陳清滿 王碩仁 袁東方

(中國極地研究中心,上海 200136)

提要 Sea Ⅲ型海洋重力儀是Micro-g LaCoste 公司在L&R SII 型重力儀原理基礎(chǔ)上開發(fā)的新型擺桿-斜拉零長彈簧海洋重力儀。本文以Sea Ⅲ型海洋重力儀在“雪龍2”號上應(yīng)用為例,梳理了Sea Ⅲ型海洋重力儀工作原理、重力計算公式、結(jié)構(gòu)特點和優(yōu)勢。對其靜態(tài)試驗及海上動態(tài)性能測試進行研究,通過設(shè)計重復(fù)線、交叉點來評估儀器的動態(tài)精度情況。試驗表明Sea Ⅲ靜態(tài)線性月漂移約為0.85×10-5 m·s2,重力儀觀測值能夠清晰反映當(dāng)?shù)毓腆w潮變化特征,動態(tài)內(nèi)符合精度為0.23×10-5 m·s2,均遠優(yōu)于海洋調(diào)查規(guī)范相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合“雪龍2”號船型、設(shè)備布置等分析總結(jié)儀器數(shù)據(jù)處理流程及儀器性能指標(biāo),為后續(xù)相關(guān)用戶提供參考。

0 引言

海洋重力儀是以艦船為載體,使用重力傳感器測定海面重力加速度的地球物理勘測儀器。重力加速度的準(zhǔn)確測量,對國防、計量、測繪、地質(zhì)、地震與資源勘探等領(lǐng)域均有十分重要的意義[1]。隨著機械制造工藝日益完善,廣大海洋研究人員對海洋重力儀測量精度的要求越來越高。目前在全球海洋科考船上安裝應(yīng)用較為廣泛的海洋重力儀型號有: 美國Micro-g LaCoste 公司生產(chǎn)的MGS6、Sea Ⅱ,德國Bodenseewerk 公司生產(chǎn)的KSS,俄羅斯Gravimetric Technologies 公司生產(chǎn)的GT-2M 等。與此同時,國內(nèi)一些科研機構(gòu)在海洋重力儀研制方面也取得了重大進展,如: 中國科學(xué)院測量與地球物理研究所研制的CH-Ⅱ型彈簧重力儀、中國船舶重工集團公司第707 研究所研制的ZLⅡ型海洋重力儀、中國航天科技集團第十三研究所研制的SAG-2M 捷聯(lián)式重力儀等均日趨成熟,并逐步推向市場。

國內(nèi)外許多學(xué)者針對不同類型海洋重力儀數(shù)據(jù)處理流程及技術(shù)性能等進行了詳細的分析研究,如: 2018年Yuan[2]等利用“向陽紅06”號科考船搭載俄羅斯GT、美國Sea Ⅱ、中國SAG、ZL Ⅱ、CH-Ⅱ、SAG 多套不同型號的海洋重力儀,進行了多條重復(fù)線測量,并對測量數(shù)據(jù)精度進行對比; Kovrizhnykh[3]等在Caspian 海域同船搭載LaCoste & Romberg ZLS、Chekan AM 和GT-2M,對上述三套設(shè)備測量精度及處理方法進行了比對; 張向宇[4]等對GT-2M 型海洋重力儀記錄的原始數(shù)據(jù)進行了分析,總結(jié)了GT-2M 型海洋重力儀數(shù)據(jù)處理流程; 張濤[5]等利用相關(guān)分析法對LaCoste Sea Ⅱ海洋重力儀數(shù)據(jù)重新進行了交叉耦合分析與改正計算; 張向宇[6]等對ZLⅡ型海洋重力儀記錄的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理分析,提出了該型重力儀新的數(shù)據(jù)處理方法。

