1、1-3 , 在KSS32-M 型海洋重力儀動態性能分析李秀敏 1, 2,付永濤 1, 周章國 1(1. 中國科學院海洋地質與環境科學重點實驗室, 中國科學院海洋研究所 ,山東 青島 266071;2.中國科學院大學 , 北京 100049)摘要: 采用測網交點差、重復測線和與KSS31-M 型海洋重力儀重合測線對比的方法,利用近年來KSS32-M 海洋重力儀的實測數據對KSS32-M海洋重力儀測量穩定性和數據可靠性進行分析。利用機動轉向法驗證重力儀阻尼延遲時間為70 s, 基于 70 s 阻尼延遲時間計算的重力測網的測量準確度為0.65 mGal, 與 KSS31-M 型海洋重力儀采集的重力剖

2、面對比結果看,重合測線相關性為高度相關, 4條重合測線網的交點差絕對值最大為1.66 mGal,準確度為 0.59 mGal,均達到國家標準要求的近海重力測網交點差均方根小于2 mGal 的技術指標。重復測線的幅值接近,相位吻合 , 匹配測點異常差的平均值小于 0.9, 均方根均小于 0.8, 相關性均在 0.98 以上。本研究表明KSS32-M 型海洋重力儀動態測量性能穩定、測量數據可靠。關鍵詞 : 海洋重力測量; KSS32-M 型海洋重力儀; 阻尼延遲時間 ; KSS31-M 型海洋重力儀;厄特渥斯中圖分類號 : P738.2文獻標識碼 : A文章編號 : 1000-3096(2017)

3、08-0064-06DOI: 10.11759/hykx20161117002海洋重力測量是以海洋重力儀安裝在船上海面測量重力加速度的一種動態重力測量方法但是由于海上不可避免的海浪起伏, 航速與航向變化 , 船內部的發動機等的機器震動 , 海風、洋流等干擾因素使船體一直處于橫搖、 縱搖的運動狀態 , 要想獲得高精度和高穩定性的重力測量數據依賴于工作性能穩定可靠、測量精度高的海洋重力測量設備的支持 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

4、已被廣泛認可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時改正厄特渥斯效應的影響, 設計測量精度達到 0.5 mGal, 具有低零點漂移和實時數據顯示的特點 , 并設計有直立彈簧避免交叉耦合效應的影響 16 。本文通過對 KSS32-M 型海洋重力儀的測網精度計算、重復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 , 分析其動態測量的性能。1 阻尼延遲時間實際作業中 , KSS32-M 重力儀某一時刻記錄的數據并非此刻的重力讀數 , 而是延遲時間以前所在位置的讀數 , 即重力讀數與 GPS 數據之間存在阻尼延遲時間 17 。重

5、力數據在整理過程中需要作阻尼延遲時間校正 , 阻尼延遲時間是影響重力測網準確度的重要因素 , 重力儀生產廠方會提供阻尼延遲時間 , 但是這個時間是否符合重力儀實際工作狀態有待考證。付永濤等 10 提出可以利用船只機動轉彎來觀測 KSS31-M 海洋重力儀的阻尼延遲時間 , 實際上就是利用重力觀測值與厄特渥斯改正值之間對應的鏡像關系來獲取真實的阻尼延遲時間。選擇 GSS32-M 海洋重力儀2014 年海試的測線段 gb-2 進行測線剖面分析, 在走航 gb-2 測線上 , 有3 次機動轉向 , 分別對應 gb-2重力、航向和厄特渥斯剖面圖 (圖 1) 中的 A 、B 和 C 三點。在重力、航向和

6、厄特渥斯剖面圖 (圖 1)上可以看到測量船沿275°方向航行至坐標軸時間 14 504 s左右開始改變航向 (A1點), 厄特渥斯變化響應時間(A2 點 )也是 14 504 s,重力在厄特渥斯的影響下發生明顯的變化是在A3點, 對應時間是 14 578 s。A3 與 A2 的時間差為 74 s,重力發生突然變化的時刻與厄特渥斯響應時刻之間收稿日期 : 2016-11-17;修回日期 : 2017-01-15基金項目:中國科學院戰略性先導科技專項海洋重磁場特征(XDA1103010102)Foundation: Strategic Priority Research Program

