水下重力測(cè)量技術(shù)進(jìn)展

潘國(guó)偉，曹聚亮,吳美平，鐵俊波

(國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

重力信號(hào)中的低頻分量主要受地球深部質(zhì)量影響，反映地殼深處地質(zhì)特征；高頻分量主要受地球淺部質(zhì)量影響，反映地殼表層地質(zhì)特征[7]。船測(cè)重力數(shù)據(jù)無(wú)法探測(cè)到海底重力信號(hào)中的高頻信息且其測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度較弱，只能用于研究有關(guān)地殼深處地質(zhì)特征的理論，無(wú)法滿足洋底地殼表層研究需求[8]。在軍事領(lǐng)域，潛艇的水下長(zhǎng)航時(shí)潛航需要高精度的水下導(dǎo)航系統(tǒng)，其核心是高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，隨著慣性器件精度的提高，由慣性器件誤差引起的定位誤差所占比重逐漸減小，重力異常將成為制約高性能慣導(dǎo)精度的主要因素。為進(jìn)一步提高慣導(dǎo)精度，需要進(jìn)行重力異常補(bǔ)償，重力異常補(bǔ)償有兩種途徑：一是潛艇搭載重力儀進(jìn)行實(shí)時(shí)重力測(cè)量，二是利用先驗(yàn)重力海圖進(jìn)行補(bǔ)償，以上兩種方法都需要發(fā)展水下重力測(cè)量技術(shù)。地球重力場(chǎng)還可以用于水下重力匹配導(dǎo)航，如采用船測(cè)重力海圖作匹配參考，需將船測(cè)重力數(shù)據(jù)向下延拓至潛航器工作深度，這一過(guò)程是發(fā)散的，會(huì)引入很大誤差，甚至可能導(dǎo)致匹配失敗，水下重力測(cè)量則可直接構(gòu)建水下近海底重力場(chǎng)模型，重力輔助導(dǎo)航可直接使用測(cè)量深度附近的重力場(chǎng)數(shù)據(jù)作為參考或采用向上延拓算法延拓至工作深度，免除了向下延拓計(jì)算存在的發(fā)散問(wèn)題，提高了重力匹配導(dǎo)航的精度[3,9-10]。

1 技術(shù)概述

水下重力測(cè)量是較早開(kāi)展的海洋重力測(cè)量，1923年，文獻(xiàn)[11—12]指出Vening Meinesz首次在潛艇上使用海洋擺儀進(jìn)行水下靜態(tài)重力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并取得了比較滿意的效果，但潛艇重力測(cè)量存在耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、下潛深度有限、推廣困難等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，科學(xué)家們采取了很多措施對(duì)陸地重力儀進(jìn)行水下適應(yīng)性改進(jìn)：起初，陸地重力儀被安裝在舷側(cè)三腳架或小型載人潛水鐘中，采用人工調(diào)平和讀數(shù)，入水深度很小；隨后，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出遠(yuǎn)程操作和讀數(shù)系統(tǒng)，將重力儀裝入水下承壓艙中，使重力儀的測(cè)量深度達(dá)到幾百米量級(jí)[13-15]。目前，水下靜態(tài)重力測(cè)量精度可與地面重力測(cè)量精度相媲美，測(cè)量深度可達(dá)到千米量級(jí)，但這種逐點(diǎn)測(cè)量方式單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、單次下潛測(cè)量點(diǎn)數(shù)有限，不能進(jìn)行大面積重力測(cè)量。20世紀(jì)60年代，陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的出現(xiàn)和高阻尼傳感器的發(fā)展有效消除了水面艦船船體所受干擾加速度的影響，船載走航式重力測(cè)量逐漸取代水下靜態(tài)重力測(cè)量，發(fā)展至今已成為海洋重力測(cè)量的中流砥柱，是海洋重力場(chǎng)數(shù)據(jù)的重要來(lái)源。到20世紀(jì)90年代，船測(cè)數(shù)據(jù)已不能滿足人類探索海洋日益增長(zhǎng)的需求，潛入水中、貼近海底、獲得更豐富的重力信息再一次成為研究熱點(diǎn)，但不再是簡(jiǎn)單的回歸，為解決水下靜態(tài)重力測(cè)量成本高、效率低、覆蓋面積小等問(wèn)題，人們開(kāi)始開(kāi)展水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量研究[5,16-17]，并發(fā)展出兩種主流測(cè)量方案：分別采用ROV和AUV作為水下測(cè)量平臺(tái)，兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，表1進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比[18-19]。

