分析探测室

近日，中科院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室地球与行星磁场及宜居性学科组的申建勋博士后与合作导师林巍研究员等，利用激光诱导击穿光谱（LIBS）对地球类火星环境中岩石样品的光谱特征进行了研究，结合拉曼光谱测量，探讨了LIBS技术在火星生命信号筛选中的应用潜力。该研究选取了柴达木盆地西北干旱区岩滩的一块典型岩石碎屑样品（图1），分别利用拉曼光谱和LIBS对样品不同部位（岩上、岩侧和岩下）的数百个点进行了系统分析。图1 柴达木盆地采样点（a）地形图、（b）地质图以及（c和d）石英岩碎屑样品拉曼光谱分析显示岩下部位存在能够吸收紫外辐射并清除氧自由基的β-胡萝卜素，指示了岩石下部有耐辐射微生物群落的存在。而岩上、岩侧未检测到有效的微生物信号，仅发现石英和少量其他矿物信号（图2）。该研究结果表明在环境恶劣的类火星地区，岩石下部为微生物生存提供了适宜的生态位，未来的火星生命探测中可以着重关注火星岩下区域。同时结合前人研究，揭示出合成色素分子是类火星极端环境微生物的一类重要生存策略。图2 柴达木盆地西北干旱区类火星环境石英岩碎屑样品部分测量位点的拉曼光谱图。Qz：石英；Fr：锌铁矿；Hm：赤铁矿；Cr：β-胡萝卜素为了评估LIBS筛选生命信号的潜力，进一步对该样品的岩上、岩侧和岩下不同部位进行了LIBS分析。研究显示样品不同区域的LIBS光谱整体特征类似，但利用多元统计分析方法（主成分分析法PCA和相似性分析ANOSIM）可以对岩石样品不同部位的LIBS光谱数据进行区分（图3）。进一步分析区分样品的波段信息，发现涵盖了部分钙、镁的峰区和一些可能由于生命化学元素空间分布而产生的相互作用信号。以上结果表明，在样本均质程度较高但有足够样本量的前提下，基于LIBS数据的多元统计分析可以作为快速筛选潜在生命信号的一种手段，再结合其他探测技术，有望在火星生命信号的原位探测中发挥作用。图3 类火星环境石英岩碎屑样品部分测量位点的LIBS光谱图（左图）与PCA散点图（右图）研究成果发表于美国化学学会旗下期刊ACS Earth and Space Chemistry（申建勋，刘立，陈妍，孙宇，林巍. Geochemical and biological profiles of a quartz stone in the Qaidam Mars analog using LIBS: Implications for the search for biosignatures on Mars[J]. ACS Earth and Space Chemistry, 2022. DOI: 10.1021/acsearthspacechem.2c00129）。该成果受中国科学院、国家自然科学基金、中国科学院地质与地球物理研究所等联合资助。

整个8月份，全世界最令人兴奋的科学新闻无疑属于火星。2008年7月31日，美国宇航局（NASA）科学家宣布：“凤凰”号火星探测器在火星上加热土壤样本时鉴别出有水蒸气产生，从而确认火星上有水存在。 从19世纪70年代起，火星和它上面的水持续不断地挑逗着公众和科学家们的好奇心。随着“凤凰”号2008年5月25日成功登陆火星北极区之后，答案逐渐显现。一个火星与水的故事由此变得完整。 但是，8月5日，“凤凰”号发现的一种高氯酸根，又让这个故事顿生波澜，一时间在全世界引起广泛关注。 日前，多次参与NASA及欧空局火星探测研究的圣路易斯华盛顿大学地球与行星科学系华裔科学家王阿莲接受《科学时报》采访，解密“凤凰”号火星探测任务，带来这一神奇太空故事的完整版本。 火星发现水意味着什么 对火星上生命的探索是人类最核心的追求，这也是持续数十年水与火星缠绵故事的主题。无疑，火星发现水的消息是迄今这一故事最令人兴奋的高潮。 “‘凤凰’号此次发现的水实际是以冰的形态存在的。这的确是非常令人兴奋的发现，但事情都是一步一步做过来的。‘凤凰’号的发现只是火星探测一系列发现中最近的一次。”王阿莲十分理解公众的关切，但她更强调火星上水的发现是一个长期探索的自然结果，并非由“凤凰”号一蹴而就。 如何评价这一发现在人类火星探测历史上的地位？王阿莲表示，科学家们一直相信火星上有水的存在，并不断通过发射火星轨道卫星和登陆探测器进行求证。从“奥德赛”火星轨道卫星在火星赤道地区发现大量的氢，到此后火星登陆车“勇气”号和“机遇”号发现含水矿物，再到这次“凤凰”号在北极地区找到大量水冰存在的直接证据，科学家们对于火星水的探测是一步一步走到今天的。“毋庸讳言这一发现的重大意义，但这是一个历史延续的结果。” 实际上，美国在1999年曾发射过一台“火星极地着陆器”，但在着陆时失踪了。两台火星登陆车“勇气”号和“机遇”号的成功着陆和在近4年的探测中发现的大量含水矿物，既锤炼了队伍也鼓舞了精神。此次“凤凰”探测器利用了原来的“火星极地着陆器”的部分探测仪器，将其命名为“凤凰”号，是取凤凰涅槃重生的意思。因此，也可以说，“凤凰”号对火星水的突破性发现是集大成的结果。 神秘的高氯酸根 在7月31日NASA的正式消息公布的同时，有美国媒体援引NASA和科学界消息人士的话说，在火星上不但发现了水，而且在数星期后还将公布一项在研究火星土壤过程中获得的“更为实质性”的发现。该报道宣称，这项所谓的“更为实质性”的发现涉及到了在火星上“可能有生命存在”的问题。 报道确有其事，不过据王阿莲透露，当时获得发现的科学家非常激动，一不小心走露了消息，“耳朵很尖”的美国媒体赶紧报道，反而显得十分神秘。“NASA历来的外空探测项目都是由科学团队发布结果，一点没有要隐瞒的地方。” 很快谜底揭晓。8月5日，美国国家宇航局在其网站公布的最新消息中作出澄清，“凤凰”号探测器在火星土壤中检测到了高氯酸根。高氯酸盐是一种强氧化物质，通常认为其对微生物在火星上的存活不利，但在地球上的自然环境中又多有发现，例如其在智利干旱的阿塔卡玛沙漠土壤中自然存在。一些地球上微生物的食物也含有高氯酸根，并且某些植物能够浓缩这类物质。人工合成的高氯酸盐多被用来制造庆典时使用的烟火和火箭燃料。 对于生命存在具有重要意义的水在火星上被证实，本来是一个好消息，但被视为“生命的毒药”的高氯酸根的出现，似乎给那些希望找到火星生命的公众当头泼了一盆冷水。但科学家们却并不这样看。NASA网站上的消息公布了发现高氯酸根的全部过程。“发现高氯酸盐对于生命而言既不是好事也不是坏事，但它使我们重新评估对于火星生命的认识。”NASA喷气推进实验室的MECA（显微、电子化学及传导分析仪）首席科学家Michael Hecht表示。 “这是NASA一贯的政策。”王阿莲在接受《科学时报》采访时表示：“自NASA成立之日起，它就要面对公众，因为它花的是纳税人的钱，就要不断地发布消息，让公众知道它做了哪些事情，借此吸引公众的注意，同时激励年轻孩子们，他们将会成为下一代NASA的科学和工程团队。” 据王阿莲介绍，这次“凤凰”号上装备了两台重要的仪器，一个是MECA，是一种湿化学仪器，它有4个类似化学实验室中用的“小烧杯”。“凤凰”号机械臂把挖掘到的土壤放入其中，进行湿化学分析。MECA带有一些探测器，可以探测各种阴阳离子。“这次就发现了高氯酸根的信号，但不能肯定是哪一类高氯酸盐，因为样品已经溶化掉了。”另一个重要仪器是TEGA（热萃取气相质谱仪），它有8个“小炉子”，加热样品时会有气体逸出，其后有探测精度很高的质谱仪可以探测这些气体中到底含有什么成分。 “这次两个仪器获取的结果不完全一致，MECA检测到了高氯酸根，但是TEGA并没有捕捉到科学家们预期中的氯气逸出。”王阿莲说：“虽然不确定到底是哪种高氯酸盐，但是NASA还是要发布结果，这是为了更好地吸引公众。