李秀敏, 付永濤, 周章國

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KSS32-M型海洋重力儀動(dòng)態(tài)性能分析

李秀敏1, 2, 付永濤1, 周章國1

(1. 中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

采用測網(wǎng)交點(diǎn)差、重復(fù)測線和與KSS31-M型海洋重力儀重合測線對比的方法, 利用近年來KSS32-M海洋重力儀的實(shí)測數(shù)據(jù)對KSS32-M海洋重力儀測量穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行分析。利用機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)向法驗(yàn)證重力儀阻尼延遲時(shí)間為70 s, 基于70 s阻尼延遲時(shí)間計(jì)算的重力測網(wǎng)的測量準(zhǔn)確度為0.65 mGal, 與KSS31-M型海洋重力儀采集的重力剖面對比結(jié)果看, 重合測線相關(guān)性為高度相關(guān), 4條重合測線網(wǎng)的交點(diǎn)差絕對值最大為1.66 mGal, 準(zhǔn)確度為0.59 mGal, 均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的近海重力測網(wǎng)交點(diǎn)差均方根小于2 mGal的技術(shù)指標(biāo)。重復(fù)測線的幅值接近, 相位吻合, 匹配測點(diǎn)異常差的平均值小于0.9, 均方根均小于0.8, 相關(guān)性均在0.98以上。本研究表明KSS32-M型海洋重力儀動(dòng)態(tài)測量性能穩(wěn)定、測量數(shù)據(jù)可靠。

海洋重力測量; KSS32-M型海洋重力儀; 阻尼延遲時(shí)間; KSS31-M型海洋重力儀 ; 厄特渥斯

海洋重力測量是以海洋重力儀安裝在船上, 在海面測量重力加速度的一種動(dòng)態(tài)重力測量方法[1-3], 但是由于海上不可避免的海浪起伏, 航速與航向變化, 船內(nèi)部的發(fā)動(dòng)機(jī)等的機(jī)器震動(dòng), 海風(fēng)、洋流等干擾因素使船體一直處于橫搖、縱搖的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 要想獲得高精度和高穩(wěn)定性的重力測量數(shù)據(jù)依賴于工作性能穩(wěn)定可靠、測量精度高的海洋重力測量設(shè)備的支持[4-6]。KSS32-M型海洋重力儀是德國Bodenseewerk公司在KSS31-M型海洋重力儀基礎(chǔ)上升級研制的一種高性能海洋重力測量儀器[7], 而KSS31-M型海洋重力儀的測量性能已被廣泛認(rèn)可[8-12], 常作為其他重力儀測量性能分析的比較對象[13-15]。該型號海洋重力儀可以實(shí)時(shí)改正厄特渥斯效應(yīng)的影響, 設(shè)計(jì)測量精度達(dá)到0.5 mGal, 具有低零點(diǎn)漂移和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示的特點(diǎn), 并設(shè)計(jì)有直立彈簧避免交叉耦合效應(yīng)的影響[16]。本文通過對KSS32-M型海洋重力儀的測網(wǎng)精度計(jì)算、重復(fù)測線的吻合程度對照以及與KSS31-M型海洋重力儀重合測線的對比, 分析其動(dòng)態(tài)測量的性能。

1 阻尼延遲時(shí)間

實(shí)際作業(yè)中, KSS32-M重力儀某一時(shí)刻記錄的數(shù)據(jù)并非此刻的重力讀數(shù), 而是延遲時(shí)間以前所在位置的讀數(shù), 即重力讀數(shù)與GPS數(shù)據(jù)之間存在阻尼延遲時(shí)間[17]。重力數(shù)據(jù)在整理過程中需要作阻尼延遲時(shí)間校正, 阻尼延遲時(shí)間是影響重力測網(wǎng)準(zhǔn)確度的重要因素, 重力儀生產(chǎn)廠方會(huì)提供阻尼延遲時(shí)間, 但是這個(gè)時(shí)間是否符合重力儀實(shí)際工作狀態(tài)有待考證。付永濤等[10]提出可以利用船只機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎來觀測KSS31-M海洋重力儀的阻尼延遲時(shí)間, 實(shí)際上就是利用重力觀測值與厄特渥斯改正值之間對應(yīng)的鏡像關(guān)系來獲取真實(shí)的阻尼延遲時(shí)間。

