發(fā)布時間：2020-11-08 07:30

　　 深空探測是我國航天事業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展方向,火星是繼我國成功實現月球登陸探測任務后的又一個重要探測目標。2020年是火星探測重要的時間窗口,屆時中國將進行名為“天問一號”的首次火星探測任務,同時實現繞、落、巡三大工程目標。火星巡視器搭載的火星土壤成分分析儀(MarsCoDe)是中國首臺用于行星探測的LIBS系統(tǒng),為實現其數據解譯,搭建地面火星模擬LIBS系統(tǒng)進行儀器參數研究、類火星樣品實測、數據處理等相關預研工作已迫在眉睫。本文作者參與了山東大學火星模擬LIBS系統(tǒng)(SDU-Mars-LIBS)的搭建、調試、優(yōu)化、巖石類型識別模型的創(chuàng)建和類火星巖石主量元素定量分析等工作,獲得了如下研究成果:1)初步研究了影響地質樣品物理基體效應的主要因素并確定了最優(yōu)系統(tǒng)測試參數;2)分別在地球環(huán)境和模擬火星環(huán)境(7mbar,CO2)下完成50余種類火星地質標準樣品的LIBS光譜測試,對所獲得的數據進行了光譜預處理,初步建立了類火星巖石LIBS光譜數據庫;3)提出了一種利用PCA的Loading空間距離作為選取對樣本分類貢獻最大的LIBS特征譜線的篩選方法,依據該方法實現了對ChemCam團隊發(fā)布的64個飛行前定標地質樣品的鑒別分析,鑒定精度92.8%;4)利用支持向量機回歸(SVR)和偏最小二乘回歸(PLSR)兩種算法建立類火星巖石的主量元素定量反演模型,獲得了較好的結果。全文共分為六個章節(jié),前言部分對火星進行了整體性介紹,主要包括火星大氣、火星巖石及礦物等;第一章主要對人類火星探測情況進行概述,包括現有探測成果、重要元素探測載荷介紹和中國火星任務概覽等;第二章介紹了 LIBS工作原理及儀器構成,主要包括ChemCam系統(tǒng)及數據簡介,MarsCoDe簡介和SDU-Mars-LIBS 系統(tǒng)介紹三部分內容;第三章為 LIBS 數據定性分析章節(jié),該章節(jié)介紹了一種以PCA主成分loading空間距離為判定標準的巖石類型鑒別新方法,該方法主要利用載荷空間距離法對元素LIBS特征發(fā)射譜線進行篩選識別,進而在不進行巖石主量元素定量分析的情況下,識別出元素種類和豐度非常相似的巖石樣品,可以在一定程度上削弱基體效應,對礦物類型識別和元素定量分析模型的建立具有重要作用;第四章為SDU-Mars-LIBS系統(tǒng)地質標樣實測和光譜數據定量分析章節(jié),可以為SDU-Mars-LIBS系統(tǒng)實測數據流程化處理和LIBS光譜庫建立提供參考;第五章為總結和展望章節(jié),對論文工作進行匯總的同時,指出目前存在的不足并對未來工作和研究方向提出建議。
【學位單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：P185.3;V476.4
【部分圖文】：

氣溫變化幅度５０°ＣＷ。此外，火星大氣??懸浮灰塵對火星氣溫的影響也很大。??咖ＨＩ，??＾?Ｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｅ?＿?ｇ＊??＾－Ｃａｒｂｏｎ?ｄｉｏｘｉｄｅ－ｉｃｅ?ｃｌｏｕｄｓ??５０?－?丨?一１〇－５??Ｗａｔｅｒ－ｉｃｅ?ｃｌｏｕｄｓ?—?ｉｎ－４??＇?■＇?／?＼??Ｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｅ?Ｘ?＞?．??Ｄｕｓｔ?一?１ＣＴ３??０?１?Ｉ?〇．〇〇６??１００?１５０?２００?２５０??Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?（Ｋ）??圖１火星大氣溫度及氣壓隨高度變化示意圖??２??

