一类元素，制备优级纯度的含单一元素的样品，简称一元样品，例如纯铝、纯硅等；
在火星大气模拟试验室内对每一个一元样品进行LIBS实验，获得含有某一元素的所有谱线，例如元素铝的所有谱线、元素硅的所有谱线等，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度，并按谱线强度的强弱对波长测试点序号进行排序，建立第一类元素波长测试点序号n集合(即按发射强弱排序的LIBS波长数据库)；完成所有第一类元素LIBS波长数据库；
(5)对待建库的第二类元素，制备块状的优级纯度的由该元素及一种第一类元素构成的化合物的样品，简称二元样品，例如二氧化硅、三氧化二铝、氯化铜等；
在火星大气模拟试验室内对每一个二元样品进行LIBS实验，获得含有两种元素的所有谱线，例如元素铝和氧的所有谱线，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度。与步骤4建立的样品中的第一类元素(例如硅)的波长测试点序号n集合进行对比，相同的序号进行扣除，剩余的波长测试点序号即对应二元样品中的第二类元素(例如氧)，建立该第二类元素波长测试点序号n集合(即按发射强弱排序的LIBS波长数据库)；完成所有第二类元素LIBS波长数据库；
(6)对待建库的第三类元素，制备块状的优级纯度的由该元素及一种第一类元素或第二类元素构成的化合物的二元样品，例如氧化钠、氧化镁、氧化钙等；
在火星大气模拟试验室内对每一个二元样品进行LIBS实验，获得含有两种元素的所有谱线，例如元素氧和钠的所有谱线，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度。与步骤4或5建立的样品中的第一或第二类元素(例如氧)的波长测试点序号n集合进行对比，相同的序号进行扣除，剩余的波长测试点序号即对应二元样品中的第三类元素(例如钠)，建立该第三类元素波长测试点序号n集合(即按发射强弱排序的LIBS波长数据库)；完成所有第三类元素LIBS波长数据库；
(7)依据由步骤4-6建立的各种元素LIBS波长数据库，建立纵轴为元素，横轴为波长测试点序号n的二维数组，因为光谱仪的分辨率有限，可能出现同一波长测试点序号n对应二种以上元素(称为一对多映射)的情况，即由光谱仪确定的同一谱线可能同时满足二种或多种元素的谱线发射。
一对多映射对应的序号称为持疑序号，对持疑序号所对应的多个元素，假设是硅和铝，分别制备块状的优级纯度的包含其中一个元素的由多种元素组成的化合物，即多元样品，例如：亚硫酸钠、偏铝酸钠等；
在火星大气模拟试验室内对这几个多元样品进行LIBS实验，记录持疑序号及其谱线强度。由于化学基质效应，元素发射存在着竞争关系，元素越多，竞争越激烈、越复杂，对这几个多元样品在持疑序号的谱线强度进行排序，即对应该持疑序号，谱线强度越高的多元样品对含的那个元素发射的几率越大，从而在波长测试点序号n的二维数组中，将持疑序号对应的多个元素按几率进行排序；
(8)将大量不同类型的已知组成元素及比例的岩石成分析标准物质粉末及土壤成分分析标准物质粉末制备(烧结或冷压)成块状，称标准样品；
在火星大气模拟试验室内对每一个标准样品进行LIBS实验，获得LIBS的所有谱线，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度。按波长测试点序号进行元素归类，同时对每个组成元素各波长测试点序号的强度进行排序，建立标准样品元素组成含量与LIBS信号关联数据库；
(9)将大量不同类型的真实岩石、火星陨石及土壤标本，称真实样品，用高精度的化学方法测定其元素组成及含量；
在火星大气模拟试验室内对每一个真实样品进行LIBS实验，获得LIBS的所有谱线，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度。按波长测试点序号进行元素归类，同时对每个组成元素各波长测试点序号的强度进行排序，建立真实样品元素组成含量与LIBS信号关联数据库；
至此，完成地面数据库的构建；
(10)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；
为此，在火星车上携带一元样品、二元样品、标准样品、真实样品若干，在每次LIBS火星测试时，对每种样品先进行LIBS测试再进行火星目标进行测试，获取样品及火星目标的LIBS波长测试点序号及谱线强度数据，并回传至地面；
将样品的LIBS波长测试点序号及谱线强度数据与地面数据库对比，修正LIBS波长测试点序号漂移，即谱线漂移；
将修正后的火星目标的LIBS波长测试点序号及谱线强度数据，采用偏最小二乘结合主成份分析等多元分析方法，进行火星目标的元素组成、含量计算，及其种类识别。
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。
附图说明
图1为本发明的实施步骤图。
图2为地面实验布置示意图，图中：1——样品；2——聚焦光学系统；3——激光器；4——LIBS光纤光谱仪；5——开孔；6——接收光纤；7——收集光学系统；8——火星大气模拟试验室。
具体实施方式
本发明提出一种基于地面数据库支撑及多环节标定结合的方法，用以解决火星LIBS物质成分分析的难题，其步骤为：
(1)如图2所示，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8。在其内架设火星车上工作的LIBS测试系统。其中激光器3放置于火星大气模拟试验室8内，LIBS光纤光谱仪4放置于火星大气模拟试验室8外。LIBS信号通过收集光学系统7会聚到LIBS光纤光谱仪4的接收光纤6端面。接收光纤6通过开孔5穿出火星大气模拟试验室8，与外部的LIBS光纤光谱仪4联连；
