CG-5重力儀零漂特性現(xiàn)況分析

楊雅慧，劉洪良，張展偉，劉書峰

（河北省地震局 保定地震監(jiān)測中心站，河北 保定 071000）

0 引言

重力觀測技術(shù)是目前獲取重力場信息及其動(dòng)態(tài)變化情況的重要手段，為了更好地服務(wù)于地震監(jiān)測，高精度的重力觀測數(shù)據(jù)必不可少。CG-5相對重力儀由加拿大Scintrex公司制造，為全自動(dòng)重力儀，傳感器類型為無靜電熔凝石英彈簧，其測量精度優(yōu)于5.0 μgal，讀數(shù)分辨率 為1 μgal[1]。沈博等[2]認(rèn)為CG-5相對重力儀在引進(jìn)初期，靜態(tài)漂移率常見值0.5 mgal/d左右，在首個(gè)野外使用工期中，漂移率通常出現(xiàn)大幅升高，靜置數(shù)月后，漂移率會逐漸降低，再次使用時(shí)又將明顯上升，但不超過首次使用的漂移率高點(diǎn)；汪健等[3]認(rèn)為CG-5相對重力儀零漂幅值隨時(shí)間變化逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，靜態(tài)零漂率和動(dòng)態(tài)零漂率總體隨空間緯度（重力值讀數(shù)段）增大而減小，但個(gè)體差異較大；胡金橋等[4]發(fā)現(xiàn)CG-5相對重力儀在海南島測量期間的日均零漂率不存在隨著測點(diǎn)緯度的增加而減小的情況；鄧友茂等[5]提出運(yùn)用擬合直線相關(guān)系數(shù)來評估儀器的靜態(tài)零漂穩(wěn)定性，以及運(yùn)用平均動(dòng)態(tài)零漂率來評估儀器的動(dòng)態(tài)零漂穩(wěn)定性；邢樂林等[6]通過對CG-5重力儀進(jìn)行相關(guān)測試，對其零漂特性及格值系數(shù)進(jìn)行了研究，提出可通過數(shù)據(jù)處理或內(nèi)部設(shè)置改正線性零漂。

目前，已有研究大多針對剛投入使用1～3年內(nèi)的重力儀進(jìn)行零漂相關(guān)分析，并未有成果充分論證使用多年后的重力儀零點(diǎn)漂移特性問題。CG-5相對重力儀使用壽命為10年，其零漂特性隨年限逐漸變化，直接影響重力數(shù)據(jù)的精度和可靠性。現(xiàn)有兩臺重力儀投入觀測時(shí)間為2010年，使用時(shí)長已達(dá)9年，年限較長。為了檢測其現(xiàn)有零漂特性，在數(shù)據(jù)處理中更好地去除零漂的影響，服務(wù)于京津冀地區(qū)的地震預(yù)報(bào)工作，有必要對其進(jìn)行研究分析。

河北局流動(dòng)測量隊(duì)自1968年開始進(jìn)行流動(dòng)重力觀測工作，目前每年復(fù)測兩期，使用兩臺CG-5相對重力儀同時(shí)觀測，重力儀編號分別為C859、C873。本研究將基于2019年河北本測區(qū)的兩期野外重力資料和室內(nèi)、外相關(guān)測試數(shù)據(jù)，進(jìn)行零點(diǎn)漂移相關(guān)計(jì)算及特性現(xiàn)況分析，為數(shù)據(jù)處理提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

首先，需測試兩臺CG-5相對重力儀數(shù)據(jù)產(chǎn)出的穩(wěn)定性。2019年4月21日，在河北保定選取一較為穩(wěn)定、干擾較少的場地，對兩臺重力儀進(jìn)行重復(fù)性觀測，共觀測5組，每組3次，觀測間隔時(shí)間為8 min。取每組觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行固體潮及線性零漂改正后得到重力值，并進(jìn)行自差及標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算，以檢測重力儀穩(wěn)定示值的能力（表1）。

表1 CG-5相對重力儀重復(fù)性觀測

由表1可以發(fā)現(xiàn)，兩臺重力儀各組觀測數(shù)據(jù)之間差值較小，重復(fù)性高，自差控制在5 μgal以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于1.5 μgal，產(chǎn)出數(shù)據(jù)具有較好的穩(wěn)定性，可靠性強(qiáng)。

2 零點(diǎn)漂移特性計(jì)算及相關(guān)分析

2.1 靜態(tài)零點(diǎn)漂移

對重力儀進(jìn)行靜態(tài)零點(diǎn)漂移分析可以研究靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)重力儀的零點(diǎn)位移變化信息。2019年5月中旬，將兩臺CG-5相對重力儀置于測量隊(duì)儀器室內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)觀測，確保周圍環(huán)境穩(wěn)定且相對震動(dòng)干擾較小，保持CG-5重力儀固定不動(dòng)，累計(jì)觀測時(shí)長不少于48小時(shí)，讀數(shù)周期為60 s。重力儀剛開始觀測時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)均不穩(wěn)定，觀測值存在誤差。取重力儀狀態(tài)穩(wěn)定后的觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行固體潮改正后繪制靜態(tài)零點(diǎn)漂移數(shù)據(jù)曲線及擬合曲線，計(jì)算零點(diǎn)漂移率及擬合殘差。以2019年5月24—25日連續(xù)靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，圖1為重力儀C859、C873的靜態(tài)零點(diǎn)漂移數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的擬合數(shù)據(jù)、擬合殘差值。