上氣溫的日間平均溫度??和曰間溫差增大，但使得火星表面日間溫度變化范圍減小，日間對流層消失。火??星氣溫的水平變化和氣壓的垂直變化產生了火星大氣流動進而推動產生火星大??氣循環(huán)。??Ｐｏｌａｒ?ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ?＊??、?．??／?）?Ｖ?Ｂａｒｏｃｌｉｎｉｃ?ｗａｖｅｓ，??／?／?ｋ?Ｓｔｏｒｍ?ｓｙｓｔｅｍｓ，?ｆｒｏｎｔｓ??Ｈａｄｌｅｙ卜?ｊ?＾Ｋｅｌｖｉｎ??〇１＿徽：??Ｄｕｓｔ?ｓｔｏｒｍ??ｌ??＼?Ｐｏｌａｒ?ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ??圖２火星大氣循環(huán)示意圖??與地球類似，火星表面也存在季風和大氣環(huán)流，除仲夏外的所有季節(jié)，中緯??度地區(qū)產生緯向偏東風并隨著高度增加而增強，至３０ｋｍ左右達到最大值。大部??分熱帶和亞熱帶地區(qū)為偏西風。在地球上也有類似的緯向風分布，但是相對較弱??且偏東風噴流出現在更低的緯度位置和更低的海拔高度。緯向偏東風地球夏季??中緯度地區(qū)盛行，但火星仲夏中緯度地區(qū)多為緯向偏西風。這一差異可能是由于??地球海洋性環(huán)境和火星沙漠性環(huán)境熱響應和地球與火星輻射吋間尺度不Ｎ導致??的。緯向平均子午環(huán)流由平均極向分量和向上分量組成［５１。地球上這一子午環(huán)流??包含一個熱帶環(huán)流和一個較弱的中緯度環(huán)流，其中熱帶環(huán)流稱為‘哈德萊’環(huán)流，??它由赤道附近的上升支流和接近南北緯３０°附近下降環(huán)流組成，但這種對稱性??只在二分點（春分點和秋分點）附近存在。在地球北半球的冬天，‘哈德萊’環(huán)??流主要由…個單環(huán)流主導，氣流在赤道以南上升，在北半球亞熱帶下降，南半球??的冬天時該模式亦反之。如圖２所示，類似的‘哈德萊’在火星上也存在，但是??環(huán)流單元較強而且環(huán)流的上升和下降直流在赤

僅在火星軌道遙感數據中被識別出，未在就位探測中發(fā)現。沖擊效應在火星隕石??中很常見，而撞擊角爍巖可能廣泛存在于火星的地殼巖石中。??１火星火成巖??火星探測漫游者ＭＥＲ?（Ｍａｒｓ?Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ?Ｒｏｖｅｒ）搭載的ＡＰＸＳ１８１對火星表面??巖石和火星隕石的地球化學分析表明：火星以火成巖為主（主要礦物類型為玄武??巖），火星表面存在巖漿的分步結晶產物［９］。通過伽馬射線譜儀（ＧＲＳ）獲得的??二氧化硅的全球豐度圖｜｜（）］與此結論相一致。Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ巖石成分投圖如圖３所示，??其主要成分為安山巖，但由于對其測試之前沒有進行巖石表面打磨刷掃，所以安??山巖很可能是其外層風化殼的成分而非巖石本身的成分。????乂?Ｔｅｐ／７＂－?＾?ＧＲＳ?ａｓｓｕｍｅｓ?Ｇｕｓｅｖ?ａｖｅｒａｇｅ?Ｎａ／Ｋ??ＩＱ?Ｇｕｓｅｖ?／?Ｐ＾０／１０＾ｅ?／?＼?ＧＲＳ?ａｓｓｕｍｅｓ?ＳＮＣ?ａｖｅｒａｇｅ?Ｎａ／Ｋ??？?Ｒｏｃｋ?ＲＡＴ?／?＼＃?／?＼??？?Ｒｏｃｋ?Ｂｒｕｓｈ?／?＼?／?＼??－．Ｇａｌｅ?Ｐ?Ｙ＊?＼?Ｔｍｃｈｙｔｅ??〇?６?一?＼??＾?＿?％?＼??＋?Ｆｏｍｅ?Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ?Ｒｏｃｋ?＼??言?４?－?．?廣?＼??２?＿?ｙ’ｒＢａｓａｌｔ?Ａｎｄｅｓｉｔｅ?Ｍａｒｔｉａｎ?Ｍｅｔｅｏｒｉｔｅｓ??／？?Ｉｆ?：?．?ａｎｄｅｓｉｔｅ?？?Ｂａｓａｌｔｉｃ?ｓｈｅｒｇｏｔｔｉｔｅ??０?Ｐｉｃｒｏｂａｓａｌｔ＾９?ｍｍ?？?０１－ｐｈｙｒｉｃ?ｓｈｅｒｇｏｔｔｉｔｅ??＾?￣?Ｉ?＼?、籲?？?Ｌｈｅｒｚｏｌｉｔｉｃ?ｓｈｅｒｇｏｔｔｉｔｅ??／
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本文編號：2874473