基于贝叶斯模型校准确估算火星岩石与土壤组成的初步探索

火星好奇号巡视器携带了一台名为 ChemCam 的仪器，旨在通过激光诱导击穿光谱(LIBS)测量地表岩石与土壤的组成。必须对该仪器测得的谱线进行分析，以识别目标样品中的组成元素及其相对比例。我们将此过程称为解聚，其复杂性源于所谓的基体效应——由于 LIBS 等离子体内原子相互作用，发射谱线相对高度随组成以未知函数形式发生非线性变化。本工作中，我们探索使用洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的等离子体物理代码 ATOMIC 来完成解聚任务。ATOMIC 近来被用于模拟 LIBS 谱线，并能够基于第一性原理稳健地复现基体效应。ATOMIC 预测 LIBS 谱线的能力为 LIBS 领域提供了一种尚未尝试的解聚途径，即通过贝叶斯模型校准来实现。然而，由于参数空间庞大且单次输出所需计算时间长，直接将其用于求解逆问题在计算上不可行。因此我们同时探索使用仿真器作为该分析的快速解决方案。我们讨论了一种用于解聚钠与铜双元素化合物的概念验证高斯过程仿真器。训练与测试数据集采用拉丁超立方设计由 ATOMIC 模拟生成。在测试仿真器性能后，我们借助贝叶斯模型校准成功恢复了 25 个测试谱线的组成。