1、海洋重力儀2010年9月海洋重力儀海洋重力儀1海洋重力儀（海洋重力儀（marine gravimeter ）概述概述一、kss5kss5型海洋重力儀型海洋重力儀 1957年左右，西德的阿斯卡尼亞公司試驗(yàn)用增加儀器阻尼的辦法改進(jìn)了該公司生產(chǎn)的陸地重力儀陸地重力儀gs11gs11型和型和gs15gs15型型，并安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上，研制成能在普通船上工作的第一代走航式海洋重力儀。 這一階段的走航式海洋重力儀尚處于試驗(yàn)階段，受船只引起的加速度影響較大，只能在近海海況較好的條件下工作。 海洋重力儀海洋重力儀一、一、kss5型海洋重力儀型海洋重力儀 1962年，該公司的格拉夫(graf)、史格(schulg

2、e)等人對(duì)重力儀的彈性系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了剛性強(qiáng)化，進(jìn)一步增大了阻尼阻尼，建立了反饋回路濾波系統(tǒng)，在儀器的讀數(shù)系統(tǒng)中加入了一個(gè)伺服控制部分，將懸掛重力儀的平衡架改為陀螺儀穩(wěn)定平臺(tái)平衡架改為陀螺儀穩(wěn)定平臺(tái)等。通過(guò)多方面的改進(jìn)，制成了第二代走航式海洋重制成了第二代走航式海洋重力儀力儀gss2gss2型型。此時(shí)，儀器抗外界干擾能力大大加強(qiáng)。海洋重力儀海洋重力儀一、一、kss5型海洋重力儀型海洋重力儀 1976年，海洋重力儀轉(zhuǎn)戶由波登斯威克地學(xué)系統(tǒng)公司生產(chǎn)。此時(shí)在傳感器部分又作了改進(jìn)，命名為gss20gss20，它與陀螺平臺(tái)設(shè)備(kt20ke20)、傳感器的控制裝置ge20、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)dl20等部件共

3、同組成新的海洋重力儀系統(tǒng)，命名為kss5型。 海洋重力儀海洋重力儀一、一、kss5型海洋重力儀型海洋重力儀 海洋重力儀海洋重力儀一、一、kss5型海洋重力儀型海洋重力儀 1976年，海洋重力儀轉(zhuǎn)戶由波登斯威克地學(xué)系統(tǒng)公司生產(chǎn)。此時(shí)在傳感器部分又作了改進(jìn)，命名為gss20gss20，它與陀螺平臺(tái)設(shè)備(kt20ke20)、傳感器的控制裝置ge20、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)dl20等部件共同組成新的海洋重力儀系統(tǒng)，命名為kss5型。 海洋重力儀海洋重力儀一、一、kss5型海洋重力儀型海洋重力儀 gss20重力傳感器的擺桿為扁平的鋁質(zhì)擺桿，長(zhǎng)0.3m，由扭轉(zhuǎn)彈簧穩(wěn)定在一個(gè)平衡位置，其橫向運(yùn)動(dòng)受鎢制的8根細(xì)絲約束。

4、擺動(dòng)時(shí)由于在磁鐵的磁場(chǎng)中上下運(yùn)動(dòng)，擺桿又為片狀，擺桿上會(huì)產(chǎn)生十分強(qiáng)的磁阻尼，另外，擺桿上會(huì)產(chǎn)生渦電流而增大電阻尼，磁阻尼和電阻尼的強(qiáng)弱可按實(shí)測(cè)時(shí)海況的不同由用戶設(shè)定。海洋重力儀海洋重力儀一、一、kss5型海洋重力儀型海洋重力儀 kt20是安休茲公司的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)代號(hào)。垂直陀螺儀的偏轉(zhuǎn)角信號(hào)由角度傳感器輸送給調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的自動(dòng)同步調(diào)整裝置，通過(guò)前置放大器輸送給兩個(gè)伺服放大器的輸入端，伺服放大器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成功率信號(hào)傳給陀螺平臺(tái)雙軸上的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過(guò)減速齒輪和傘形齒輪推動(dòng)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)，直到垂直陀螺儀旋轉(zhuǎn)軸傾斜的角度輸出信號(hào)逐漸減小至零為止。海洋重力儀海洋重力儀一、一、kss5型海洋重力儀型海洋重力

