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在分析化学领域，SHERLOC 仪器用于火星表面有机物和矿物测绘，但低信号拉曼特征与噪声区分困难。研究人员对比拉曼光谱信噪比（SNR）计算方法，发现多像素法比单像素法更优，能提高光谱特征评估，还确认了火星表面有机碳信号。
研究背景
在探索火星奥秘的征程中，“毅力号” 火星车发挥着关键作用。2021 年 2 月 18 日，它成功着陆在杰泽罗陨石坑，肩负着研究火星过去宜居性、寻找生命迹象以及采集样本等重要使命。车上搭载的 SHERLOC（Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals）仪器，是一台深紫外拉曼和荧光仪器，用于对火星表面的有机物和矿物质进行测绘。
然而，在实际观测中，SHERLOC 仪器面临着诸多挑战。由于飞行仪器设计和操作的限制，获取的拉曼光谱信号较弱，低信号拉曼特征常常难以与测量噪声区分开来。检测限（Limit of detection，LOD）是衡量仪器检测能力的重要指标，通常将信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）≥3 作为具有统计学意义的检测标准。但在拉曼光谱领域，计算信噪比的方法繁多，国际纯粹与应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC）和美国化学学会（American Chemical Society，ACS）等虽制定了计算标准，但不同方法在测量信号（S）及其标准差（σs）时存在差异，导致同一光谱特征用不同方法计算出的信噪比不同，检测限也随之不同，这使得不同研究之间的信噪比难以比较，严重影响了对火星表面物质成分的准确分析。因此，为了更有效地从 SHERLOC 数据中提取信息，深入了解火星表面的物质构成，开展对拉曼光谱信噪比计算方法的研究迫在眉睫。
研究机构与研究内容
美国国家航空航天局（NASA）相关研究人员针对上述问题，开展了一项关于拉曼光谱信噪比计算方法的研究。他们旨在定量比较常见的拉曼光谱信噪比计算方法，探索不同方法之间的差异以及对检测限的影响，进而找到基于 SHERLOC 仪器特性优化检测限的计算方法。
研究方法
研究人员主要采用了对比分析的方法。他们选取了三种在拉曼光谱中常用的信噪比计算方法：单像素法、多像素面积法和多像素拟合法。利用 SHERLOC 存储臂数据，对这些方法进行量化比较，通过分析不同方法在检测光谱信号时的误报率和信号检测灵敏度，来评估各方法的优劣。
研究结果
- 信噪比计算方法比较：研究人员对 800 cm-1 Si-O 伸缩振动带的信噪比进行计算。结果显示，对于多像素信噪比计算方法（多像素面积法和多像素拟合法），在平均 48 个光谱时，信噪比出现下降，这与测量到的光谱噪声增加相对应，噪声幅度的变化可能源于 SHERLOC CCD 探测器温度的变化。同时，多像素方法在检测光谱带时比单像素方法更具优势。对于相同的拉曼特征，多像素方法计算出的信噪比约为单像素方法的 1.2 - 2 倍以上。
- 案例分析：以 SHERLOC 在第 0349 个火星日观测到的 Montpezat 目标中潜在有机碳特征为例，单像素方法计算出的信噪比 SNR = 2.93，低于检测限；而多像素方法计算出的信噪比 SNR 约为 4.00 - 4.50，远高于检测限。这一结果表明，多像素方法在检测该潜在有机碳特征时更可靠。
研究结论与讨论
本研究首次揭示了光谱信噪比计算方法之间存在显著差异。不同的信噪比计算方法并不等效，不能在不同文献中直接进行比较。多像素信噪比方法由于利用了整个拉曼带宽的信号，相比单像素方法能更好地评估光谱特征，显著降低了检测限。此外，研究还确认了 SHERLOC 之前观测到的一个信号为火星表面有机碳的首次拉曼检测信号，为火星表面有机物的研究提供了重要依据。该研究成果发表在《Analytica Chimica Acta》上，为拉曼光谱技术在火星探测以及其他相关领域的应用提供了关键的方法学支持，有助于提高光谱数据分析的准确性和可靠性，推动了火星科学研究的发展。