2020年中國新建的極地科考破冰船——“雪龍2”號引進了Micro-g LaCoste 公司最新生產(chǎn)的Sea III 型海洋重力儀,該套設(shè)備也是Sea III 型在中國的首套應(yīng)用。“雪龍2”號是無限航區(qū)航行破冰科考船,而Sea III 型海洋重力儀測量量程大于等于20000×10-5m·s2,滿足其全球測量的使用需求。作為該型重力儀的國內(nèi)首套應(yīng)用用戶,為了測試該型儀器的工作狀態(tài)、檢查其靜態(tài)工作性能(靜態(tài)月漂移)及動態(tài)精度,分別于2019年12月和2020年6月組織對其進行了實驗室內(nèi)靜態(tài)測試及海上動態(tài)精度測試,為后續(xù)其他用戶提供相關(guān)參考依據(jù)。

1 Sea Ⅲ型海洋重力儀簡介

1.1 Sea Ⅲ型海洋重力儀結(jié)構(gòu)組成及工作原理

Micro-g LaCoste Sea Ⅲ型海洋重力儀(外形見圖1) 由工作終端、常平架、重力儀主機、減震阻尼、UPS 電源及控制系統(tǒng)等組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理,便于設(shè)備操作與維護。Sea Ⅲ型海洋重力儀采用第三代高可靠性固態(tài)光纖陀螺、固態(tài)加速度計,及高度集成的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng),以提升儀器的可靠性與穩(wěn)定性。

圖1 “雪龍2”號Sea Ⅲ型海洋重力儀安裝圖Fig.1.Installation of Xuelong 2 Sea Ⅲ ocean gr avimeter

Sea Ⅲ型海洋重力儀設(shè)計上沿用了Sea Ⅱ型擺桿-斜拉零長彈簧原理。傳感器主體為一個由零長彈簧支撐的鉸鏈擺(圖2),擺前部設(shè)有上下兩個空氣阻尼器,空氣阻尼器對擺的垂直運動產(chǎn)生較強的阻尼作用; 擺后部為由擺和兩塊固定于傳感器內(nèi)的金屬板構(gòu)成的一組電容器。當(dāng)重力變化或有垂直干擾加速度作用在擺上時,擺的擺動引起電容器中電容量的變化,電容量的變化率直接反映出擺的擺動速率。電容變化信號通過電容位置指示器轉(zhuǎn)換為直流電壓信號輸出,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)軟件處理即可計算出重力值。

圖2 Sea Ⅲ型海洋重力原理圖Fig.2.Schematic diagram of Sea Ⅲ

1.2 Sea Ⅲ型海洋重力儀性能特點

相比目前國內(nèi)應(yīng)用較多的上一代Sea Ⅱ型海洋重力儀,Sea Ⅲ型海洋重力儀傳感器和常平架體積更小,系統(tǒng)集成度更高; 系統(tǒng)重量更輕,約降低30%,易于拆裝轉(zhuǎn)移,為不同科考船間的相互共享提供了良好條件; 采用的常平架滑環(huán)技術(shù)和傳感器恒溫恒壓控制,使得系統(tǒng)平臺更加穩(wěn)定可靠; 常平架可機械鎖止,不需單獨拆卸,儀器拆卸和養(yǎng)護更為便捷。表1 為Sea Ⅲ型海洋重力儀精度指標(biāo)統(tǒng)計表。

1.3 Sea Ⅲ型海洋重力儀重力值計算

Sea Ⅲ型海洋重力儀是通過測定擺在強空氣阻尼中的擺動速度來表示重力的微小變化,通過彈簧張力和擺的運動速率換算重力讀數(shù),Sea Ⅲ型海洋重力儀具有在運動狀態(tài)中實時感應(yīng)重力值的特性。Sea Ⅲ型海洋重力儀測量基本方程式為:

表1 Sea Ⅲ型海洋重力儀精度指標(biāo)統(tǒng)計表Table 1.Table of Sea Ⅲ marine gravimeter index

式中,G為重力讀數(shù);a為彈簧張力和重力的轉(zhuǎn)換系數(shù);ST為彈簧張力;Eotvos的值由公式(2)計算;TC為總改正,其計算方式見公式(3)。

