CG型重力儀性能對比分析

鄧友茂 王振亮 孫誠業(yè)

1 中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北省廊坊市金光道84號，065000 2 國家現(xiàn)代地質勘查工程技術研究中心，河北省廊坊市金光道84號，065000

CG-6型和CG-5型陸地相對重力儀核心部件均采用無靜電整體熔凝石英彈簧傳感器。CG-6型重力儀繼承了CG-5型重力儀固體潮改正、傾斜改正、零漂改正、溫度改正和自動濾波等優(yōu)點；延續(xù)并改進了無靜電整體熔凝石英彈簧傳感器的制作工藝，使其絕對零漂率(在未進行軟件零漂改正的情況下)從1 000 μGal/d提高到200 μGal/d，有效提高了儀器的使用壽命；數(shù)據(jù)采樣頻率從6 Hz提高到10 Hz，大大增加了數(shù)據(jù)信息量；重量由8 kg減少到5.2 kg，高度由30 cm降低到21.5 cm，有效提高了儀器的便攜性和抗風能力；讀數(shù)分辨率由1 μGal提高到0.1 μGal；同時優(yōu)化了CG-5型重力儀的操作界面，按鍵從27個減少至5個(最新引進的CG-6型重力儀新增加了F1鍵、F2鍵、返回鍵和主頁鍵，共9個鍵)，操作更簡潔[1-4]。

要獲得高精度的重力數(shù)據(jù)，儀器的選擇是關鍵。本文對CG型重力儀進行靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性的對比分析，以便更好地了解CG-5型和CG-6型重力儀各方面的性能，為高精度相對重力儀器的選擇提供科學依據(jù)。

1 靜態(tài)穩(wěn)定性

1.1 靜態(tài)試驗

重力儀靜態(tài)試驗是指儀器在靜止狀態(tài)下，觀測數(shù)據(jù)隨時間的變化情況。對CG型重力儀進行靜態(tài)試驗不僅能了解儀器靜態(tài)零點漂移是否呈線性變化(在靜止狀態(tài)下零點位移大小和線性程度)[5]，而且還能了解儀器在數(shù)據(jù)采集過程中的抗干擾能力。

將6臺CG型重力儀(3臺CG-5和3臺CG-6)同時置于穩(wěn)固場所，通電調(diào)平穩(wěn)定后，設置為固體潮改正、傾斜改正和自動濾波模式，數(shù)據(jù)采樣時間為60 s，延遲5 s，連續(xù)觀測時間大于24 h。

1.2 靜態(tài)零漂曲線擬合

對CG型重力儀靜態(tài)穩(wěn)定性進行對比分析可知：1)CG型重力儀靜態(tài)零漂曲線都具有良好的線性；2)CG型重力儀靜態(tài)曲線擬合中誤差一般小于3 μGal，最大擬合差小于5 μGal；3)CG型重力儀靜態(tài)曲線擬合中誤差大小與靜態(tài)曲線零漂率大小沒有必然聯(lián)系，如CG-5-1194重力儀靜態(tài)零漂率為12.11 μGal/h，擬合中誤差為1.4 μGal，而CG-6-0053重力儀靜態(tài)零漂率為1.542 μGal/h，擬合中誤差為2.1 μGal。

圖1 CG型重力儀靜態(tài)零漂曲線及擬合殘差Fig.1 Static zero drift curve and fitting residual of CG gravimeters

表1 CG型重力儀靜態(tài)零漂曲線穩(wěn)定性特征

2 動態(tài)穩(wěn)定性

2.1 動態(tài)試驗

重力儀動態(tài)試驗是觀測儀器在一定時間范圍內(nèi)(一般10 h)相鄰2點(或多點)間的動態(tài)觀測精度，用來了解重力儀動態(tài)混合零點漂移的速率(位移大小和線性程度)[5]。

對上述6臺已完成靜態(tài)試驗的CG型重力儀進行動態(tài)試驗，試驗地點選擇在北京靈山國家重力格值場上的10個格值點，格值點最大段差約為130 mGal。采用雙程往返觀測法，相鄰兩點間觀測時間間隔一般不大于20 min，儀器設置為固體潮改正、傾斜改正和自動濾波模式。試驗時間為3 d共3個測回，每天試驗時間不小于10 h,試驗環(huán)境、觀測時間和儀器設置均保持一致。動態(tài)試驗結束后，計算CG型重力儀3 d的動態(tài)精度(表2)。

表2 CG型重力儀動態(tài)精度

從表2可以看出：1)CG重力儀的動態(tài)精度普遍較高；2)CG-6型重力儀的動態(tài)精度一般優(yōu)于CG-5型重力儀；3)3 d試驗時間范圍內(nèi)，同等條件下CG型重力儀的動態(tài)精度會有一定波動。

2.2 動態(tài)零漂

相對重力儀在進行重力值計算時，首先是對測量數(shù)據(jù)進行零漂改正，假定基點的動態(tài)零漂率在整個測量過程中是不變的。但分析CG型重力儀3 d的動態(tài)試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，重力儀每天的動態(tài)零漂率并不是恒定的，動態(tài)零漂率變化越小，儀器的動態(tài)精度就越高，儀器就越穩(wěn)定。利用CG型重力儀動態(tài)試驗過程中往返同一格值點時的觀測數(shù)據(jù)和間隔時間，計算儀器在該格值點往返時間間隔內(nèi)的動態(tài)零漂率(表3和表4，單位μGal/h),并繪制動態(tài)零漂率曲線(圖2)。

表3 CG-5型重力儀動態(tài)零漂率

表4 CG-6型重力儀動態(tài)零漂率

除去重力儀在10號點上的動態(tài)零漂數(shù)據(jù)(由于10號點上的觀測時間間隔只有20 min，從而放大了儀器的動態(tài)零漂率)，從CG型重力儀動態(tài)零漂率表(表3和表4)和動態(tài)零漂率曲線及誤差圖(圖2)中可以看出：1)CG-5型重力儀的動態(tài)零漂率明顯大于CG-6型重力儀；2)CG-5型重力儀在格值點上的動態(tài)零漂率有正有負，且變化較大；3)CG-6型重力儀在各格值點上的動態(tài)零漂率基本都是恒定的。

從上面的統(tǒng)計分析可以看出，CG型重力儀的動態(tài)零漂率并不是恒定的，所以在計算儀器動態(tài)精度時，一次動態(tài)試驗的結果并不能完全代表該儀器的動態(tài)性能，采用3次動態(tài)精度平均能較好地評價儀器的動態(tài)穩(wěn)定性。

圖2 CG型重力儀動態(tài)零漂率及誤差Fig.2 CG gravimeters dynamic zero drift rate and error

3 結 語

CG-6型重力儀是在CG-5型重力儀基礎上研發(fā)升級的全測程陸地相對重力儀，其繼承了CG-5型重力儀的許多優(yōu)點，同時降低了儀器的體積和重量，簡化了操作界面。CG-6型重力儀作為CG-5型重力儀的替代升級產(chǎn)品，已逐漸應用于我國高精度重力測量工作。對6臺CG型重力儀靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性的對比分析表明，CG-6型重力儀擁有CG-5型重力儀的靜態(tài)穩(wěn)定性特征，但也存在個性差異，特別在儀器濾波和抗干擾性能方面；CG-6型重力儀的動態(tài)精度和動態(tài)零漂率明顯優(yōu)于CG-5型重力儀。