严谨的科学结论将最终发表在《自然》、《科学》和《地球物理杂志—行星科学》等学术期刊上。” 公众担心高氯酸根会对火星生命不利，对此王阿莲认为，高氯酸根并非是一种从根本上会抑制生命出现的有毒物质，生命物质中也发现有高氯酸根。“目前尚不确定‘凤凰’号发现的是哪一种高氯酸盐。不同的高氯酸盐有不同的性质，哪种阳离子与高氯酸根结合会对生命产生根本威胁尚待确定。” 此外，这些高氯酸根是否是“凤凰”号运载火箭带上火星的残留燃料也有待确认。王阿莲表示，在科学研究中进行认真的误差分析十分必要——“凤凰”号在火星极地的土壤中掘冰十分艰难，再将样品准确地放入“小烧杯”也需要作很多努力。这些操作和分析过程中都会产生一些误差，需要作出详尽的分析。NASA“凤凰”号的科学团队目前正处于非常忙碌的探测器操控阶段，后续还会有一些作基础研究的科学家加入进来，最终的结果将通过科学论文作出报告。 探寻火星生命：未竟的旅程 火星大气稀薄、气压很低，受到太阳辐射将快速增加动能，带动火星表土形成与地球上类似的尘暴，有时甚至发展成全球性的火星尘暴。尘暴也会对火星生命遗迹的存留构成威胁。加州大学教授乔治德罗利曾指出，火星尘暴产生的电场，会将火星稀薄大气里的水和二氧化碳分子割裂开来。那些分子能够自由地形成过氧化氢或者其他强氧化剂，这些物质将扫除火星表面对形成生命具有关键性作用的任何有机分子。 然而这并不能排除火星环境下可能的生命形态与地球不尽相同。“这个想法在所有作火星探测的科学家的脑海里都存在。”王阿莲表示。虽然不在天外生命探测的领域中工作，但是她通过学术会议大致了解其中的基本观点。“会有一些共同点，如需要有长时间的液态水存在，基本的氮、磷、氧、碳等可能还是基本的生命组成元素，但到底以什么样的化学键相结合还有待探索。” 在火星上寻找生命无异于大海捞针，现在人类仅仅走完第一步，找到了水，但接下来水的酸碱度是否适合还需要研究确证。此外，王阿莲认为，什么样的仪器能够真正探测火星生命还有待研究设计及证实。“这样的探测技术如果不成熟也不能马上飞，毕竟一个螺丝钉没有拧紧就可能前功尽弃，必须一步一步做严谨的工作。” 眼下，由于“凤凰”号找水的巨大成功，NASA决定将它的任务再延长至9月底。“从NASA的角度讲，送一套很贵的仪器上火星，只要能够工作就会继续尽量争取多出成果。”王阿莲说。据了解，发现高氯酸根有功的MECA的4个烧杯已经用了2个，余下的2个将继续用于分析火星土壤以重证高氯酸根的存在。“凤凰”号将继续在其周围进行挖掘，进一步提高冰在土样中的比率，不断摸索提高样品输入的准确性，并使用热萃取气相质谱仪作进一步分析。 除了寻找水和含有生命特征的物质之外，“凤凰”号还承载了一台由加拿大研制的极地低温“气象站”仪器，用来研究火星气候的变化。但目前，对“凤凰”号寿命最大的威胁是天气，因为它很接近火星北极，日照将越来越短，它的太阳能电池板将面临考验。 新的火星探测计划正在路上。NASA将于2009年发射“火星实验室”登陆车。欧空局的“地外火星”登陆车将于2013年发射，继续探索火星生命。执行这一计划的团队以欧空局科学家为主，美国派科学家参加。王阿莲2007年获得NASA资助，参与这项新的研究计划。

在背景与目标红外辐射量差距不大或背景较为复杂等情况下，传统红外成像技术对目标进行探测与识别的难度较大。而红外偏振探测在采集目标与背景辐射强度的基础上，还获取了多一维度的偏振信息，因此在探测隐藏、伪装和暗弱目标和复杂自然环境中人造目标的探测和识别等领域，有着传统红外探测不可比拟的优势。但同时，偏振装置的加入也增加了成像系统的复杂度与制作成本，且对于远距离成像，在红外成像系统前加入偏振装置对成像系统的探测距离有多大的影响，也有待进一步的研究论证。