微重力測量觀測精度提高方法探討

陳 明

(廣東省地球物理探礦大隊,廣州 510800)

0 前言

目前重力測量應(yīng)用于礦產(chǎn)地質(zhì)普查、勘查項目減少,而作為新一輪城市地下空間探查需要,微重力測量有其獨特優(yōu)勢,但對其測量精度要求較高,要求達(dá)微伽級。CG-5高精度重力儀作為微伽級重力儀,研究其測量環(huán)境及成果應(yīng)用解釋,符合城市地下空間探查的需求。

微重力測量的總精度與重力野外測量方法一系列測量步驟有關(guān),其較常規(guī)重力測量,從儀器的選擇、調(diào)節(jié)、觀測、記錄、異常改正、異常分析及提取均要做細(xì)致處理。而重力觀測是微重力測量整個過程中極其關(guān)鍵一步,有效分析不同的重力觀測環(huán)境,有針對性的提出相應(yīng)的重力觀測方法,直接關(guān)系到微重力測量的生命力。

1 CG-5高精度重力儀性能概況

CG-5高精度重力儀標(biāo)稱為微伽級重力儀,其儀器性能較好,標(biāo)準(zhǔn)的1×10-8m/s2分辨率、誤差<5×10-8m /s2；數(shù)據(jù)重復(fù)性試驗良好,廠家稱有記錄證明：CG-5的測量讀數(shù)與基站值之間的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.005×10-5m/s2。這些廠家指標(biāo)在生產(chǎn)試驗中也得到證明,如：年靜態(tài)試驗結(jié)果[1]中,殘余振幅基本都在15×10-8m /s2之內(nèi),平均漂移率為( 0.7 ～ 1.7)×10-5m·s-2/d,線性度良好。動態(tài)試驗結(jié)果[2]中,動態(tài)精度小于7.93×10-8m/s2。筆者收集2013年至2019年CG-5型1#、2#、3#三臺重力儀動、靜態(tài)試驗結(jié)果表明,儀器靜態(tài)零點位移呈線性分布,靜態(tài)零點位移與線性回歸直線的最大偏差為0.019×10-5m/s2、最大偏差小于0.010×10-5m/s2試驗臺次占比為85%,詳見表1；儀器動態(tài)零點位移呈線性分布,動態(tài)零點位移與線性回歸直線的最大偏差為0.013×10-5m/s2、最大偏差小于0.010×10-5m/s2試驗臺次占比為87%,詳見表2。

表1 CG-5型重力儀靜態(tài)試驗結(jié)果統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of static test results of CG-5 gravimeter

表2 CG-5型重力儀動態(tài)試驗結(jié)果統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of dynamic test results of CG-5 gravimeter

通過前人成果及筆者收集三臺重力儀的多次動、靜態(tài)試驗結(jié)果[3-4]分析可見,CG-5型重力儀動、靜態(tài)曲線線性較好,動態(tài)試驗均方誤差均小于0.010×10-5m/s2。特別是表2動態(tài)試驗均方誤差均小于等于0.005×10-5m/s2占70%,這些結(jié)果說明CG-5重力儀在重力觀測上經(jīng)過一系列的控制足可滿足0.005×10-5m/s2的觀測精度,滿足微重力測量的最終精度要求。

2 操作員的影響

CG-5重力儀使用過程中,操作員或附近走動人員會對重力儀讀數(shù)有一定影響[5-6],為了測試該影響,選擇了一地基穩(wěn)定的場所進(jìn)行測試,記錄距離1～5m,每個距離記錄讀數(shù)10個。工作方式是：待重力儀進(jìn)入測量穩(wěn)定狀態(tài)后,用遙控的方式打開重力儀,記錄不同距離人員走動時重力儀讀數(shù),結(jié)果表明：人員在1m處走動對重力儀的讀數(shù)影響較大,各讀數(shù)與10個讀數(shù)的均值差最大值為0.006×10-5m/s2,小于0.003×10-5m/s2的也只有4個,至于大于2m距離后,人員走動對重力儀觀測的影響不大。詳見圖1。

圖1 1-5 m行人干擾源對重力儀讀數(shù)影響Fig.1 Influence of 1-5 m pedestrian interference source on gravimeter reading

從該試驗結(jié)果分析可知,重力儀在進(jìn)行高精度操作時,操作員或不相關(guān)人員應(yīng)在重力儀采集數(shù)據(jù)時離開1m以上,如果場地為軟土等易引起震動的場地,還應(yīng)視不同性質(zhì)的場地作出更大的調(diào)整,具體應(yīng)按不同精度要求結(jié)合該結(jié)果作相應(yīng)的測試后規(guī)定。經(jīng)過該方法的控制,足可控制操作員或其它人為情況對重力觀測的影響。

3 振動環(huán)境的影響

CG-5重力儀測量時的振動干擾由不同讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差反映,研究CG-5重力儀測量時讀數(shù)可靠性問題,可通過研究不同讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差時讀數(shù)回歸值來分析。