(2)设LIBS光纤光谱仪4的波长起始点为λs，终点为λf，光谱分辨率为R，根据下式确认LIBS总波长测试点数量N：
如图1中的A所示。在本实施例中，λs＝200nm；λf＝900nm；R＝0.1nm；因此波长测试点数量N为6999，以λ1、λ2、λ3、...、λn-1、λn、λn+1、...、λN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8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；
对第一类元素的数据库构建先进行步骤4，对第二类元素的数据库构建直接进入步骤5；对第三类元素的数据库构建直接进入步骤6；
(4)对第一类元素，制备优级纯度的含单一元素的样品，简称一元样品，例如纯铝、纯硅等；
在火星大气模拟试验室8内对每一个一元样品进行LIBS实验，获得含有某一元素的所有谱线，例如元素铝的所有谱线、元素硅的所有谱线等，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度，并按谱线强度的强弱对波长测试点序号进行排序，建立第一类元素波长测试点序号n集合(即按发射强弱排序的LIBS波长数据库)，如图1中的B所示；完成所有第一类元素LIBS波长数据库；
(5)对待建库的第二类元素，制备块状的优级纯度的由该元素及一种第一类元素构成的化合物的样品，简称二元样品，例如二氧化硅、三氧化二铝、氯化铜等；
在火星大气模拟试验室8内对每一个二元样品进行LIBS实验，获得含有两种元素的所有谱线，例如元素铝和氧的所有谱线，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度。与步骤4建立的样品中的第一类元素(例如硅)的波长测试点序号n集合进行对比，相同的序号进行扣除，剩余的波长测试点序号即对应二元样品中的第二类元素(例如氧)，建立该第二类元素波长测试点序号n集合(即按发射强弱排序的LIBS波长数据库)，如图1中的C所示；完成所有第二类元素LIBS波长数据库；
(6)对待建库的第三类元素，制备块状的优级纯度的由该元素及一种第一类元素或第二类元素构成的化合物的二元样品，例如氧化钠、氧化镁、氧化钙等；
在火星大气模拟试验室8内对每一个二元样品进行LIBS实验，获得含有两种元素的所有谱线，例如元素氧和钠的所有谱线，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度。与步骤4或5建立的样品中的第一或第二类元素(例如氧)的波长测试点序号n集合进行对比，相同的序号进行扣除，剩余的波长测试点序号即对应二元样品中的第三类元素(例如钠)，建立该第三类元素波长测试点序号n集合(即按发射强弱排序的LIBS波长数据库)，如图1中的C所示；完成所有第三类元素LIBS波长数据库后；
(7)依据由步骤4-6建立的各种元素LIBS波长数据库，建立纵轴为元素，横轴为波长测试点序号n的二维数组，因为光谱仪的分辨率有限，可能出现同一波长测试点序号n对应二种以上元素(称为一对多映射)的情况，即由光谱仪确定的同一谱线可能同时满足二种或多种元素的谱线发射。
一对多映射对应的序号称为持疑序号，对持疑序号所对应的多个元素，假设是硅和铝，分别制备块状的优级纯度的包含其中一个元素的由多种元素组成的化合物，即多元样品，例如：亚硫酸钠、偏铝酸钠等；
在火星大气模拟试验室8内对这几个多元样品进行LIBS实验，记录持疑序号及其谱线强度，如图1中的D所示。由于化学基质效应，元素发射存在着竞争关系，元素越多，竞争越激烈、越复杂，对这几个多元样品在持疑序号的谱线强度进行排序，即对应该持疑序号，谱线强度越高的多元样品对含的那个元素发射的几率越大，从而在波长测试点序号n的二维数组中，将持疑序号对应的多个元素按几率进行排序；
(8)将大量不同类型的已知组成元素及比例的岩石成分析标准物质粉末及土壤成分分析标准物质粉末制备(烧结或冷压)成块状，称标准样品；
在火星大气模拟试验室8内对每一个标准样品进行LIBS实验，获得LIBS的所有谱线，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度。按波长测试点序号进行元素归类，同时对每个组成元素各波长测试点序号的强度进行排序，建立标准样品元素组成含量与LIBS信号关联数据库；
(9)将大量不同类型的真实岩石、火星陨石及土壤标本，称真实样品，用高精度的化学方法测定其元素组成及含量；
在火星大气模拟试验室8内对每一个真实样品进行LIBS实验，获得LIBS的所有谱线，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度。按波长测试点序号进行元素归类，同时对每个组成元素各波长测试点序号的强度进行排序，建立真实样品元素组成含量与LIBS信号关联数据库；
至此，完成地面数据库的构建；
(10)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；
为此，在火星车上携带一元样品、二元样品、标准样品、真实样品若干，在每次LIBS火星测试时，对每种样品先进行LIBS测试再进行火星目标进行测试，获取样品及火星目标的LIBS波长测试点序号及谱线强度数据，并回传至地面；
将样品的LIBS波长测试点序号及谱线强度数据与地面数据库对比，修正LIBS波长测试点序号漂移，即谱线漂移；
