KSS32-M型海洋重力儀動態性能分析

李秀敏, 付永濤, 周章國

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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)

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。

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

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態重力測量方法[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的時間差, 即為重力儀的阻尼延遲時間。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采集的數據進行分析, 共尋找到38個機動轉向點的重力延遲時間(如圖2), 計算平均值為70.26 s。這個數值與宋文堯[18]利用重力儀倒臺的方法得到的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

圖2 重力數據延遲時間散點圖

2 測線對比分析

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KSS32-M重力儀的數據進行比對, 以檢驗數據的可靠性。

圖3 KSS32-M重力儀的海試測網

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測線的相關系數為0.9975, 表明兩條測線是高度正相關的。

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)。計算得到L2測線和G1測線的相關系數為0.9852, 表明兩條測線的相關性為高度相關, 說明兩套儀器在相同測點采集的數據基本相等, 體現了KSS32-M重力儀和KSS31-M重力儀之間的一致性。而KSS31-M海洋重力儀的準確度和可靠性已經被廣泛證實, 因此可以佐證KSS32-M型海洋重力儀測量數據穩定可靠。

2.2 KSS32-M重力儀重復測線

對于海洋重力測量而言, 重復測量可以很好地反映測量設備的可靠性和穩定性, 在設計測試測網時, 測量船往返途中, 布設了兩條重復測線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, 經歷一個較快速的下降然后又是一個波峰到波谷的過程。兩條測線異常顯示, 在躲避漁船轉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。

從近年的測量數據中, 選取6段重復測線段進行定量分析KSS32-M型海洋重力儀的動態測量穩定性。重復測線段的空間重力異常如圖7所示, 可見前后兩次重復測量曲線擬合度非常高, 兩條重復測線段的空間重力異常幾乎重合, 相關系數都在0.996以上, 表明重合測線是高度相關的。將重復測線段測點數據按照距離最近的原則進行匹配后, 統計兩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, 重復測線段的平均值最小僅為0.017 mGal, 最大的重復測線段為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中, 對重復測線段所做的偏差統計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算數據雖然與之不在同一工區, 但是偏差統計的結果具有一定的借鑒意義, 證明了該型號重力儀測量數據穩定、可靠。

圖6 gb-1與gb-2重復測線的航跡與空間重力異常

圖7 6段重復測線空間重力異常

表1 重復測線重力差值統計

Tab.1 Deviation statistics for repeat survey lines

3 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, 達到近海重力測網交點差均方根小于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KSS31-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。

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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

中國科學院戰略性先導科技專項海洋重磁場特征(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據處理與解釋研究, 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