選擇GSS32-M海洋重力儀2014年海試的測線段gb-2進(jìn)行測線剖面分析, 在走航gb-2測線上, 有3次機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)向, 分別對應(yīng)gb-2重力、航向和厄特渥斯剖面圖(圖1)中的A、B和C三點(diǎn)。在重力、航向和厄特渥斯剖面圖(圖1)上可以看到測量船沿275°方向航行至坐標(biāo)軸時(shí)間14 504 s左右開始改變航向(A1點(diǎn)), 厄特渥斯變化響應(yīng)時(shí)間(A2點(diǎn))也是14 504 s, 重力在厄特渥斯的影響下發(fā)生明顯的變化是在A3點(diǎn), 對應(yīng)時(shí)間是14 578 s。A3與A2的時(shí)間差為74 s, 重力發(fā)生突然變化的時(shí)刻與厄特渥斯響應(yīng)時(shí)刻之間的時(shí)間差, 即為重力儀的阻尼延遲時(shí)間。利用這種方法對近3年來KSS32-M海洋重力儀在西太平洋地區(qū)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 共尋找到38個(gè)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)向點(diǎn)的重力延遲時(shí)間(如圖2), 計(jì)算平均值為70.26 s。這個(gè)數(shù)值與宋文堯[18]利用重力儀倒臺(tái)的方法得到的KSS30重力儀阻尼延遲時(shí)間70 s相吻合。

圖1 測線gb-2的重力、航向和厄特渥斯剖面圖

圖2 重力數(shù)據(jù)延遲時(shí)間散點(diǎn)圖

2 測線對比分析

2014年5月, 在青島近海朝連島海域布設(shè)測網(wǎng)對KSS32-M重力儀進(jìn)行測試, 海況二級, 測網(wǎng)為東西向和南北向, 3條×3條, 每條測線長度25 km, 設(shè)計(jì)測線間距6 km (圖3)。其中G1和G2測線是KSS31-M在2003年采集過數(shù)據(jù)的測線段, Z2測線與G2測線重合, L2測線與G1測線重合。

2.1 KSS32-M重力儀與KSS31-M重力儀重合測線

KSS31-M型重力儀測量精確度、可靠性和穩(wěn)定性都很高, 已被業(yè)界認(rèn)可, 在國內(nèi)外海洋調(diào)查機(jī)構(gòu)和研究所廣泛使用, 所以采用KSS31-M重力儀實(shí)測數(shù)據(jù)與KSS32-M重力儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對, 以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

圖3 KSS32-M重力儀的海試測網(wǎng)

Z2測線和L2測線在測試過程中受到的環(huán)境影響較小, 航跡與設(shè)定一致, 尤其是L2測線的航跡與G1的航跡基本重合, 其重力剖面與重合的G1測線重力剖面基本一致。兩套重力儀所采集的數(shù)據(jù)的重合測線的幅值和相位均吻合, 這四條測線的交點(diǎn)差絕對值最大為1.66 mGal, 交點(diǎn)差均方根為0.59 mGal。

實(shí)際上, 由于Z2測線與G2測線的航跡有部分偏差, 因此其交點(diǎn)差也比較大(圖4), 在航跡偏差大的區(qū)間, 重力的偏差也相對較大(圖5), 最大為1.66 mGal。Z2測線與G2測線的相關(guān)系數(shù)為0.9975, 表明兩條測線是高度正相關(guān)的。