7、of the Chinese Academyof Sciences, No.XDA1103010102作者簡介 : 李秀敏 (1991-),男 , 山東臨沂人, 碩士研究生, 主要從事海洋重磁數據處理與解釋研究, 電話 : E-mail: 446729432;付永濤 , 通信作者 , 男, 副研究員 , E-mail: ytfu64海洋科學/2017 年/第41卷/第8期的時間差 , 即為重力儀的阻尼延遲時間。利用這種方重力延遲時間 (如圖 2), 計算平均值為70.26 s。這個法對近 3年來 KSS32-M 海洋重力儀在西太平洋地區數值與宋文堯 18 利用重力儀倒

8、臺的方法得到的采集的數據進行分析, 共尋找到38 個機動轉向點的KSS30 重力儀阻尼延遲時間70 s 相吻合。圖 1測線 gb-2 的重力、航向和厄特渥斯剖面圖Fig.1 Gravity,course, and E?tv?s correction data profiles during the turns of the gb-2 profile圖 2重力數據延遲時間散點圖Fig.2Scatter plot of gravity data delay time圖 3 KSS32-M重力儀的海試測網Fig.3KSS32-M gravimeter sea test network2 測線對比分析

9、2014 年 5 月 , 在青島近海朝連島海域布設測網對 KSS32-M 重力儀進行測試 , 海況二級 , 測網為東西向和南北向 , 3 條×3條, 每條測線長度 25 km, 設計測線間距 6 km ( 圖 3) 。其中 G1 和 G2 測線是KSS31-M 在 2003 年采集過數據的測線段 , 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、可靠性和穩定性都很高 , 已被業界認可 , 在國內外海洋調查機構和研究所廣泛使用 , 所以采用 KSS31-M 重力儀實測數據與

10、KSS32-M 重力儀的數據進行比對 , 以檢驗數據的可靠性。Z2 測線和 L2 測線在測試過程中受到的環境影響較小 , 航跡與設定一致 , 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據的重合測線的幅值和相位均吻合 , 這四條測線的交點差絕對值最大為 1.66 mGal, 交點差均方根為 0.59 mGal。實際上 , 由于 Z2 測線與 G2 測線的航跡有部分偏差, 因此其交點差也比較大 (圖 4), 在航跡偏差大的區間, 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

11、相關系數為 0.9975, 表明兩條測線是高度正相關的。Marine Sciences / Vol. 41, No. 8 / 201765圖 4 Z2 和 G2、 L2 和 G1 測線航跡圖Fig.4Tracks of the Z2, G2, L2, and G1 lines圖 5Z2和 G2、L2和 G1 測線的重力剖面圖Fig.5 Gravity profiles of the Z2, G2, L2, and G1 linesL2 測線和 G1 測線的航跡基本吻合(圖 4),其重得的重力異常在幅值和相位上是基本重合的, 總體力剖面也基本吻合 (圖 5)。計算得到 L2測線和 G1測來看兩條

12、測線的相位相同, 幅值偏差值接近。線的相關系數為0.9852,表明兩條測線的相關性為從近年的測量數據中,選取6段重復測線段進高度相關 , 說明兩套儀器在相同測點采集的數據基行定量分析 KSS32-M 型海洋重力儀的動態測量穩定本相等 , 體現了 KSS32-M 重力儀和 KSS31-M 重力儀性。重復測線段的空間重力異常如圖7 所示, 可見前之間的一致性。而KSS31-M 海洋重力儀的準確度和后兩次重復測量曲線擬合度非常高, 兩條重復測線可靠性已經被廣泛證實,因此可以佐證 KSS32-M型段的空間重力異常幾乎重合, 相關系數都在 0.996海洋重力儀測量數據穩定可靠。以上 , 表明重合測線是高

13、度相關的。將重復測線段2.2 KSS32-M重力儀重復測線測點數據按照距離最近的原則進行匹配后, 統計兩對于海洋重力測量而言 ,重復測量可以很好地條測線數據的離散程度,計算差值的平均值和均方根, 結果如表 1所示。從表中可知 ,重復測線段的平反映測量設備的可靠性和穩定性, 在設計測試測網均值最小僅為0.017 mGal, 最大的重復測線段為時 , 測量船往返途中 , 布設了兩條重復測線gb-1和0.872 mGal, 均方差的最小值僅為 0.013 mGal, 最大gb-2( 圖 6)。但在測量船走航途中多次與漁船相遇,并值為 0.793 mGal。在張向宇等 14 對 GT-2M 、KSS3