5、儀 陀螺儀設(shè)計(jì)有陀螺漂移的修正系統(tǒng)，使得陀螺軸跟蹤瞬時(shí)垂線方向，并通過(guò)在一段時(shí)間內(nèi)取平均值的方法消除周期性水平加速度對(duì)陀螺平臺(tái)的影響，使垂直陀螺軸保持在接近真垂線的方向。 海洋重力儀海洋重力儀二、二、l&r型海洋重力儀型海洋重力儀 l&r重力儀是位于美國(guó)德克薩斯州沃斯汀的拉科斯特隆貝格公司的系列產(chǎn)品，有在陸地、井下、海底、海面、空中使用的各種型號(hào)。 l&r海洋重力儀的第一次成功試驗(yàn)于1955年在潛艇上進(jìn)行，儀器懸掛在常平架上。1958年該公司對(duì)儀器作了改進(jìn)，使之能在普通水面船只上實(shí)施走航式測(cè)量。 海洋重力儀海洋重力儀二、二、l&r型海洋重力儀型海洋重力儀 拉科斯特高精度航空及海洋拉科斯特高精度

6、航空及海洋重力儀重力儀海洋重力儀海洋重力儀二、二、l&r型海洋重力儀型海洋重力儀 此時(shí)的儀器仍然懸掛在常平架上，借助于兩個(gè)2分鐘周期的長(zhǎng)周期擺來(lái)確定近似垂線的偏角。該儀器只能在垂直附加加速度小于50伽的環(huán)境下使用，測(cè)量精度可達(dá)4毫伽。 1965年該公司又全面系統(tǒng)地對(duì)儀器作了改進(jìn)，并安裝在霍尼威爾(honeywell)陀螺平臺(tái)上工作。海洋重力儀海洋重力儀二、二、l&r型海洋重力儀型海洋重力儀 l&r擺桿式海洋重力儀是根據(jù)立式地震儀原理設(shè)計(jì)的。重力儀傳感器中的擺桿為近似于水平放置的橫桿，它可以繞水平軸旋轉(zhuǎn)。橫桿的另一端斜掛著一根彈簧，彈簧的上端連接著測(cè)微螺旋。通過(guò)改變彈簧端點(diǎn)的位置(即改變彈簧的張

7、力)來(lái)平衡重力對(duì)擺桿的作用。空氣阻尼器對(duì)擺桿產(chǎn)生高阻尼，以減少垂直附加加速度對(duì)重力測(cè)量的影響。 海洋重力儀海洋重力儀二、二、l&r型海洋重力儀型海洋重力儀 l&r海洋重力儀的陀螺平臺(tái)由水平加速度計(jì)、陀螺儀、伺服放大器、轉(zhuǎn)矩馬達(dá)和陀螺進(jìn)動(dòng)裝置等部件構(gòu)成修正回路和穩(wěn)定回路。兩個(gè)水平加速度計(jì)起長(zhǎng)周期水平儀的作用，成為兩個(gè)陀螺儀的基準(zhǔn)，修正陀螺漂移。水平加速度計(jì)的輸出值還被用來(lái)進(jìn)行交叉耦合改正計(jì)算。交叉耦合改正在乎靜海況和中等海況下一般可以充分改正掉，但在惡劣海況下有時(shí)改正不徹底會(huì)含有誤差。 海洋重力儀海洋重力儀二、二、l&r型海洋重力儀型海洋重力儀 拉科斯特還了1974年在陀螺平臺(tái)上增加了第三個(gè)陀螺

8、，將它固定在儀器罩上。這個(gè)陀螺將平臺(tái)穩(wěn)定在南北方向上。由伺服放大器驅(qū)動(dòng)力矩馬達(dá)使陀螺平臺(tái)成為一個(gè)回轉(zhuǎn)羅盤，始終保持北向，成為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。海洋重力儀海洋重力儀附：新型的附：新型的i&r海底重力儀海底重力儀(h型型) 這種儀器的遙控已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，由一臺(tái)便攜式微機(jī)記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)并自動(dòng)控制重力儀系統(tǒng)。這種海底重力儀已在深于4000m的海底進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，獲得了良好的觀測(cè)數(shù)據(jù)。海洋重力儀海洋重力儀三、三、kss30型海洋重力儀型海洋重力儀 kss30型海洋重力儀是西德波登斯威克公司繼kss5型海洋重力儀之后推出的新型海洋重力儀，具有精度高、重量輕、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。儀器系統(tǒng)的