圖4 Z2和G2、L2和G1測線航跡圖

圖5 Z2和G2、L2和G1測線的重力剖面圖

L2測線和G1測線的航跡基本吻合(圖4), 其重力剖面也基本吻合(圖5)。計(jì)算得到L2測線和G1測線的相關(guān)系數(shù)為0.9852, 表明兩條測線的相關(guān)性為高度相關(guān), 說明兩套儀器在相同測點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)基本相等, 體現(xiàn)了KSS32-M重力儀和KSS31-M重力儀之間的一致性。而KSS31-M海洋重力儀的準(zhǔn)確度和可靠性已經(jīng)被廣泛證實(shí), 因此可以佐證KSS32-M型海洋重力儀測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

2.2 KSS32-M重力儀重復(fù)測線

對于海洋重力測量而言, 重復(fù)測量可以很好地反映測量設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性, 在設(shè)計(jì)測試測網(wǎng)時(shí), 測量船往返途中, 布設(shè)了兩條重復(fù)測線gb-1和gb-2(圖6)。但在測量船走航途中多次與漁船相遇, 并因避讓漁船而轉(zhuǎn)向, 導(dǎo)致這兩條重力剖面匹配測點(diǎn)的均方根和平均值偏大, 兩條測線匹配測點(diǎn)的平均值為2.82 mGal, 均方根為2.78 mGal。其自由空氣異常如圖6所示, 可以觀察到兩條測線的重力異常先增高, 經(jīng)歷一個(gè)較快速的下降然后又是一個(gè)波峰到波谷的過程。兩條測線異常顯示, 在躲避漁船轉(zhuǎn)向的位置存在一定的幅值偏差, 在測線重合的位置所測得的重力異常在幅值和相位上是基本重合的, 總體來看兩條測線的相位相同, 幅值偏差值接近。

從近年的測量數(shù)據(jù)中, 選取6段重復(fù)測線段進(jìn)行定量分析KSS32-M型海洋重力儀的動(dòng)態(tài)測量穩(wěn)定性。重復(fù)測線段的空間重力異常如圖7所示, 可見前后兩次重復(fù)測量曲線擬合度非常高, 兩條重復(fù)測線段的空間重力異常幾乎重合, 相關(guān)系數(shù)都在0.996以上, 表明重合測線是高度相關(guān)的。將重復(fù)測線段測點(diǎn)數(shù)據(jù)按照距離最近的原則進(jìn)行匹配后, 統(tǒng)計(jì)兩條測線數(shù)據(jù)的離散程度, 計(jì)算差值的平均值和均方根, 結(jié)果如表1所示。從表中可知, 重復(fù)測線段的平均值最小僅為0.017 mGal, 最大的重復(fù)測線段為0.872 mGal,均方差的最小值僅為0.013 mGal, 最大值為0.793 mGal。在張向宇等[14]對GT-2M、KSS31-M和ZLS三種海洋重力儀的對比試驗(yàn)中, 對重復(fù)測線段所做的偏差統(tǒng)計(jì)平均值和均方根均介于0.2~0.8, 這里KSS32-M型海洋重力儀所采用的計(jì)算數(shù)據(jù)雖然與之不在同一工區(qū), 但是偏差統(tǒng)計(jì)的結(jié)果具有一定的借鑒意義, 證明了該型號重力儀測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠。

圖6 gb-1與gb-2重復(fù)測線的航跡與空間重力異常

圖7 6段重復(fù)測線空間重力異常

表1 重復(fù)測線重力差值統(tǒng)計(jì)