14、1-M因避讓漁船而轉向,導致這兩條重力剖面匹配測點的均方根和平均值偏大,兩條測線匹配測點的平均和 ZLS 三種海洋重力儀的對比試驗中,對重復測線值為 2.82 mGal,均方根為 2.78 mGal 。其自由空氣異段所做的偏差統計平均值和均方根均介于0.20.8,常如圖6 所示,可以觀察到兩條測線的重力異常先這里 KSS32-M型海洋重力儀所采用的計算數據雖增高 ,經歷一個較快速的下降然后又是一個波峰到然與之不在同一工區 ,但是偏差統計的結果具有一波谷的過程。 兩條測線異常顯示 , 在躲避漁船轉向的定的借鑒 意義 ,證明了該 型號重 力儀 測量數 據穩位置存在一定的幅值偏差, 在測線重合的位置

15、所測定、可靠。66海洋科學/2017 年/第41卷/第8期圖 6 gb-1與 gb-2 重復測線的航跡與空間重力異常Fig.6Track and free air anomaly profiles of repeat lines of gb-1 and gb-2圖 7 6段重復測線空間重力異常Fig.7Free air anomaly profiles of 6 repeat lines表 1重復測線重力差值統計Tab.1Deviation statistics for repeat survey lines重復測線重力差值 (mGal)相關系數平均值均方差L07與 L080.019 0.01

16、3 0.999L09與 L100.017 0.020 1.000L11 與 L120.031 0.030 0.997L13與 L140.722 0.614 0.996L15與 L160.207 0.048 0.997L17與 L180.872 0.793 0.9863測網準確度在重力測量工作中, 一般將測線布設為網狀,主副測線的交點處形成重復觀測, 交點差是評價重力測量準確度的重要依據。布設的6 條測線組成網格測網 , 根據觀測重力數據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 個交點 ,計算交點差的最大絕對值為 1.05 mGal, 交點差均方根為 0.65 mGal, 達

17、到近海重力測網交點差均方根小Marine Sciences / Vol. 41, No. 8 / 201767于 2 mGal 的技術指標 19 。雖然測線交點差較少 , 但仍可以作為 KSS32-M 型海洋重力儀測量穩定性和可靠性的一個參考。4 結論經過對 KSS32-M 型海洋重力儀阻尼延遲時間的計算 , 采集的測網、重復測線以及與 KSS31-M 型海洋重力儀的重合測線的對比分析, 得出以下結論 :(1) 利用近年來實際測量資料 , 統計 38 個機動轉彎數據 , 通過機動轉向法計算驗證 KSS32-M 型海洋重力儀的阻尼延遲時間為70 s。(2) KSS32-M 型海洋重力儀與 KSS

18、31-M 型海洋重力儀采集的重力剖面對比結果表明, 重合測線高度相關 , 4 條測線的交點差絕對值最大為 1.66 mGal, 交點差均方根為 0.59 mGal, 均達到國家標準要求的近海重力測網交點差均方根小于 2 mGal 的技術指標。(3) KSS32-M 型海洋重力儀實測數據的重復測線方差均小于 0.8, 平均值均小于 0.9, 相關系數在0.98 以上 , 測試測網的準確度為0.65 mGal 。綜上 , KSS32-M 型海洋重力儀相同測線段重復測量數據一致 , 與 KSS31-M 重力儀重復測線段測量數據一致 , 其測量數據可靠。參考文獻 :1 黃謨濤 , 劉敏 , 孫嵐 ,

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33、f Sciences, Qingdao 266071, China, 2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)Received: Nov. 17, 2016Key words:marine gravimetry; KSS32-M marine gravimeter; damping delay time; KSS31-M marine gravimeter; OetworthAbstract: Based on the data measured using the KSS32-M ocean gravimeter in recent years, the measurement sta-bility and data reliability of this in