9、結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 海洋重力儀海洋重力儀三、三、kss30型海洋重力儀型海洋重力儀 kss30型海洋重力儀傳感器的主彈簧和管狀圓柱質(zhì)塊由五根細(xì)金屬絲控制，使質(zhì)塊只能在垂直方向上作無(wú)摩擦的運(yùn)動(dòng)。質(zhì)塊的重量約30g，由于做成軸對(duì)稱狀，所以不受交叉耦合效應(yīng)的影響。 此圖為參考圖此圖為參考圖海洋重力儀海洋重力儀三、三、kss30型海洋重力儀型海洋重力儀 kss30海洋重力儀使用的陀螺平臺(tái)是單懸臂式，包括垂直陀螺k30、平臺(tái)kt30和電子控制系統(tǒng)ke30。垂直陀螺的偏移由加速度計(jì)測(cè)定，并由控制電路修正，陀螺的漂移由船上的導(dǎo)航信息輸給補(bǔ)償電路對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。這種陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)法避免縱向和橫向軸的摩擦。 19

10、861987年期間，kss30的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)改用和l&r海洋重力儀相類似的形式，并將儀器命名為kss50。kss50和kss30兩種型號(hào)除陀螺平臺(tái)以外其他部件均無(wú)變化。 海洋重力儀海洋重力儀三、三、kss30型海洋重力儀型海洋重力儀 kss30海洋重力儀的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)除可對(duì)傳感器和陀螺平臺(tái)進(jìn)行各種信號(hào)處理、補(bǔ)償計(jì)算和各項(xiàng)改正以外，還可以對(duì)觀測(cè)重力資料進(jìn)行各種處理，包括厄特弗斯改正、空間重力異常計(jì)算、布格重力異常計(jì)算和轉(zhuǎn)彎補(bǔ)償。轉(zhuǎn)彎補(bǔ)償是通過(guò)接收導(dǎo)航信息(船艏方向、航向、航速)，自動(dòng)糾正航向和航速變化所引起的畸變干擾影響，保證儀器在海上作業(yè)時(shí)不受航跡的限制。 當(dāng)船轉(zhuǎn)彎在附加垂直加速度達(dá)1580伽

11、時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)彎補(bǔ)償，所得重力測(cè)量結(jié)果的精度可達(dá)25毫伽。數(shù)據(jù)處理的結(jié)果可以通過(guò)磁帶機(jī)、打印機(jī)和雙筆模擬記錄器輸出。海洋重力儀海洋重力儀三、三、kss30型海洋重力儀型海洋重力儀 1981年以來(lái)，德國(guó)的地球科學(xué)研究機(jī)構(gòu)、漢堡大學(xué)，法國(guó)的國(guó)家海洋開(kāi)發(fā)中心和加拿大的海洋研究所均使用kss30海洋重力儀進(jìn)行海洋地球物理調(diào)查。我國(guó)中科院南海海洋研究所也是使用這種型號(hào)重力儀。海洋重力儀海洋重力儀四、四、bgm3型海洋重力儀型海洋重力儀 bgm3型海洋重力儀是位于美國(guó)紐約州布法羅的貝爾航空公司生產(chǎn)的。貝爾型重力儀傳感器最初是為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研制的。 后來(lái)，該公司與美國(guó)海軍海洋局等單位簽訂了在海上進(jìn)行重力測(cè)量的合

12、同，經(jīng)過(guò)對(duì)儀器有關(guān)電子線路的改進(jìn)，并將儀器安裝在陀螺平臺(tái)上，用以進(jìn)行海洋重力測(cè)量。1967年以后，該型儀器被美國(guó)海軍及各石油勘探公司所使用。到1984年，該儀器已發(fā)展到bgm3型。 海洋重力儀海洋重力儀四、四、bgm3型海洋重力儀型海洋重力儀 海洋重力儀海洋重力儀四、四、bgm3型海洋重力儀型海洋重力儀 bgm3海洋重力儀傳感器系統(tǒng)包括加速度計(jì)和附屬電子電路。該型儀器的加速度計(jì)采用xi型加速度計(jì)，由兩塊永久磁鐵和一個(gè)包在線圈中、只能在兩塊永久磁鐵中間作垂直運(yùn)動(dòng)的檢驗(yàn)質(zhì)塊組成。傳感器設(shè)計(jì)的物理原理是：作用于檢驗(yàn)質(zhì)塊上的重力和線圈中感應(yīng)的電磁力之間存在著平衡，這種力的平衡使得檢驗(yàn)質(zhì)塊保持在一個(gè)不變

