Planetary exploration requires extracting physically meaningful information from incomplete measurements acquired under environmental, instrumental, and operational constraints. This dissertation integrates Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), mineral physics, and computational analysis to expand the information recoverable from measurements of Mars-relevant materials. Raman spectroscopy provides the central connection among these studies because its vibrational frequencies, intensities, and spectral shapes encode not only mineral identity, but also bonding, hydration, crystallinity, temperature, structural disorder, and crystallographic orientation. Three studies progressively examine mineral phase identification, mineral physical state, and how it is crystallographically organized. A convolutional neural network trained using high-volume, wide within-class Raman datasets and demonstrated robust mineral classification under dusty, low-signal, and otherwise nonideal conditions relevant to Mars. These results establish that physically representative training populations and expert-guided dataset construction are critical to reliable machine-learning interpretation. Chapter 2 included variable-temperature Raman spectroscopy and XRD characterization of progressive dehydration of magnesium perchlorate and magnesium sulfate from -70 to 400°C. Mg(ClO₄)₂ undergoes discrete crystalline hydration transitions, whereas MgSO₄ progressively develops poorly crystalline and X-ray-amorphous products while retaining Raman sensitivity to local sulfate environments. Wilson GF force constants quantitatively connect vibrational frequencies to hydration-dependent changes in tetrahedral bond stiffness and coupling. A previously unreported Fermi resonance in crystalline Mg(ClO₄)₂ provides an additional hydration diagnostic and potential Raman thermometer. These results demonstrate that full-spectrum interpretation and quantitative vibrational analysis can constrain hydration, bonding, crystallinity, metastability, and environmental history beyond mineral identification alone. Chapter 3 investigates co-registered Raman and synchrotron XRD rasters of Martian shergottite NWA 13276 using combined semi-supervised, human-in-the-loop mineral identification with E-WIMV texture reconstruction. Olivine exhibits strong non-random lattice preferred orientation, while its ~810–870 cm⁻¹ Raman doublet varies systematically with crystallographic orientation, establishing Raman intensity as an orientation-sensitive observable with potential applications to Perseverance rover SuperCam measurements on Mars. This dissertation advances planetary spectroscopy from mineral classification toward physically constrained inference, demonstrating how independent crystallographic measurements, systematic experiments, mineral physics, and expert-guided computation can transform spectral variability from an analytical complication into information about mineral state, structure, and geological history. La exploración planetaria requiere extraer información físicamente significativa de mediciones incompletas adquiridas bajo restricciones ambientales, instrumentales y operativas. Esta tesis integra espectroscopia Raman, difracción de rayos X (XRD), física de minerales, y análisis computacional para ampliar la información recuperable de mediciones de materiales relevantes para Marte. La espectroscopia Raman proporciona la conexión central entre estos estudios porque sus frecuencias vibratorias, intensidades, y formas espectrales codifican no solo la identidad mineral, sino también los enlaces, la hidratación, la cristalinidad, la temperatura, el desorden estructural, y la orientación cristalográfica. Tres estudios examinan progresivamente la identificación de fases minerales, el estado físico de los minerales, y cómo se organiza cristalográficamente. Una red neuronal convolucional entrenada utilizando conjuntos de datos Raman de gran volumen, con amplia variabilidad intraclase y demostró una clasificación robusta de minerales bajo condiciones polvorientas, de baja señal, y otras condiciones no ideales relevantes para Marte. Estos resultados establecen que las poblaciones de entrenamiento físicamente representativas y la construcción de conjuntos de datos guiada por expertos son fundamentales para una interpretación fiable mediante aprendizaje automático. El Capítulo 2 incluyó espectroscopia Raman a temperatura variable y caracterización mediante XRD de la deshidratación progresiva del perclorato de magnesio y el sulfato de magnesio desde -70 hasta 400°C. Mg(ClO₄)₂ experimenta transiciones discretas de hidratación cristalina, mientras que MgSO₄ desarrolla progresivamente productos poco cristalinos y amorfos a los rayos X mientras conserva la sensibilidad Raman a los entornos locales del sulfato. Las constantes de fuerza Wilson GF conectan cuantitativamente las frecuencias vibratorias con cambios dependientes de la hidratación en la rigidez y el acoplamiento de los enlaces tetraédricos. Una resonancia de Fermi no reportada previamente en Mg(ClO₄)₂ cristalino proporciona un diagnóstico adicional de hidratación y un posible termómetro Raman. Estos resultados demuestran que la interpretación del espectro completo y el análisis vibracional cuantitativo pueden restringir la hidratación, los enlaces, la cristalinidad, la metaestabilidad, y la historia ambiental más allá de la mera identificación mineral. El Capítulo 3 investiga barridos Raman y XRD de sincrotrón corregistrados de la shergottita marciana NWA 13276 utilizando una identificación mineral combinada semisupervisada, con intervención humana y reconstrucción de textura E-WIMV. El olivino presenta una fuerte orientación preferente de red no aleatoria, mientras que su doblete Raman de ~810–870 cm⁻¹ varía sistemáticamente con la orientación cristalográfica, estableciendo la intensidad Raman como una magnitud observable sensible a la orientación con posibles aplicaciones a las mediciones de SuperCam del rover Perseverance en Marte.Esta tesis hace avanzar la espectroscopia planetaria desde la clasificación mineral hacia la inferencia físicamente restringida, demostrando cómo las mediciones cristalográficas independientes, los experimentos sistemáticos, la física de minerales, y la computación guiada por expertos pueden transformar la variabilidad espectral de una complicación analítica en información sobre el estado mineral, la estructura, y la historia geológica.