為了說明CG-5重力儀一般工作條件下的讀數(shù)可靠性問題,對某地區(qū)重力水準(zhǔn)加密點測量項目數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該項目沿國道或街道施工,其設(shè)計規(guī)定,采集數(shù)據(jù)時,對于讀數(shù)時標(biāo)準(zhǔn)差小于0.2×10-5m/s2的讀數(shù)設(shè)置讀數(shù)時間為60 s,大于該標(biāo)準(zhǔn)差的讀數(shù)時間為30 s,連續(xù)3個讀數(shù)相互差值小于0.005×10-5m/s2的視作滿足讀數(shù)要求。為了研究讀數(shù)受振動環(huán)境干擾影響問題,對該項目數(shù)據(jù)作以下處理：連續(xù)3個讀數(shù)相互差值小于0.005×10-5m/s2的直接進(jìn)行統(tǒng)計,不滿足連續(xù)3個讀數(shù)相互差值小于0.005×10-5m/s2的,每一測點上踢除跳點,選擇相互差值小于0.005×10-5m/s2的3個讀數(shù)計算均值,再計算該均值與該測點其它值的差值,該差值小于0.005×10-5m/s2的視同是滿足讀數(shù)精度,否則視為不滿足讀數(shù)精度,然后統(tǒng)計不同讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差環(huán)境下偏離視同滿足讀數(shù)精度的偏離率。共對467個測點共1918個數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,其規(guī)律顯示讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差小于0.2×10-5m/s2時,讀數(shù)時偏離0.005×10-5m/s2的數(shù)據(jù)占比小于15.7%,分析認(rèn)為該種現(xiàn)象主要由偶然因素引起,工作中注意就可。標(biāo)準(zhǔn)差約大于0.2×10-5m/s2時,偏離0.005×10-5m/s2的數(shù)據(jù)占比大于30%,該環(huán)境下讀數(shù)明顯存在背景干擾因素,讀數(shù)應(yīng)引入數(shù)組處理方可能讀取有效數(shù)據(jù)。相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果見表3、圖2。

圖2 某地區(qū)重力水準(zhǔn)加密點測量項目不同標(biāo)準(zhǔn)差背景讀數(shù)精度規(guī)律統(tǒng)計圖Fig.2 Statistical chart of background reading accuracy with different standard deviations of gravity leveling encryption point measurement items in a certain area

同樣,為了研究CG-5重力儀讀數(shù)問題,選擇某汽車站及某城市大街附近找場地進(jìn)行25～60 s不同采樣時長讀數(shù)測試試驗。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：

某汽車站旁儀器的讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差在0.080～0.110×10-5m/s2間,對比其讀數(shù)經(jīng)做直線擬合后的剩余值的離差,發(fā)現(xiàn)30 s、35 s兩個讀數(shù)間隔的曲線離差在0.005×10-5m/s2以內(nèi),而25 s讀數(shù)間隔的曲線總體線性與30 s、35 s兩個讀數(shù)間隔的曲線相近,并多見局部跳動。某大街旁儀器的讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差在0.060～0.085×10-5m/s2間,其讀數(shù)經(jīng)做直線擬合后的剩余值的離差均在0.005×10-5m/s2以內(nèi)。詳見表4、5及圖3～7。

實驗證明：在輕微震動的地方,只要讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差不大,則重力儀的讀數(shù)精度是可靠的。重力儀在低背景干擾的情況下,讀數(shù)穩(wěn)定,干擾背景越高,讀取到真值就越困難,并不以重復(fù)時間長短成正比。

表3 某地區(qū)重力水準(zhǔn)加密點測量項目不同標(biāo)準(zhǔn)差背景讀數(shù)精度規(guī)律統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of background reading accuracy with different standard deviations of gravity level encryption point measurement items in a certain area

表4 某汽車站25～60 s讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差與離差統(tǒng)計表Table 4 Statistics table of standard deviation and deviation of readings from 25 to 60 seconds at a bus station

表5 某大道25～60 s讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差與離差統(tǒng)計表Table 5 Statistics table of standard deviation and deviationof readings from 25 to 60 seconds for a certain avenue

圖3 某汽車站旁讀數(shù)間隔25～35 s讀數(shù)偏差曲線圖Fig.3 Curve of reading deviation at a reading interval of 25～35 seconds at a bus station

圖4 某汽車站讀數(shù)間隔40～60 s讀數(shù)偏差曲線圖Fig.4 Curve of reading deviation at a reading interval of 40～60 seconds at a bus station

圖5 某大道讀數(shù)間隔25～35 s讀數(shù)偏差曲線圖Fig.5 Curve of reading deviation at a reading interval of 25～35 seconds for a certain avenue

圖6 某大道讀數(shù)間隔40～50 s讀數(shù)偏差曲線圖Fig.6 Curve of reading deviation at a reading interval of 40～50 seconds for a certain avenue