13、的零位置。線圈中的電流隨著垂直加速度的改變而成比例地變化。 海洋重力儀海洋重力儀五、五、 chz型海洋重力儀型海洋重力儀 chzchz型海洋重力儀是中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理型海洋重力儀是中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所研制的軸對(duì)稱型海洋重力儀。該儀器于研究所研制的軸對(duì)稱型海洋重力儀。該儀器于19851985年研制成功并進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。年研制成功并進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。 海洋重力儀海洋重力儀五、五、 chz型海洋重力儀型海洋重力儀 chz海洋重力儀包括三個(gè)部分：重力傳感器、電子控制部分和數(shù)據(jù)采集部分。其結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)述如下： 重力傳感器安裝在一個(gè)雙層恒溫的金屬殼體內(nèi)，采用了零長(zhǎng)彈簧懸掛系統(tǒng)和硅油阻尼。 傳

14、感器的質(zhì)塊彈簧系統(tǒng)由一個(gè)管狀的質(zhì)塊和一根垂直懸掛的主彈簧組成。六根拉絲和二根繃緊彈簧把質(zhì)塊聯(lián)接在儀器的殼體上。這些拉絲分層次并從質(zhì)塊出發(fā)按互成120的角度拉到殼體上，從而限制著質(zhì)塊只能沿著儀器的靈敏軸平動(dòng)，并伴隨著微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。海洋重力儀海洋重力儀五、五、 chz型海洋重力儀型海洋重力儀 拉絲及繃簧的粗細(xì)和張力的分布均對(duì)稱于垂直軸，也就是彈簧及管狀質(zhì)塊的軸。使用零長(zhǎng)彈簧既可以獲得較高的位移靈敏度，還可以消除在水平加速度作用下彈簧彎曲所引起的誤差。這種懸掛系統(tǒng)嚴(yán)格地軸對(duì)稱，在水平和垂直加速度的作用下不產(chǎn)生交叉耦合效應(yīng)。同時(shí)，這種系統(tǒng)不受水平加速度的影響，能在水平加速度200伽時(shí)工作。 這種系統(tǒng)工作

15、時(shí)實(shí)際上是無(wú)摩擦的，質(zhì)塊被約束在垂直方向上作無(wú)摩擦運(yùn)動(dòng)。 海洋重力儀海洋重力儀五、五、 chz型海洋重力儀型海洋重力儀 chz型海洋重力儀能在垂直附加加速度500伽及水平加速度200伽的惡劣海況下工作。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)垂直附加加速度為250伽的情況下，該儀器的非線性誤差小于1毫伽。海上試驗(yàn)與德國(guó)kss30型海洋重力儀測(cè)量結(jié)果之間不符值的均方差為1.4毫伽。海洋重力儀海洋重力儀六、六、 chekan-am海洋重力儀海洋重力儀 chekan-am重力儀在俄羅斯圣彼得堡設(shè)計(jì)生產(chǎn)。生產(chǎn)商是俄羅斯頂尖高精度重力、陀螺儀、航海儀器的研究所。此研究所提供一系列的研發(fā)服務(wù)，是俄羅斯航海部門公認(rèn)的生產(chǎn)和測(cè)試儀器設(shè)備的

16、官方實(shí)驗(yàn)室。海洋重力儀海洋重力儀六、六、 chekan-am海洋重力儀海洋重力儀 儀器組成：chekan-am由一個(gè)重力傳感器和一個(gè)內(nèi)置微觀控制器和陀螺穩(wěn)定平臺(tái)組成。重力傳感器由兩個(gè)石英彈簧系統(tǒng)組成，內(nèi)有線性ccd光電轉(zhuǎn)換器。軟件：軟件和儀器同時(shí)使用，提供完全甲板操作，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)，對(duì)重力制圖的預(yù)計(jì)能夠準(zhǔn)確到1毫伽。 chekan-am可以測(cè)知、記錄、實(shí)時(shí)傳輸重力數(shù)據(jù)和航海數(shù)據(jù)，然后繪制成高精度的重力地圖。chekan-am具有很高的可靠性，重量輕，在任何的環(huán)境中，都可以測(cè)量到高精度的重力偏移。海洋重力儀海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀 振弦型海洋重力儀與前幾種類