表1 ROV和AUV在水下重力測(cè)量中的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2 國(guó)外水下重力測(cè)量技術(shù)進(jìn)展

目前，國(guó)外利用水下靜態(tài)重力儀監(jiān)測(cè)海底重力異常隨時(shí)間的變化，據(jù)此分析和預(yù)測(cè)海底地殼變動(dòng)的時(shí)間變化規(guī)律。Glenn S Sasagawa團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了用于監(jiān)測(cè)海底氣田海水侵入情況的水下靜態(tài)重力儀ROVDOG，他們將安裝在常平架上的CG-3M陸地重力儀裝入水下承壓艙中，搭載在ROV上，通過(guò)船載操控系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)ROVDOG在海底的同一地點(diǎn)測(cè)得的隨時(shí)間變化的重力數(shù)據(jù)來(lái)推斷海水侵入氣田的情況。1998年7月，他們進(jìn)行了第一次海試，在32個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了75次測(cè)量，重力異常重復(fù)測(cè)量精度達(dá)到0.026 mGal；隨后他們?cè)谠瓉?lái)的基礎(chǔ)上又增加了兩個(gè)重力傳感器，能同時(shí)采集3組數(shù)據(jù)，然后輸出平均值作為測(cè)量結(jié)果；2000年8月的海試中，在68個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了159次測(cè)量，重力異常重復(fù)測(cè)量精度達(dá)到0.019 mGal。此外，他們還設(shè)計(jì)了一個(gè)深度上限達(dá)4500 m的承壓艙，2000年11月搭載在Alvin載人潛航器上在2700 m的深度進(jìn)行了水下測(cè)量實(shí)驗(yàn)[20]。

國(guó)外水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量現(xiàn)在仍處在實(shí)驗(yàn)階段，還未達(dá)到商業(yè)化實(shí)用水平。1995年加州大學(xué)的Mark A Zumberge等在圣迭戈海溝開(kāi)展了基于二級(jí)拖體的水下近海底重力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，核心部件為L(zhǎng)&RS型海空重力儀，平均入水深度935 m，測(cè)量位置接近海底，航速1～2節(jié)，其水下拖體結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩個(gè)球形壓力箱分別保護(hù)電氣系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)，玻璃浮球和復(fù)合泡沫材料為拖體提供浮力，上升把手便于母船吊裝，穩(wěn)定尾有利于拖體保持平衡，拖曳索連接處可以自由旋轉(zhuǎn)，能夠有效減小外部晃動(dòng)作用在拖體上的干擾加速度。圖2展示了其二級(jí)拖體結(jié)構(gòu)，一級(jí)拖體安裝有深度計(jì)、下探聲吶等設(shè)備，便于母船根據(jù)反饋信息收放拖纜，防止重力儀與海底發(fā)生碰撞，此外，它還起到配重作用，可以有效隔離母船的干擾加速度，使重力儀大致處于懸浮狀態(tài)，提供平穩(wěn)的重力測(cè)量環(huán)境。

加州大學(xué)的實(shí)驗(yàn)探索了新的重力測(cè)量模式，但其對(duì)重力儀的測(cè)速定姿定位并不精確，在重力解算中進(jìn)行了一系列的近似：一是通過(guò)母船位置和拖曳裝置的直角三角形幾何關(guān)系估算重力儀的位置并通過(guò)聲吶進(jìn)行修正；二是忽略水平加速度引起的重力測(cè)量誤差；三是重力儀的速度由母船的速度和絞車收放線纜的速度計(jì)算所得；四是近似認(rèn)為重力儀的航向與母船航向相同。文獻(xiàn)[5—6,21]將測(cè)量結(jié)果用于建立簡(jiǎn)單的洋底地理特征模型，但由于沒(méi)有精確的位置信息，這些測(cè)量結(jié)果不能進(jìn)行重力場(chǎng)建?；蚱渌枰_重力數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)合。