式中,v為船速(節(jié));λ為緯度(度);α為航向(度)。

式中,CC為交叉耦合改正,即儀器在垂向加速度和水平加速度共同作用下引起的附加重力擾動,由公式(4)計算;BVC為擺速改正,由公式(5)計算獲得;XG為橫向陀螺改正;LG為縱向陀螺改正。

式中,βVCC、βVE、βAL、βAX、βAX2為CC改正系數(shù),儀器出廠時廠家標(biāo)定后給出;VCC(y′′z′)為縱向加速度與垂向速度的耦合;VE(z′′)2為垂向加速度耦合的平方;AL(y′′z′′)為縱向加速度和垂向加速度的耦合;AX(x′′z′′)為橫向加速度和垂向加速度的耦合;AX2[(x′′)2z′′]為橫向加速度的平方和垂向加速度的耦合。

2 Sea Ⅲ型海洋重力儀靜態(tài)數(shù)據(jù)分析

2.1 月漂移

重力儀月漂移指標(biāo)是儀器穩(wěn)定性能的重要評判指標(biāo)。2019年12月1日至2019年12月30日,在北京某實驗室內(nèi)對Sea Ⅲ型海洋重力儀進行了為期一個月的靜態(tài)試驗。根據(jù)Sea Ⅲ型海洋重力儀一個月的實驗室內(nèi)靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)計算重力儀讀數(shù)隨時間變化的線性回歸直線方程為:y= 3.29×10-7x+512(x的單位為秒,y的單位為10-5m·s2),得出該臺重力儀的靜態(tài)掉格呈線性(圖3,橫坐標(biāo)單位為秒,縱坐標(biāo)單位為10-5m·s2),月漂移為0.85×10-5m·s2,優(yōu)于國家海洋調(diào)查規(guī)范中對海洋重力儀月漂移不超過3×10-5m·s2的要求[7]。表明“雪龍2”號配備的Sea Ⅲ型海洋重力儀靜態(tài)月漂移較小,抗干擾能力強。

圖3 Sea Ⅲ型海洋重力儀一個月靜態(tài)數(shù)據(jù)變化Fig.3.Static data changes in one month

2.2 固體潮影響

固體潮是指在日月引潮力的影響下,引起地球固體部分巖石圈的形態(tài)變化,從而引起重力周期性變化的現(xiàn)象[8]。固體潮值由于具有周期性,可以通過模型計算[9]。選取Sea Ⅲ型海洋重力儀連續(xù)三天觀測的數(shù)據(jù)(圖4,橫坐標(biāo)單位為秒,縱坐標(biāo)單位為10-5m·s2),其中鋸齒狀曲線為重力儀靜態(tài)數(shù)據(jù)觀測值,光滑曲線為固體潮模型計算值,橫坐標(biāo)為時間,縱坐標(biāo)(左)為重力儀讀數(shù),縱坐標(biāo)(右)為固體潮模型計算值。如圖4 所示,重力儀測量值呈現(xiàn)明顯周期性變化,低值與固體潮低值相對應(yīng),局部高值也相互對應(yīng),曲線形態(tài)較為一致。說明重力測量值讀數(shù)變化的周期性是受當(dāng)?shù)毓腆w潮影響所致,表明“雪龍2”號配備的Sea Ⅲ型海洋重力儀具有較高的分辨率。

圖4 Sea III 型海洋重力儀三天靜態(tài)數(shù)據(jù)變化Fig.4.Static data changes in three days of Sea III gravimeter

連續(xù)3 天的重力儀觀測讀數(shù)值顯示,觀測值疊加了振幅為0.2×10-5m·s2的擾動(圖4)。嚴格意義的實驗室內(nèi)靜態(tài)測試需要重力儀底座與基巖直接固定連接[10],但國內(nèi)僅少數(shù)專業(yè)實驗室能夠滿足上述條件。在普通實驗室內(nèi)深挖數(shù)十米到達基巖,并建立基巖與重力儀底座的直接連接是不現(xiàn)實的,所以圖中重力儀觀測值疊加了振幅高達0.2× 10-5m·s2的擾動可能與平臺受地基震動影響有關(guān)[11],但也不排除電子信號線路可能存在高頻白噪聲。

