拉曼光谱技术在深空探测中的应用评述

拉曼光谱是激光激发物质产生光子非弹性散射形成的分子振动光谱.作为矿物和有机物识别的“指纹”光谱,拉曼光谱已被广泛应用于地球和地外样品研究中,以获得矿物种类、矿物化学、空间分布、岩矿成因等关键信息.在深空探测任务中,拉曼光谱通过采用主动激光激发获取光谱,在光谱信号获取方面具有独特的优势并可有效突破行星光照条件等环境的制约,因而被推荐用于月球、火星、小行星、金星、冰卫星等重要探测任务.我国嫦娥7号任务也将搭载拉曼光谱仪在月球南极区域开展就位物质成分探测.本文从拉曼光谱技术的物理原理和技术特点出发,阐述了拉曼光谱技术在月球和火星样品中的研究进展,归纳总结了主要组成矿物的拉曼光谱特征;梳理了拉曼光谱技术在深空探测领域的发展现状,简介了目前国际上主要拉曼光谱仪载荷设计情况,并分析了深空拉曼光谱探测中存在的难点约束;最后,对拉曼光谱技术在深空探测应用方面未来的发展趋势进行了展望,以期为未来相关载荷研发和应用提供有益参考.     

嫦娥一号干涉成像光谱仪数据TiO2 反演初步结果

反演月表TiO₂含量的分布对于月球科学研究和未来月球资源开采与利用具有重要意义. 利用干涉成像光谱仪数据对月表TiO₂ 反演进行了初步尝试, 获得了基于月球着陆点数据和月面真值的TiO₂ 反演公式. 将该公式应用于嫦娥一号干涉成像光谱仪数据, 获得了TiO₂ 在Apollo 16 登陆点附近高地、月球澄海MS2 地区的低钛玄武岩和高钛玄武岩等地区的局域分布特征. 经与Clementine UVVIS 数据反演结果进行比较, 嫦娥一号干涉成像光谱仪数据的TiO₂ 含量初步模型对于所研究的高地地区预测偏高0.7 wt.%左右, 对于月海低钛地区的预测偏高1.5 wt.%左右, 对于月海高钛地区的含量预测偏低0.8 wt.%左右.     

二次曲面平行圆族的求法

从射影几何观点,讨论了二次曲面上的平行圆族问题,给出了有关的理论结果和求解方法,并给出了具体算例.     

月球表面光度行为的地域依赖性分析

月球表面光度行为描述了月表物质反射的太阳光随入射、出射和太阳相角的变化,它取决于月壤颗粒的粒径和形状、孔隙度、粗糙度等物理特性和矿物成分等化学性质．本文利用嫦娥一号干涉成像光谱仪（IIM）2A级辐亮度数据,基于太阳相角一辐亮度二维直方图统计,可将月球表面划分为两种光度行为迥异的地域类型,二者FeO含量分别与月海和高地的值大致吻合．高地（阿波罗16号着陆点）和月海（澄海）区域的IIM数据验证了该划分方法的合理性．本文提出的直接依据IIM2A级数据太阳相角一辐亮度二维直方图的划分方法,可以避免FeO含量划分月表光度单元中由于后期数据处理过程引入的误差．     

“嫦娥一号”干涉成像光谱仪数据FeO反演初步结果

月表FeO含量的分布对于未来月球资源利用和科学研究具有重要意义.在Apollo和Luna取样点的干涉成像光谱数据与月表FeO含量真值的基础上,得到了利用干涉成像光谱仪数据进行月表FeO填图的初步数学模型.将该公式应用于"嫦娥一号"干涉成像光谱仪数据,成功得到了月表FeO的局域地区分布.经过与Clementine UVVIS数据进行比较,嫦娥干涉成像光谱仪数据的FeO含量初步模型对于月海地区的预测偏低(2%),对于高地地区的预测偏高(3%).     

钛酸铋纳米晶的喇曼光谱和红外光谱研究

利用MOD方法制备了钛酸铋（Bi4Ti3O12（BTO））纳米晶．采用空间群结合晶格动力学分析了BTO晶体中的晶格振动模，理论预测了最多可能产生24个喇曼散射峰和28个红外吸收峰．喇曼散射和红外吸收实验结果与理论预测相比，峰数有大量减少．将此归因于谱带的叠合，某些谱线强度太弱，以及BTO晶体阴离子基团中TiO6八面体的存在等原因．对主要的喇曼峰和红外吸收峰采用TiO6八面体的内振动模进行指认，发现八面体的畸变程度很大，导致某些谱线产生了频移和劈裂．     

BaWO4晶体的喇曼光谱分析

采用群论的方法分析了BaWO4晶体的对称性分类，得到36个简正模，与BaWO4晶体的运动自由度相等，其中有18支喇曼活性光学膜. 实验中， 采用X(ZZ)，X(YY)，Z(XY)和X(YZ)配置获得了Ag, Ag＋Bg, Bg, Eg振动模，共观测到10支喇曼峰，并对观测到的各个配置的喇曼峰进行了指认，其中X(ZZ)配置的921?cm-1（υ1）处的喇曼峰强度最强，频移最大，线宽较窄，容易获得较高的喇曼增益，是喇曼激光器设计中的首选谱线，为喇曼激光器的设计提供了理论指导.     

月球Aristarchus地区的物质成分与岩石类型分布

月球Aristarchus地区是月球正面反照率最高的地区．它具有丰富的物质类型分布,包括月球最大规模的火成碎屑沉积物,非常年轻的Aristarchus撞击坑溅射物以及环绕Aristarchus高原的月海玄武岩分布,存在火山、撞击构造等地质作用,具有重要研究价值．本文利用来自嫦娥一号干涉成像光谱仪、ClementineUVVIS相机、LunarProspector伽马谱仪等月球探测数据,综合分析Aristarchus地区的元素分布状况、矿物与岩石光谱特征、岩石类型分布特征．研究表明,Aristarchus地区的光谱特征和物质类型极为丰富,包括火成碎屑沉积物、月海玄武岩、高地斜长岩、KREEP岩以及演化程度较高的碱性斜长岩等特殊岩石类型,为月球地质学研究中不可多得的案例区域,因而可作为我国探月工程三期（嫦娥五号或六号）月球取样返回候选地区之一．