深空探测是我国航天事业的战略发展方向,火星是继我国成功实现月球登陆探测任务后的又一个重要探测目标。2020年是火星探测重要的时间窗口,届时中国将进行名为“天问一号”的首次火星探测任务,同时实现绕、落、巡三大工程目标。火星巡视器搭载的火星土壤成分分析仪(MarsCoDe)是中国首台用于行星探测的LIBS系统,为实现其数据解译,搭建地面火星模拟LIBS系统进行仪器参数研究、类火星样品实测、数据处理等相关预研工作已迫在眉睫。本文作者参与了山东大学火星模拟LIBS系统(SDU-Mars-LIBS)的搭建、调试、优化、岩石类型识别模型的创建和类火星岩石主量元素定量分析等工作,获得了如下研究成果:1)初步研究了影响地质样品物理基体效应的主要因素并确定了最优系统测试参数;2)分别在地球环境和模拟火星环境(7mbar,CO2)下完成50余种类火星地质标准样品的LIBS光谱测试,对所获得的数据进行了光谱预处理,初步建立了类火星岩石LIBS光谱数据库;3)提出了一种利用PCA的Loading空间距离作为选取对样本分类贡献最大的LIBS特征谱线的筛选方法,依据该方法实现了对ChemCam团队发布的64个飞行前定标地质样品的鉴别分析,鉴定精度92.8%;4)利用支持向量机回归(SVR)和偏最小二乘回归(PLSR)两种算法建立类火星岩石的主量元素定量反演模型,获得了较好的结果。全文共分为六个章节,前言部分对火星进行了整体性介绍,主要包括火星大气、火星岩石及矿物等;第一章主要对人类火星探测情况进行概述,包括现有探测成果、重要元素探测载荷介绍和中国火星任务概览等;第二章介绍了 LIBS工作原理及仪器构成,主要包括ChemCam系统及数据简介,MarsCoDe简介和SDU-Mars-LIBS 系统介绍三部分内容;第三章为 LIBS 数据定性分析章节,该章节介绍了一种以PCA主成分loading空间距离为判定标准的岩石类型鉴别新方法,该方法主要利用载荷空间距离法对元素LIBS特征发射谱线进行筛选识别,进而在不进行岩石主量元素定量分析的情况下,识别出元素种类和丰度非常相似的岩石样品,可以在一定程度上削弱基体效应,对矿物类型识别和元素定量分析模型的建立具有重要作用;第四章为SDU-Mars-LIBS系统地质标样实测和光谱数据定量分析章节,可以为SDU-Mars-LIBS系统实测数据流程化处理和LIBS光谱库建立提供参考;第五章为总结和展望章节,对论文工作进行汇总的同时,指出目前存在的不足并对未来工作和研究方向提出建议。