3 “雪龍2”號Sea Ⅲ型海洋重力儀動態(tài)精度測量

海洋重力儀動態(tài)精度分為交叉點精度和重復(fù)線精度。其測量一般通過布設(shè)縱橫交錯的網(wǎng)格狀測線,在主、檢測線相交點處進行重復(fù)測量,并對測量數(shù)據(jù)進行符合度解算,由此評估海洋重力儀自身重復(fù)性精度和測量作業(yè)精度,即為交叉點精度。以重復(fù)測線不符值、測線網(wǎng)交叉點不符值為標(biāo)準(zhǔn),對海洋重力測量的內(nèi)符合精度進行分析評估[12]。受海況、定位精度影響,科考船海上航行測量完全的重復(fù)線較為困難,交叉測線更容易實現(xiàn),所以一般采用以交叉點精度為主、重復(fù)線精度為輔的評價方法進行儀器動態(tài)精度衡量。

2020年6月15日至2020年6月28日,“雪龍2”號在中國南海進行了Sea Ⅲ型海洋重力儀的海上試驗,重點對Sea Ⅲ型海洋重力儀的動態(tài)精度進行衡量。試驗海區(qū)布設(shè)東西方向和南北方向各6 條測線(圖5),每條測線長10 海里,測線間隔0.8 海里,其中3、9 號測線包括方向相反的重復(fù)線。試驗海區(qū)水深介于450～560 m 之間,海底地形由西北至東南緩慢變深。

圖5 Sea Ⅲ型海洋重力儀南海測網(wǎng)Fig.5.Survey grid of Sea Ⅲ gravimeter in South China Sea

3.1 交叉點精度

交叉點內(nèi)符合方程式[12]為:

式中,a為重力觀測讀數(shù)內(nèi)符合中誤差;d為主、檢測線交差點重力不符值或重復(fù)線觀測重力值互差值;n為測線交叉點或重復(fù)點個數(shù)。統(tǒng)計計算交叉測線交叉點誤差值(未做平差),交叉點中誤差為0.230×10-5m·s2,見下表2。

表2 交叉點誤差值(單位: ×10-5 m·s2)Table 2.Cross-over error value (Unit: ×10-5 m·s2)

統(tǒng)計交差點精度分布如圖6 所示,交叉點誤差呈正態(tài)分布狀分布,誤差趨向于0,表明儀器動態(tài)性能優(yōu)良。

圖6 交叉點精度分布圖Fig.6.Histogram of cross-over precision distribution

3.2 重復(fù)線精度

由于海洋重力儀采樣過程中采樣數(shù)據(jù)在空間上是點狀離散的分布[13],任何兩條重復(fù)測線采樣點在空間上都不一定完全重合,為了評價測線重復(fù)精度,要求對測線相同位置進行重新插值采樣,計算測線相同位置處的重力差異。

重復(fù)線精度判定內(nèi)符合中誤差計算公式[13]為:

式中,θRMS為重力觀測讀數(shù)內(nèi)符合中誤差,δ為相鄰點重力不符值或重復(fù)線觀測重力值互差值,n為測線交叉點或重復(fù)點個數(shù)。

南北向重復(fù)線及誤差值曲線如圖7 所示,東西向重復(fù)線及誤差值曲線如圖8 所示。

圖7 南北向重復(fù)線對比Fig.7.Comparison of North-South repeating lines

圖8 東西向重復(fù)線對比Fig.8.Comparison of East-West repeating lines

對Sea Ⅲ型海洋重力儀南北向、東西向重復(fù)線進行插值采樣計算其差值、平均值、中誤差結(jié)果如表3 所示。

表3 Sea Ⅲ型海洋重力儀重復(fù)線分析結(jié)果(單位: ×10-5 m·s2)Table.3.Analysis results of gravimeter repeating line(Unit:×10-5 m·s2)

