A Self-Calibrated Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Sensor Enables In-Flight Quantitative Elemental Analysis Onboard an Unmanned Aerial Vehicle

方法

自校准激光诱导击穿光谱传感器，从单次等离子体光谱反演校准与定量。

发现

无需外部标样和可重复条件，飞行中对合金和土壤实现可靠定量元素分析。

机会点

可将该自校准LIBS用于农田土壤养分快速制图，探索飞行高度与土壤水分对定量精度的影响。

摘要 定量原子光谱长期难以与无人机（UAV）上的远程元素分析测量相兼容，因为其根本上依赖于可重复的实验条件。本文提出一种自校准激光诱导击穿光谱（LIBS）策略，通过直接从每个被测等离子体发射光谱中反演仪器校准与元素定量信息，克服了上述限制，无需可重复的测量条件、外部校准标准品及基体匹配参考物质。我们利用集成于无人机上的紧凑型机载LIBS传感器验证了该方法，可在3–5 m距离的飞行过程中实现定量远程元素分析。由于定量信息源自激光诱导等离子体的基本性质而非外部校准的测量条件，该方法对激光聚焦、目标距离、平台运动及环境条件的变化具有内在稳健性。对金属合金和土壤的飞行中定量测量表明，在实际操作条件下可实现可靠的元素分析。所研制的机载LIBS及所提出的策略为动态条件下的定量原子光谱建立了通用框架，为环境监测、地球化学勘探、精准农业、行星探测和应急响应中的自主元素传感开辟了新机遇。