17、型海洋重力儀不同振弦型海洋重力儀與前幾種類型海洋重力儀不同的是：它不是在陸地重力儀或慣性導(dǎo)航設(shè)備的基礎(chǔ)的是：它不是在陸地重力儀或慣性導(dǎo)航設(shè)備的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)以適應(yīng)海洋觀測(cè)條件的，這種類型儀器上經(jīng)過(guò)改進(jìn)以適應(yīng)海洋觀測(cè)條件的，這種類型儀器一開(kāi)始設(shè)計(jì)就是來(lái)進(jìn)行海洋重力測(cè)量的。最有代表一開(kāi)始設(shè)計(jì)就是來(lái)進(jìn)行海洋重力測(cè)量的。最有代表性的振弦型海洋重力儀是日本的性的振弦型海洋重力儀是日本的tssgtssg型和美國(guó)的型和美國(guó)的mitmit型。型。海洋重力儀海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀 振弦型海洋重力儀與前幾種類型海洋重力儀不同的是：它不是在陸地重力儀或慣性導(dǎo)航設(shè)備的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)以適應(yīng)海

18、洋觀測(cè)條件的，這種類型儀器一開(kāi)始設(shè)計(jì)就是來(lái)進(jìn)行海洋重力測(cè)量的。最有代表性的振弦型海洋重力儀是日本的tssg型和美國(guó)的mit型。（一）tssg型海洋重力儀 tssg型海洋重力儀是日本東京大學(xué)地球物理所研制的，全稱為“tokyo surface ship gravity meter”。 海洋重力儀海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀 tssg型海洋重力儀是一種單弦重力儀，使用一根長(zhǎng)為25mm、直徑為0.01mm、重為15g的鈹銅細(xì)絲作為振弦。細(xì)絲在與它成直角的直流磁場(chǎng)中振動(dòng)。細(xì)絲的前端是質(zhì)量為m的質(zhì)塊。為了防止質(zhì)塊的水平運(yùn)動(dòng)，在質(zhì)塊與儀器箱之間有4根吊絲連接。海洋重力儀海洋重力儀六、

19、振弦型海洋重力儀六、振弦型海洋重力儀 海洋重力儀海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀 該重力儀的檢測(cè)部分利用了弦的固有頻率隨其張力而變化的性質(zhì)。設(shè)弦線密度為、長(zhǎng)度為l，質(zhì)塊質(zhì)量為m，弦的橫向振動(dòng)頻率在重力加速度為g時(shí)可用下式表示： 弦的頻率大約為1800hz。每隔時(shí)間0.6秒，輸送出一個(gè)信號(hào)。在兩個(gè)信號(hào)之間(即弦振蕩1024次的時(shí)間內(nèi))用石英鐘作為基準(zhǔn)來(lái)測(cè)定。 mglf21海洋重力儀海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀 如果在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)石英鐘的振蕩差一次，相應(yīng)于重力加速度差100毫伽。在間隔內(nèi)的石英鐘振蕩次數(shù)用記數(shù)器自動(dòng)記錄，每一間隔，開(kāi)始及終了時(shí)所發(fā)出的信號(hào)分

20、別開(kāi)啟及關(guān)閉記錄器。在10分鐘內(nèi)連續(xù)記錄下1000個(gè)這樣的記錄，就完成了一個(gè)點(diǎn)的觀測(cè)。 儀器通過(guò)直接安裝在垂直陀螺儀上來(lái)保持垂直。頻率轉(zhuǎn)換為加速度值后，進(jìn)行數(shù)字低通濾波。這種儀器60年代在西北太平洋作過(guò)許多次重力測(cè)量，測(cè)量精度約為2毫伽。海洋重力儀海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀 (二) mit型海洋重力儀 mit型海洋重力儀是美國(guó)麻省理工學(xué)院的wing等人于1966年研制成功的振弦型海洋重力儀，也稱文氏海洋重力儀。 這種儀器原來(lái)是為導(dǎo)彈上的加速度儀而研 制的，以后用同樣的基本零件制成一種安裝在陀螺平臺(tái)上的儀器，當(dāng)作海洋重力儀來(lái)使用。儀器的傳感器由十條相當(dāng)軟的彈簧連接兩根振動(dòng)弦組成聯(lián)合裝置。海洋重力儀海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀七、振弦型海洋重力儀 單振弦型海洋重力儀傳單振弦