将修正后的火星目标的LIBS波长测试点序号及谱线强度数据，采用偏最小二乘结合主成份分析等多元分析方法，进行火星目标的元素组成、含量计算，及其种类识别。

Claims (1)

1.一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，其特征在于包含以下步骤：
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λs，终点为λf，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、...、λn-1、λn、λn+1、...、λN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，第二类在自然条件下的气态元素，第三类为在自然条件下只能以固态化合物形式稳定存在的活跃金属及非金属元素；
对第一类元素的数据库构建先进行步骤4)，对第二类元素的数据库构建直接进入步骤5)；对第三类元素的数据库构建直接进入步骤6)；
4)对第一类元素，制备优级纯度的含单一元素的样品，简称一元样品；在火星大气模拟试验室内对每一个一元样品进行LIBS实验，获得含有某一元素的所有谱线，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度，并按谱线强度的强弱对波长测试点序号进行排序，建立第一类元素波长测试点序号n集合，即按发射强弱排序的LIBS波长数据库；完成所有第一类元素LIBS波长数据库；
5)对第二类元素，制备块状的优级纯度的由该元素及一种第一类元素构成的化合物的样品，简称二元样品；
在火星大气模拟试验室内对每一个二元样品进行LIBS实验，获得含有两种元素的所有谱线，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度；与步骤4)建立的样品中的第一类元素的波长测试点序号n集合进行对比，相同的序号进行扣除，剩余的波长测试点序号即对应二元样品中的第二类元素，建立该第二类元素波长测试点序号n集合，即按发射强弱排序的LIBS波长数据库；完成所有第二类元素LIBS波长数据库；
6)对第三类元素，制备块状的优级纯度的由该元素及一种第一类元素或第二类元素构成的化合物的二元样品；
在火星大气模拟试验室内对每一个二元样品进行LIBS实验，获得含有两种元素的所有谱线，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度；与步骤4)或5)建立的样品中的第一或第二类元素的波长测试点序号n集合进行对比，相同的序号进行扣除，剩余的波长测试点序号即对应二元样品中的第三类元素，建立该第三类元素波长测试点序号n集合，即按发射强弱排序的LIBS波长数据库；完成所有第三类元素LIBS波长数据库；
7)依据由步骤4)—6)建立的各种元素LIBS波长数据库，建立纵轴为元素，横轴为波长测试点序号n的二维数组，因为光谱仪的分辨率有限，可能出现同一波长测试点序号n对应二种以上元素的一对多映射的情况，即由光谱仪确定的同一谱线可能同时满足二种或多种元素的谱线发射；
一对多映射对应的序号称为持疑序号，对持疑序号所对应的多个元素，分别制备块状的优级纯度的包含其中一个元素的由多种元素组成的化合物，即多元样品；
在火星大气模拟试验室内对这几个多元样品进行LIBS实验，记录持疑序号及其谱线强度，由于化学基质效应，元素发射存在着竞争关系，元素越多，竞争越激烈、越复杂，对这几个多元样品在持疑序号的谱线强度进行排序，即对应该持疑序号，谱线强度越高的多元样品对含的那个元素发射的几率越大，从而在波长测试点序号n的二维数组中，将持疑序号对应的多个元素按几率进行排序；
8)将大量不同类型的已知组成元素及比例的岩石成分析标准物质粉末及土壤成分分析标准物质粉末制备通过烧结或冷压制成块状，称标准样品；
在火星大气模拟试验室内对每一个标准样品进行LIBS实验，获得LIBS的所有谱线，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度；按波长测试点序号进行元素归类，同时对每个组成元素各波长测试点序号的强度进行排序，建立标准样品元素组成含量与LIBS信号关联数据库；
9)将大量不同类型的真实岩石、火星陨石及土壤标本，称真实样品，用高精度的化学方法测定其元素组成及含量；
在火星大气模拟试验室内对每一个真实样品进行LIBS实验，获得LIBS的所有谱线，记录其对应的波长测试点序号及谱线强度；按波长测试点序号进行元素归类，同时对每个组成元素各波长测试点序号的强度进行排序，建立真实样品元素组成含量与LIBS信号关联数据库；至此，完成地面数据库的构建；
10)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；
为此，在火星车上携带一元样品、二元样品、标准样品、真实样品若干，在每次LIBS火星测试时，对每种样品先进行LIBS测试再进行火星目标进行测试，获取样品及火星目标的LIBS波长测试点序号及谱线强度数据，并回传至地面；
将样品的LIBS波长测试点序号及谱线强度数据与地面数据库对比，修正LIBS波长测试点序号漂移，即谱线漂移；
将修正后的火星目标的LIBS波长测试点序号及谱线强度数据，采用偏最小二乘结合主成份分析等多元分析方法，进行火星目标的元素组成、含量计算，及其种类识别。
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