圖7 某大道讀數(shù)間隔50～60 s讀數(shù)偏差曲線圖Fig.7 Curve of reading deviation at a reading interval of 50～60 seconds for a certain avenue

為了更好的說明振動干擾環(huán)境下的讀數(shù)取值問題,在某高速公路的出口處進(jìn)行了2 h的讀數(shù)間隔30 s及60 s連續(xù)靜態(tài)觀測,結(jié)果詳見圖8。該數(shù)據(jù)表明,經(jīng)CG-5重力儀取值后,讀數(shù)間隔30 s和60 s的兩條曲線,其曲線響應(yīng)的干擾不存在簡單的時點對應(yīng)關(guān)系。對該數(shù)據(jù)進(jìn)行零點位移改正后,再對其偏離進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果發(fā)現(xiàn),60 s間隔進(jìn)行讀數(shù)時,其偏離0.005×10-5m/s2的數(shù)據(jù)量比例比30 s間隔進(jìn)行取數(shù)的比例大（見表6～7）。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差按0.05×10-5m/s2間隔分類,大于0.3×10-5m/s2的直接歸一類,并分類統(tǒng)計生成表8～9,其結(jié)果發(fā)現(xiàn),運用30秒間隔進(jìn)行取數(shù)時,其不同標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)段的平均數(shù)與線性回歸值接近的出現(xiàn)率更高,取數(shù)時標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)準(zhǔn)離差也相對較小。

由此說明,在高干擾背景下,較短的取數(shù)間隔多次取數(shù),更有利于重力值的取值。

圖8 某高速出口干擾環(huán)境不同觀測時長重力讀數(shù)曲線圖Fig.8 Gravity reading curve of a highway exit with different observation duration

表6 某高速路口60 s讀數(shù)不同標(biāo)準(zhǔn)差段統(tǒng)計表Table 6 Statistical table of different standard deviation of 60 seconds readings at a highway exit

表7 某高速路口30 s讀數(shù)不同標(biāo)準(zhǔn)差段統(tǒng)計表Table 7 Statistical table with different standard deviation of 30 seconds readings at a highway exit

工作中,由于重力儀在一個測點的讀數(shù)用時相對較短,其零點位移可以不與考慮[7],基于該設(shè)想,用某高速出口零改后的數(shù)據(jù),用時距作橫坐標(biāo),就可以研究不同標(biāo)準(zhǔn)差背景下,重力儀讀取數(shù)值的最終取值問題。該研究曲線可以發(fā)現(xiàn),該本已零點位移改正的重力靜態(tài)曲線,其不同標(biāo)準(zhǔn)差段的趨勢線是不一的,但經(jīng)統(tǒng)計表8～9發(fā)現(xiàn),其Y值是全部回到原零點位移后的趨勢值附近,其偏差均小于5×（10-8m/s2）。并且30秒間隔讀數(shù)的Y值偏差均好于60秒間隔讀數(shù)。

通過以上研究說明,重力儀讀數(shù)是基于背景彈性干擾下求取,當(dāng)干擾背景的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.150×10-5m/s2時,讀數(shù)時窗長度與最終的讀數(shù)真值無多大關(guān)系,但在有不定期振動干擾的情況下,較短的讀數(shù)時窗長度更有利于讀數(shù)的求取,并且該值有附合趨勢回歸的特征,在振動干擾背景下,不應(yīng)簡單利用相鄰讀數(shù)不超過5×10-8m/s2求取,應(yīng)增加讀數(shù)量,利用回歸分析求取。

當(dāng)然,該結(jié)果是在有限的數(shù)據(jù)下分析的結(jié)果,至于在干擾背景下,應(yīng)讀取多少讀數(shù)方可求取,與不同干擾背景有否關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

表8 某高速路口30 s讀數(shù)不同標(biāo)準(zhǔn)差段對距曲線統(tǒng)計表Table 8 Statistical table of distance curves with different standard deviations of 30-second readings at a highway exit

表9 某高速路口60 s讀數(shù)不同標(biāo)準(zhǔn)差段對距曲線統(tǒng)計表Table 9 Statistical table of distance curves with different standard deviations of 60-second readings at a highway exit

4 結(jié)論

CG-5重力儀觀測精度經(jīng)過有效控制完全可滿足城市地下空間探測微重力測量的需要。振動干擾環(huán)境下重力測量精度控制方法有以下幾點：

(1)結(jié)合場地穩(wěn)定性控制重力儀與周邊流動人員的距離,可確保該項影響小于5×10-8m/s2。

(2)在重力儀讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差相對較小時,可沿用連續(xù)2至3個讀數(shù)相互差值小于5×10-8m/s2時則視同該測點讀數(shù)合格。

(3)在重力儀讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差相對較大時,連續(xù)2至3個讀數(shù)相互差值大于5×10-8m/s2并多次測量均不滿足時,應(yīng)引入盡量用小的讀數(shù)間隔多次重復(fù)測量,并應(yīng)用數(shù)據(jù)回歸分析方法提取測點的讀數(shù)。