据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院红外探测与成像技术重点实验室和中国科学院大学的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“考虑探测器非理想性的红外偏振成像系统作用距离分析”为主题的文章。该文章第一作者为谭畅，主要从事红外偏振成像仿真方面的研究工作；通讯作者为王世勇研究员，主要从事红外光电系统技术、红外图像信号处理方面的研究工作。本文将从分析成像系统最远探测距离的角度出发，对成像系统的探测能力进行评估。综合考虑影响成像系统探测能力的各个因素，参考传统红外成像系统作用距离模型，基于系统的偏振探测能力，建立了红外偏振成像系统的作用距离模型，讨论了偏振装置非理想性对系统探测能力的影响，并设计实验验证了建立模型的可靠性。红外成像系统作用距离建模目前较为公认的对扩展源目标探测距离进行估算的方法是MRTD法。该方法规定，对于空间频率为f的目标，人眼通过红外成像系统能够观察到该目标需要满足两个条件：①目标经过大气衰减到达红外成像系统时，其与背景的实际表观温差应大于或等于该频率下的成像系统最小可分辨温差MRTD（f）。②目标对系统的张角θT应大于或等于相应观察要求所需要的最小视角。只需明确红外成像系统的各项基本参数与观测需求，我们就可以计算出系统的噪声等效温差与最小可分辨温差，进而求解出它的最远探测距离。红外偏振成像系统作用距离建模偏振成像根据成像设备的结构特性可分为分振幅探测、分时探测、分焦平面探测和分孔径探测。其中分时探测具有设计简单容易计算等优点，但只适用于静态场景；分振幅探测可同时探测不同偏振方向的辐射，但存在体积庞大、结构复杂，计算偏振信息对配准要求高等问题；分孔径探测也是同时探测的一种方式，且光学系统相对稳定，但会带来空间分辨率降低的问题；分焦平面偏振探测器具有体积小、结构紧凑、系统集成度高等优势，可同时获取到不同偏振方向的偏振图像，是目前偏振成像领域的研究热点，也是本文的主要研究对象。图1为分焦平面探测系统示意图。图1 分焦平面探测器系统示意图本文仿真的分焦平面偏振探测器，是在红外焦平面上集成了一组按一定规律排列的微偏振片，一个像元对应着一个微偏振片，其角度分别为 0°、45°、90°和135°，相邻的2×2个微像元组成一个超像元，可同时获取到四种不同的偏振态。图1为分焦平面探测系统结构示意图。传统方法认为在红外成像系统前加入偏振装置后，会对系统的噪声等效温差与调制传递函数MTF（f）产生影响，改变系统的最小可分辨温差，进而改变系统的最远探测距离。本文将从偏振装置的偏振探测能力出发，分析成像系统的最小可分辨偏振度差，建立红外偏振成像系统的探测距离模型。我们首先建立一个探测器偏振响应模型，该模型将探测器视为一个光子计数器，光子被转换为电子并在电容电路中累积，综合考虑探测器井的大小、偏振片消光比、信号电子与背景电子的比率以及入射辐射的偏振特性，通过应用误差传播方法对结果进行处理。从噪声等效偏振度（NeDoLP）的定义出发，NeDoLP是衡量偏振探测器探测能力的指标，即探测器对均匀极化场景成像时产生的标准差。对其进行数学建模，进而分析得到红外偏振成像系统的最远探测距离。图2 DoLP随光学厚度变化曲线对于探测器来说，积分时间越长，累积的电荷越多，探测器的信噪比（SNR）就越高，但这种增加是有限度的。随着积分时间的增加，光生载流子有更多的时间被收集，增加信号。然而，同时，暗电流及其相关噪声也会增加。对于给定的探测器，最佳积分时间是在最大化信噪比和最小化暗电流及噪声的不利影响之间取得平衡，为方便分析，我们假设探测器工作在“半井”状态下。通过以下步骤计算红外偏振成像系统最远作用距离：a. 根据已知的目标和背景偏振特性以及环境条件，计算在给定距离下，目标与背景之间的偏振度差在传输路径上的衰减。b. 结合系统的探测器性能参数，确定目标在给定距离下是否可被观察到。