1995年James R Cochran等將一臺(tái)BGM-3航空重力儀安裝在DSV Alvin載人潛航器上，在東太平洋一處海底山附近進(jìn)行了近海底水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，單條測(cè)線長(zhǎng)達(dá)8 km，重復(fù)測(cè)線間的側(cè)向偏差控制在20～30 m之內(nèi)，航速為1～2節(jié)，距離海底3～7 m。通過(guò)設(shè)置重力異常固定參考點(diǎn)，測(cè)得同一位置不同航次的內(nèi)符合精度優(yōu)于0.3 mGal，測(cè)線上重力異常的分辨率為130～160 m。他們采用3個(gè)水聲應(yīng)答器進(jìn)行水下導(dǎo)航，導(dǎo)航過(guò)程中出現(xiàn)的短暫丟幀采用插值法補(bǔ)齊位置數(shù)據(jù)。與加州大學(xué)的工作相比，他們實(shí)現(xiàn)了視距范圍內(nèi)測(cè)量，可以同步觀測(cè)海底地形地貌信息，將重力數(shù)據(jù)與其他地球物理信息進(jìn)行聯(lián)合研究[8]。在2000年的改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)中，他們?yōu)闈摵狡魈砑恿薉VL輔助導(dǎo)航，將測(cè)線上重力異常的分辨率提高到100 m[22]。

日本東京大學(xué)的Hiromi Fujimoto等在AUV水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量領(lǐng)域做了大量的工作。2000年，他們將一臺(tái)改造的CG-3M重力儀安裝在一艘名為R-ONE Robot的AUV上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：重力儀被安裝在光學(xué)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)上，溫控系統(tǒng)將溫度保持在60℃，并為其配備了減震系統(tǒng)，更重要的是，AUV配備了INS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)，并用水聲定位作為補(bǔ)充，用于進(jìn)行精確的導(dǎo)航定位和厄特沃斯修正。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行了水箱實(shí)驗(yàn)，又在港口進(jìn)行了船載系泊實(shí)驗(yàn)，精度可達(dá)1 mGal。由于陀螺性能和系統(tǒng)機(jī)械原因，水下航行試驗(yàn)并未成功。2009年，他們重啟項(xiàng)目，在原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善，換用了Micro-G Lacoste公司新式的重力儀L&RS-174，這是從Lacoste海空重力儀改造而來(lái)的版本：量程縮小為原來(lái)的1/10，即±20 Gal，去除溫控和磁屏蔽，盡可能減小重力儀體積，然后將重力儀安裝在陀螺穩(wěn)定平臺(tái)上，在穩(wěn)定平臺(tái)外加溫控和磁屏蔽，光纖陀螺穩(wěn)定平臺(tái)通過(guò)PID控制器在靜態(tài)條件下能將重力儀垂向精度穩(wěn)定在0.000 4°以內(nèi)，溫控系統(tǒng)將溫度精確地控制在60.4℃，用坡莫合金包裹住重力儀和穩(wěn)定平臺(tái)的直流伺服電機(jī)，將磁場(chǎng)影響由0.2 mGal降低到0.001 mGal；承壓艙為直徑50 cm的鈦合金球體，最大能夠承受4200 m的水深壓力。AUV對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，測(cè)量船通過(guò)與AUV之間的聲學(xué)通信鏈路實(shí)現(xiàn)水下系統(tǒng)的控制與監(jiān)測(cè)，測(cè)量得到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)低通濾波后以100 Hz存儲(chǔ)濾波后結(jié)果，AUV水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量示意圖如圖3所示。

2012年，這套系統(tǒng)進(jìn)行了第一次海試，AUV定速定深進(jìn)行了兩次重復(fù)測(cè)線測(cè)量實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，與之前在此水域進(jìn)行的水面重力測(cè)量結(jié)果相比，該系統(tǒng)能夠探測(cè)出更精細(xì)的由地形起伏所產(chǎn)生的重力變化，重復(fù)線精度可達(dá)0.1 mGal。在150 s低通濾波、航速2節(jié)的條件下，測(cè)線上重力異常分辨率可達(dá)75 m。2014年，第二代系統(tǒng)進(jìn)行了一次海試，下潛一次，在長(zhǎng)約8 h的時(shí)間里進(jìn)行了15條測(cè)線的調(diào)查，高效地獲得了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)[23-29]。