東西向、南北向重力儀重復(fù)線對比分析顯示,重復(fù)線最大誤差值均分布在測線邊緣兩端,最小誤差值位于測線中間位置處。表明重力儀在剛上線處還未趨于完全相對穩(wěn)定造成誤差值偏大,而當(dāng)位于測線中間位置重力儀穩(wěn)定后誤差值相對較小,后續(xù)任務(wù)中為了獲取高精度測量值,可適當(dāng)延長測線。重力儀重復(fù)線整體中誤差值為0.27× 10-5m·s2,表明Sea Ⅲ型海洋重力儀具有較高的動態(tài)精度。

3.3 Sea Ⅲ型海洋重力儀動態(tài)精度分析

3.3.1 “雪龍2”號船船舶穩(wěn)定性

“雪龍2”號船長122.5 m,寬19 m,排水量1.4 萬噸[14],尺寸和排水量與國內(nèi)其他科考船相比均有較大優(yōu)勢,在海洋中航行也更為平穩(wěn)?！把?”號專門設(shè)置了一個重力實驗室用于海洋重力觀測,該實驗室位于船舶穩(wěn)心位置,有利于走航工況下的重力觀測。同時,重力儀在該實驗室內(nèi)的安裝位置與“雪龍2”號的中軸線基本重合,重力傳感器縱軸與船的艏艉線方向一致,減小了船橫搖、縱搖對重力儀觀測的影響。且重力實驗室艙室面積較小,僅供重力觀測使用,無人員頻繁進出的擾動,便于建立和保持滿足重力儀使用的恒溫、恒壓的環(huán)境條件?！把?”號采用吊艙系統(tǒng)推進,船體內(nèi)振動噪音較小。Sea Ⅲ型海洋重力儀避開了船艙機器震動源,避免了船體振動噪聲對重力儀測量的影響。

3.3.2 Sea Ⅲ型海洋重力儀器重力參數(shù)濾波窗函數(shù)

重力儀數(shù)據(jù)采集時,為了消除波浪等垂直加速度的影響,采集軟件對彈簧張力ST、總改正TC及Eotovs改正都進行了300 s 低通濾波。濾波器是利用Exact Blankman 窗函數(shù)設(shè)計的低通濾波器,比起B(yǎng)lankman 窗函數(shù),Exact Blankman 窗主瓣寬度窄、旁瓣能級底、主瓣能量更加集中,濾波窗函數(shù)采用余弦窗裁斷信號,可以獲取較高的計算精度[15],公式為:

式中,w(n)為窗函數(shù)序列,n=0,1,2 ,…,N,N為濾波長度; a0=7938/18608; a1=9240/18608; a2=1430/ 18608;

4 小結(jié)與展望

綜上,Micro-g LaCoste Sea Ⅲ型海洋重力儀零點漂移小,具備較好的靜態(tài)線性漂移率,月漂移約為0.85×10-5m·s2,滿足海洋調(diào)查規(guī)范要求。

該型重力儀分辨率高,重力儀觀測值能夠清晰反映當(dāng)?shù)毓腆w潮變化特征。

Sea Ⅲ型海洋重力儀在“雪龍2”號測得的動態(tài)精度遠優(yōu)于國家海洋調(diào)查規(guī)范的要求,在近年來新配的海洋重力儀中精度也處于較優(yōu)水平,統(tǒng)計計算海上測網(wǎng)交叉點不符值,動態(tài)內(nèi)符合精度為0.23×10-5m·s2。海上動態(tài)精度優(yōu)良,測量可信度高,優(yōu)良的動態(tài)精度得益于“雪龍2”號船舶的穩(wěn)定性、振動噪聲低及重力儀自身采集軟件較高的計算精度濾波算法。

目前Sea Ⅲ型海洋重力儀已經(jīng)搭載“雪龍2”號上參與相關(guān)極地航次調(diào)查,該儀器運行穩(wěn)定,抗干擾能力強。后續(xù)將結(jié)合極地現(xiàn)場應(yīng)用情況,進一步分析探討該型重力儀極區(qū)使用性能。