如果不能则减小设定的距离。目标被观察到需同时满足衰减后的偏振度差大于或等于系统对应于该频率的最小可分辨偏振度差MRPD，目标对系统的张角θT大于或等于相应观察要求所需要的最小视场角。c. 逐步增加距离，直到目标与背景之间的偏振度差不再满足观察要求。这个距离即为成像系统最远作用距离。τp (R)为大气对目标偏振度随探测距离的衰减函数，可根据不同的天气条件，根据已有的测量数据进行插值，计算出不同探测距离下大气对目标偏振度的衰减，图4. 5给出了根据文献中测量数据得到的偏振度随光学厚度增加衰减关系图。这里给出的横坐标是光学厚度，不同天气条件下，光学厚度对应的实际传播距离与介质的散射和吸收系数有关。综上，我们建立了传统红外成像系统和考虑了偏振片非理想性的红外偏振成像系统的作用距离模型，下面我们将对模型的可靠性进行验证，分析讨论探测器各参数对成像系统探测能力的影响。验证与讨论由噪声等效偏振度的定义可知，其数值越小，代表偏振探测器的性能越优秀。下面我们对影响红外偏振成像系统探测性能的各因素进行讨论，并设计实验验证本文建立模型的正确性。偏振片消光比消光比是衡量偏振片性能的重要参数，市售的大面积偏振片的消光比可以超过200甚至更多。对其他参数按经验进行赋值，从图3可以看到，对于给定设计参数的探测器，偏振片消光比超过20后，随着偏振片消光比的增加，探测器性能上的提升微乎其微。对于分焦平面探测器，为实现更高的消光比，不可避免地要牺牲探测器整体辐射通量。由于辐射通量降低而导致的信噪比损失可能远远超过消光比增加所获得的收益。这一结果同样可以对科研人员研制偏振片提供启发，对需要追求高消光比的偏振片来说，增大透光轴方向的最大透射率要比降低最小透射率更有益于成像系统的性能。图3 偏振片消光比与探测器噪声等效偏振度关系图探测器井容量红外探测器的井容量是指探测器像素在饱和之前能够累积的电荷数量的最大值。井容量是衡量红外探测器性能的一个关键参数，井容量通常以电子数（e-）表示。较大的井容量意味着探测器可以在饱和之前存储更多的电荷，从而能够在更大的亮度范围内准确检测信号。这对于在具有广泛亮度变化的场景中捕获清晰图像至关重要。从图4可以看出，增大探测器井的容量，同样能很好的提高成像系统的偏振探测能力。图4 探测器井容量与探测器噪声等效偏振度关系图然而，井容量的增加可能会导致像素尺寸增大或探测器面积减小，这可能对系统的整体性能产生负面影响。因此，在设计红外探测器时，需要权衡井容量、像素尺寸和其他性能参数，以实现最佳性能。目标偏振度虽然推导出的噪声等效偏振度公式包含目标偏振度这一参量，但目标的偏振度本身对探测器的噪声等效偏振度没有直接影响。NeDolp 是一个衡量探测器性能的参数，它主要受探测器内部噪声、电子学和其他系统组件的影响。然而，目标的偏振度会影响探测器接收到的信号强度，从而影响信噪比（SNR）。从图5也可以看出，探测器的NeDolp受目标的偏振度影响不大。图5 目标偏振度与探测器噪声等效偏振度关系图读取噪声与产生复合噪声比值读取噪声主要来自于探测器的读出电路、放大器和其他电子元件。它通常在整个光强范围内保持相对恒定。产生复合噪声是由光子的随机到达和电荷生成引起的，与光子数成正比。在低光强下，产生复合噪声通常较小；而在高光强下，它会逐渐变大。通过计算读取噪声和产生复合噪声的比值，可以确定系统的性能瓶颈。如果读取噪声远大于产生复合噪声，这意味着系统在低光强下受到读取噪声的限制。在这种情况下，优化读出电路和放大器等元件可能会带来性能提升。如果产生复合噪声远大于读取噪声，这意味着系统在高光强下受到产生复合噪声的限制。在这种情况下，提高信号处理和光子探测效率可能有助于改善性能。从图6可以看出，降低读取噪声与产生复合噪声比值可以有效提升系统偏振探测能力。