火星是太阳系中的四颗类地行星之一，具有最接近地球的环境。天问一号是中国首次火星探测任务，成功降落在乌托邦平原南部，并部署了祝融号火星车[[1], [2], [3]]。乌托邦平原被Vastitas Borealis地层（VBF）覆盖，这是一个晚赫斯珀里安时期的沉积地层。VBF物质可能来源于河流、湖泊或海洋沉积物[2,[4], [5], [6], [7], [8], [9]]。祝融号火星车携带的火星表面成分探测器（MarSCoDe）可以对火星岩石和土壤进行原位分析。MarScoDe结合了激光诱导击穿光谱（LIBS）、短波红外（SWIR）和显微成像（MI）技术，以实现化学成分识别、矿物检测和显微成像[[10], [11], [12], [13]]。
LIBS是一种强大的元素检测技术，它利用激光诱导产生的等离子体作为激发源来获取发射光谱。由于其非接触式测量、多元素分析、快速分析、无需样品制备以及适用于多种样品类型的优点，LIBS已在地质勘探中得到广泛应用[14]。在行星探测中，LIBS可以使用小激光斑点（亚毫米级）检测岩石和土壤中的大多数元素（如Ca、Mg、K、Na、Al、Si、Fe），而不会造成显著损伤[15,16]。LIBS已广泛应用于火星探测。LIBS的首次外星应用是安装在好奇号火星车上的ChemCam。ChemCam在检测火星岩石和土壤的化学成分方面表现出巨大潜力，并收集了超过100万条LIBS光谱。ChemCam确定了盖尔陨石坑土壤和岩石的成分（主要元素以及Mn、Cu、Zn、Li、S等），增进了我们对火星岩浆演化、水文条件和古气候的理解。随后，毅力号火星车上的SuperCam将LIBS与时间分辨拉曼光谱、发光光谱以及可见光和红外反射光谱结合使用[17,18]。MarScoDe是中国首个用于火星探测的LIBS光谱仪，旨在分析乌托邦平原的火星岩石和土壤的化学成分[19]。
由于火星物质的复杂性和LIBS中的基质效应，获得高精度的定量结果具有挑战性。为了解决这个问题，MarScoDe携带了12个机载校准目标，包括石膏、辉石、安山岩、诺里特、磷灰石、白云石、6-4钛合金、蒙脱石、橄榄石、玄武岩和钾长石[19,20]。MarScoDe校准目标（MCCT）的LIBS光谱对于识别岩石类型至关重要，因为它们是在与火星目标相同的环境下获取的。主成分分析（PCA）这种定性方法可以用于利用MCCT的LIBS光谱构建不同岩石和土壤类别的模型。PCA假设主成分是原始变量的线性组合。在LIBS数据中，原子发射线强度与发射元素的浓度成正比；因此，标准化的LIBS光谱满足这一线性要求。PCA还依赖于变量之间的关系。LIBS光谱表现出强烈的共线性，因为单个元素（如Fe或Ti）会在光谱中产生多个发射线。PCA将这些相关的光谱特征分组为主成分。在载荷图中，PC1、PC2和PC3区分了特定的元素组。通过线性变换，PCA将多维光谱数据转换为线性独立的变量，从而提取特征向量进行降维和分类。因此，PCA在LIBS数据处理中得到了广泛应用。例如，Sirven等人（2007年）成功使用PCA区分了岩浆岩和沉积岩系列。Schr?der等人（2013年）进一步证明了PCA区分各种盐类矿物的能力。最近，刘等人（2021年）展示了PCA用于快速分类多种火星类似岩石的可行性。Lanza等人（2010年）证明PCA可以有效区分碳酸盐矿物。Chatterjee等人（2019年）进一步展示了结合LIBS和PCA识别土壤样本多样性的潜力[[21], [22], [23], [24], [25]]。
本研究建立了一个基于PCA的分析框架，通过量化火星目标和MCCT光谱之间的光谱相似性和差异来识别火星岩石和土壤中的矿物类型。首先使用ChemCam-LIBS光谱数据集和从ChemCam校准目标（CCCT）获取的原位校准数据验证了该方法的有效性。对火星岩石和土壤的分类和分析增强了我们对着陆区域地质演化的理解，包括岩石形成过程、水-岩相互作用和潜在生物特征。