Tab.1 Deviation statistics for repeat survey lines

3 測網(wǎng)準(zhǔn)確度

在重力測量工作中, 一般將測線布設(shè)為網(wǎng)狀, 主副測線的交點(diǎn)處形成重復(fù)觀測, 交點(diǎn)差是評價(jià)重力測量準(zhǔn)確度的重要依據(jù)。布設(shè)的6條測線組成網(wǎng)格測網(wǎng), 根據(jù)觀測重力數(shù)據(jù)作出的空間重力異常剖面光滑無掉格毛刺等跳變。6條測線共有9個(gè)交點(diǎn), 計(jì)算交點(diǎn)差的最大絕對值為1.05 mGal, 交點(diǎn)差均方根為0.65 mGal, 達(dá)到近海重力測網(wǎng)交點(diǎn)差均方根小于2 mGal的技術(shù)指標(biāo)[19]。雖然測線交點(diǎn)差較少, 但仍可以作為KSS32-M型海洋重力儀測量穩(wěn)定性和可靠性的一個(gè)參考。

4 結(jié)論

經(jīng)過對KSS32-M型海洋重力儀阻尼延遲時(shí)間的計(jì)算, 采集的測網(wǎng)、重復(fù)測線以及與KSS31-M型海洋重力儀的重合測線的對比分析, 得出以下結(jié)論:

(1) 利用近年來實(shí)際測量資料, 統(tǒng)計(jì)38個(gè)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù), 通過機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)向法計(jì)算驗(yàn)證KSS32-M型海洋重力儀的阻尼延遲時(shí)間為70 s。

(2) KSS32-M型海洋重力儀與KSS31-M型海洋重力儀采集的重力剖面對比結(jié)果表明, 重合測線高度相關(guān), 4條測線的交點(diǎn)差絕對值最大為1.66 mGal, 交點(diǎn)差均方根為0.59 mGal, 均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的近海重力測網(wǎng)交點(diǎn)差均方根小于2 mGal的技術(shù)指標(biāo)。

(3) KSS32-M型海洋重力儀實(shí)測數(shù)據(jù)的重復(fù)測線方差均小于0.8, 平均值均小于0.9, 相關(guān)系數(shù)在0.98以上, 測試測網(wǎng)的準(zhǔn)確度為0.65 mGal。

綜上, KSS32-M型海洋重力儀相同測線段重復(fù)測量數(shù)據(jù)一致, 與KSS31-M重力儀重復(fù)測線段測量數(shù)據(jù)一致, 其測量數(shù)據(jù)可靠。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Dynamic performance testing of the KSS32-M marine gravimeter

LI Xiu-min1, 2, FU Yong-tao1, ZHOU Zhang-guo1

(1. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China, 2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Based on the data measured using the KSS32-M ocean gravimeter in recent years, the measurement stability and data reliability of this instrument are analyzed; moreover, the methods employed to measure the intersection point difference, repeating survey line, and coincidence line using the gravimeter are compared. The delay time of the gravimeter is 70 s, calculated using the maneuver steering method. Based on this calculation, the accuracy of gravimetric measurement is found to be 0.65 mGal. According to the gravity profile collected by the gravimeter, the correlations of the coincidence lines are highly correlated. The absolute value of the intersecting point difference of four coincident surveying lines is 1.66 mGal, and the precision is 0.59 mGal. All data meet the national standard of the intersection which the gravity measurement network of the national standard of the intersection point difference that less than 2 mGal. The average value of the anomalies of the matching points is less than 0.9, the variance is less than 0.8, and the correlation is higher than 0.98. In summary, this study shows that the data measured by the KSS32-M gravimeter are stable and reliable.

marine gravimetry; KSS32-M marine gravimeter; damping delay time; KSS31-M marine gravimeter; Oetworth

Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No.XDA1103010102]

Nov. 17, 2016

P738.2

A

1000-3096(2017)08-0064-06

10.11759/hykx20161117002

2016-11-17;

2017-01-15

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)海洋重磁場特征(XDA1103010102)

李秀敏(1991-), 男, 山東臨沂人, 碩士研究生, 主要從事海洋重磁數(shù)據(jù)處理與解釋研究, 電話: 13373882639, E-mail: 446729432@ qq.com; 付永濤,通信作者, 男, 副研究員, E-mail: ytfu@qdio.ac.cn