图6 δ与探测器噪声等效偏振度关系图信号电子比例综合图4~6可以看出，提升β的数值可有效提高探测器的偏振探测能力，由β的定义可知，对于确定井容量的探测器，β的取值主要取决于探测器的各种噪声与积分时间，降低探测器的工作温度、优化探测器结构、减少表面和界面缺陷等途径都可以降低探测器的噪声，调节合适的积分时间也有助于探测系统的性能提升。实验验证根据噪声等效偏振度的定义，利用面源黑体与红外可控部分偏振透射式辐射源创建一组均匀极化场景。如下图7所示，黑体发出的红外辐射，经过两块硅片，发生四次折射，产生了偏振效应，通过调节硅片的角度，即可产生不同线偏振度的红外辐射。以5°为间隔，将面源黑体平面与硅片间的夹角调为10°~40°共七组。每组将面源黑体设置为40℃和70℃两个温度，用国产自主研制的红外分焦平面偏振探测器采取不少于128帧图像并取平均，然后将每组两个温度下相同角度获得的图像作差，以减少实验装置自发辐射和反射辐射对测量结果的干扰，差值图像就是透射部分的红外偏振辐射。对差值图像进行校正和去噪后，即可按公式计算出探测器对均匀极化场景产生的偏振度图像。计算出红外辐射的线偏振度，为减小测量误差，仅取图像中心区域的像元进行分析。该区域像元的标准差就是该成像系统的噪声等效偏振度（NeDoLP）。探测器具体参数如表1所示。图7 实验示意图表1 偏振探测器参数利用本文建立的探测器仿真模型计算出硅片的线偏振度仿真值，公式19计算出硅片线偏振度的理论值，与实验的测量值进行对比，图8展示了三组数据的变化曲线，从图中可以看出，三组数据存在一定偏差，这可能与硅片调节角度误差、面源黑体稳定性、干涉效应、硅片摆放是否平行等因素有关，但在误差允许的范围内，实验验证了偏振探测系统的性能，也证明了本文建立仿真模型的可靠性。NeDoLP测量结果如表2所示。图8 线偏振度理论值、测量值与本文模型仿真值曲线图表2 实验结果从上表可以看到NeDoLP的测量值与仿真值的差值基本能控制在5%以内，实验结果再次印证了本文设计的模型的可靠性。实例计算应用建立的模型对高2.3m，宽2.7m，温度47℃，发射率为1的目标的最远探测距离进行预测，目标差分温度6℃；背景温度27℃；发射率1；目标偏振度30%，背景偏振度1%，使用3.2节中样机的探测器参数，最后，采用文献中介绍的“等效衰减系数-距离”关系的快速逼近法对红外探测系统最远作用距离R进行求解，得到表3的结果。表3 红外成像系统的最远作用距离根据红外探测系统最远探测距离，利用本文第二节提出的方法，得到不同探测概率下红外偏振成像系统最远作用距离结果如表4所示。表4 红外偏振成像系统的最远作用距离所选例子为目标与背景偏振度差异大于其温差，所以在这种探测场景下红外偏振成像系统的探测能力要优于红外成像系统。探测器的参数不同，探测场景与目标的变化都会对模型的结果产生影响，但本文提供的成像系统作用距离模型可为实际探测中不同应用场景下的成像系统选择提供参考。结论针对不同的探测场景，红外成像系统与红外偏振成像系统在最远探测距离方面哪个更有优势并没有定论，探测目标的大小，背景与目标的温差与偏振度差，大气透过率，具体探测器的参数等因素都会对成像系统的最远探测距离产生影响。经实验验证，本文所建立的非理想红外偏振成像系统的响应模型是可靠的，可以用于估算成像系统的最远作用距离，针对不同的探测场景，读者可通过实验确定探测器的具体性能参数，利用仿真软件或实验测量的方式获取探测目标的温度与偏振信息，明确探测环境的具体大气参数，利用模型对红外成像系统与偏振成像系统的最远作用距离进行预估，选择更具优势的成像系统。这项研究获得上海市现场物证重点实验室基金（No. 2017xcwzk08）和上海技术物理研究所创新基金（No. CX-267）的资助和支持。论文链接：http://journal.sitp.ac.cn/hwyhmb/hwyhmbcn/article/abstract/2023041