3 國(guó)內(nèi)水下重力測(cè)量技術(shù)進(jìn)展

早期我國(guó)的海洋重力調(diào)查主要設(shè)備為自行研制的三腳架、潛水重力鐘等，后來(lái)又研制成功遙控重力儀、SG型海底重力儀等設(shè)備，主要勘探區(qū)域?yàn)榻\灘[11]。1958—1961年，由中原和廣東物探大隊(duì)等單位將陸地重力儀改裝為海底重力儀，在南海沿海進(jìn)行了小范圍重力測(cè)量。1965年石油部組成海洋地質(zhì)調(diào)查一大隊(duì)，使用西安石油地質(zhì)儀器廠以金屬?gòu)椈芍亓x改裝的海底重力儀，在渤海海域進(jìn)行了1∶20萬(wàn)的海底重力測(cè)量，并據(jù)重力資料進(jìn)行了含油構(gòu)造的解釋與研究[30]。1981年，為了探討渤海基底結(jié)構(gòu)特征，中科院海洋研究所調(diào)查船“海燕號(hào)”用КДГ-Ⅱ型海底石英重力儀和國(guó)產(chǎn)ZH641型金屬?gòu)椈芍亓x在渤海進(jìn)行了聯(lián)合觀測(cè)[31]。1995年，地質(zhì)礦產(chǎn)部物化探研究所采用引進(jìn)和自主開(kāi)發(fā)相結(jié)合的方法，開(kāi)發(fā)研制出我國(guó)首批用于淺海高精度重力測(cè)量的設(shè)備，用于環(huán)渤海各油田淺海高精度重力測(cè)量中，取得了豐富的信息，對(duì)這些地區(qū)的油氣進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供了重要依據(jù)[32]。此外，國(guó)內(nèi)還有很多其他從事水下重力測(cè)量研究的單位，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所的盧景奇工程師曾撰文介紹其多年從事海底重力測(cè)量工作時(shí)從大量海上作業(yè)摸索總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，并在淺海重力測(cè)量中得到了有效的應(yīng)用[33]。到目前為止，我國(guó)所開(kāi)展的都是水下靜態(tài)重力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，且基本都在淺海海域，尚未進(jìn)行水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量實(shí)驗(yàn)。但已開(kāi)始相關(guān)的理論研究，分別對(duì)AUV方案和ROV方案展開(kāi)了論證分析，為下一步的樣機(jī)研制積累了一定的基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語(yǔ)

水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量與靜態(tài)重力測(cè)量相比難度更大，需要解決一系列技術(shù)問(wèn)題：①高精度重力傳感器是重力儀的核心部件，發(fā)展低漂移、高精度的重力傳感器才能進(jìn)一步提高水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量精度；②水下無(wú)法接收GPS信號(hào)，需要設(shè)計(jì)新的多傳感器數(shù)據(jù)融合方案完成重力儀的水下定位和載體的運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量；③多傳感器數(shù)據(jù)融合需要數(shù)據(jù)同步的時(shí)間基準(zhǔn)，船載和航空重力測(cè)量是依靠GPS秒脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊的，水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量需要另行尋找可靠的時(shí)間基準(zhǔn)對(duì)來(lái)自多源傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合；④深海環(huán)境復(fù)雜，重力儀入水要進(jìn)行一系列水下適應(yīng)性改進(jìn)，需要設(shè)計(jì)專門的水下承壓艙，密封保護(hù)重力儀內(nèi)部精密電子器件，防止海水侵蝕和水壓破壞，還要解決設(shè)備的供電問(wèn)題和水面水下通信問(wèn)題；⑤為提高比力測(cè)量精度，慣導(dǎo)力學(xué)編排方程中的重力項(xiàng)應(yīng)進(jìn)行重力異常補(bǔ)償，最好的方法是利用解算出的重力異常進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，因此，應(yīng)該提高重力解算速度，發(fā)展實(shí)時(shí)重力測(cè)量和重力異常補(bǔ)償技術(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量技術(shù)理論研究已取得可喜進(jìn)展，后續(xù)工作的重點(diǎn)是：①加快水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量?jī)x原理樣機(jī)研制，并通過(guò)海試實(shí)驗(yàn)探索重力儀與ROV、AUV等水下運(yùn)動(dòng)載體結(jié)合的多種水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量模式，為后續(xù)提高水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量?jī)x精度提供實(shí)驗(yàn)參考；②實(shí)現(xiàn)水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量?jī)x的定型和批量生產(chǎn)，盡快盡多地開(kāi)展大面積水下重力測(cè)量，獲得重力場(chǎng)數(shù)據(jù)，建立地球水下重力場(chǎng)模型。