[发明专利]基于弹性粒子群优化的火星物质分析仪在轨定标方法

说明书

本发明公开了一种基于弹性粒子群优化的火星物质分析仪在轨定标方法，该方法基于粒子群优化算法，包括模拟环境舱建立及标准灯测试、标准定标方程建立、靶材标准测试、靶材标准波长集建立、在轨靶材测试、在轨谱线寻峰、粒子群生成、粒子适应度计算、粒子演化及在轨定标方程建立九个步骤。本发明的有益效果是，采用弹性匹配适应度粒子群优化方法，对在轨LIBS光谱仪的波长拟合系数求解，可在行星外场环境引起的光谱仪大尺度漂移情况下，依靠大量粒子的进化寻优，实现漂移的准确在轨校正，从而保证了行星LIBS物质分析的可行性和准确性，具有极强的环境适应性，尤其适用于MarsCode等不具备充足能源进行恒温工作的光谱载荷。本发明的粒子群软件算法可在节约能源供给成本的情况下，达到恒温测试相同的精度效果。

技术领域

本发明涉及一种光谱仪定标方法,尤其涉及一种基于弹性粒子群优化的激光诱导击穿光谱(LIBS)仪的在轨实时定标方法，适用于LIBS行星物质成分分析时，对LIBS光谱仪进行在轨光谱定标，属于光电探测领域。

背景技术

在深空探测领域，国际上已经或正在运用激光诱导击穿光谱(Laser-inducedbreakdown spectroscopy，简称LIBS)进行行星原位物质成分尤其是元素组成的分析。例如美国好奇号就搭载了LIBS物质成分探测仪，且在2020年也将在新一代火星车上搭载LIBS与拉曼联用的物质成分探测仪。中国航天局将于2020年发射的火星探测器将会搭载一台名为MarsCode的设备，使用LIBS技术进行原位光谱探测，用于分析由火星表面物质发射出的原子光谱，反演出其中所隐含的元素种类及含量信息，进而分析出火星的矿物、岩石构成及演变历史。

在多个国家的火星LIBS物质成分分析仪中，一般采用多通道Czerny-Turner(切尼-特纳，简称C-T)光路结构的光谱仪进行光谱分析。光谱仪的光栅色散后的一级衍射光由CCD(Charge coupled devices，电荷耦合器件)光电探测器接收并进行光电转换，但并没有绝对的谱线波长信息，因此需要将实际的CCD像元序号与谱线波长对应起来。这一对应过程也被称为波长标定(或校正)，波长标定(或校正)极其关键，决定元素判定的准确。

商用光谱仪采用标准元素灯辐射的标准谱线进行标定(或校正)，即利用多个元素辐射的多条波长值已知的谱线，进行CCD像元序号与波长的方程拟合。这种方法可以用在LIBS物质成分分析仪发射之前，在地面实验室的初始标定。

但当LIBS物质成分分析仪发射工作在火星环境以后，火星环境温度范围很宽(负150摄氏度至正50摄氏度)，仪器工作温度范围也很宽(如MarsCode工作温度为负50至正30摄氏度)，必然导致光谱仪的波长漂移。而且，中国的2020年的火星车采用的是太阳能供电形式，没有足够的热能来维持光谱仪内部及其他光学结构的温度稳定，受火星温度及环境的影响，波长漂移不可避免，只能通过波长在轨校正加以解决。

针对以上需求，本发明提出一种弹性匹配适应度粒子群优化(Particle swarmoptimization，又称PSO)的拟合系数求解算法，可用于MarsCode光谱仪的在轨波长的准确和快速校正，满足火星LIBS仪器进行原位精确元素分析的要求。该方法不仅适用于火星LIBS物质成分分析，还可用于其他行星的LIBS物质分析，具有非常好的环境适用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种火星等行星LIBS光谱仪在轨校正方法，该方法基于粒子群优化算法，并可弹性匹配适应度函数，可对LIBS光谱仪进行在轨准确和快速的波长校正，并得到实时的波长拟合方程，满足火星等行星LIBS仪器原位物质精确探测的要求。