如圖1所示，連續(xù)靜態(tài)觀測時(shí)長累計(jì)達(dá)48 h，兩臺重力儀的靜態(tài)零點(diǎn)漂移均呈現(xiàn)明顯的線性，靜態(tài)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)曲線高度重合；得到重力儀C859、C873靜態(tài)零漂率分別為29.1 μgal/h、19.4 μgal/h，殘差值較小，基本控制在±10 μgal 以內(nèi)。此外，對2019年11月同樣進(jìn)行連續(xù)靜態(tài)觀測并計(jì)算零漂，得到11月兩臺重力儀的零漂率分別為38.6 μgal/h、22.5 μgal/h，較5月靜態(tài)零漂率結(jié)果稍高。

圖1 CG-5重力儀靜態(tài)零點(diǎn)漂移及殘差值

2.2 動(dòng)態(tài)及混合零點(diǎn)漂移

對CG-5相對重力儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)零點(diǎn)漂移研究可以了解其在野外實(shí)際測量過程中的零點(diǎn)漂移的情況。零點(diǎn)漂移率可由式（1）求得：

式中：k表示零點(diǎn)漂移率；g1、t1分別表示某測點(diǎn)首次測量時(shí)的重力觀測值和觀測時(shí)間；g2、t2表示再次回到該測點(diǎn)時(shí)的重力觀測值和時(shí)間。

本文取CG-5相對重力儀在2019年河北局流動(dòng)測量隊(duì)重力測區(qū)的野外觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。重力資料一共2期，第一期觀測時(shí)間為2—5月，實(shí)測54個(gè)測點(diǎn)、64個(gè)測段；第二期為7—10月，實(shí)測58個(gè)測點(diǎn)、70個(gè)測段。將觀測數(shù)據(jù)經(jīng)固體潮改正后，篩選測量過程中每天往返測點(diǎn)的重力觀測值和時(shí)間，基于公式（1）計(jì)算每天觀測的每個(gè)測點(diǎn)的零漂率值，并得到連續(xù)一段觀測時(shí)間內(nèi)CG-5重力儀的每日平均動(dòng)態(tài)零點(diǎn)漂移率（圖2）。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，重力儀C859在2019年兩期的重力觀測過程中具有不同的零漂率變化范圍，第二期零漂率較第一期有所增加；C859、C873單期動(dòng)態(tài)漂移率的變化范圍較小，均在10 μgal/h范圍以內(nèi)浮動(dòng)，穩(wěn)定性較好。此外，對比每期的兩臺重力儀的動(dòng)態(tài)零漂率的變化可以發(fā)現(xiàn)其具有一定同步性，說明除儀器本身因素外，零漂率可能還與觀測時(shí)的環(huán)境因素有關(guān)。

圖2 CG-5重力儀平均動(dòng)態(tài)零點(diǎn)漂移曲線

此外，基于2019年河北局重力測區(qū)的兩期野外重力觀測資料，選取兩期資料中各期觀測次數(shù)均大于兩次的測點(diǎn)，對其去固體潮后擬合，得到該測點(diǎn)的混合零點(diǎn)漂移率及擬合殘差。本次計(jì)算數(shù)據(jù)經(jīng)篩選后單期符合要求測點(diǎn)共計(jì)16個(gè)，兩期分別計(jì)算，共得到32個(gè)測點(diǎn)混合零點(diǎn)漂移率值（單臺重力儀）。其中，以重力儀C859為例，選取部分測點(diǎn)在兩期的混合零點(diǎn)漂移結(jié)果（圖3），以每期每個(gè)測點(diǎn)擬合的殘差范圍為依據(jù)，統(tǒng)計(jì)其在各區(qū)間的分布情況（表2）。

表2 混合零點(diǎn)漂移結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖3 C859重力儀混合零點(diǎn)漂移

CG-5重力儀在各測點(diǎn)的零漂曲線呈現(xiàn)較好的線性，零漂率隨著測點(diǎn)的變化而不同，C859中90%測點(diǎn)的零漂率分布在30～41 μgal/h內(nèi)；C873中90%測點(diǎn)的零漂率分布在19～22 μgal/h內(nèi)；混合零漂擬合殘差基本控制在±20 μgal以內(nèi)，僅有少數(shù)測點(diǎn)的測值擬合殘差值較大。

2.3 零漂率結(jié)果統(tǒng)計(jì)及分析

由表3可得，雖然兩臺重力儀使用年限較長，但在2019年的觀測數(shù)據(jù)處理結(jié)果中，無論是靜態(tài)、動(dòng)態(tài)還是混合零漂率，其平均值均比較接近。兩臺重力儀零漂率處于正常變化范圍，具有較好的穩(wěn)定性。其中，相比第一期數(shù)據(jù)，C859在第二期中表現(xiàn)出明顯的零漂率的增長，均值增長約為10 μgal/h；C873表現(xiàn)平穩(wěn)，全年零漂率無明顯增長，在19～23 μgal/h內(nèi)變化，穩(wěn)定性高。

表3 零漂率結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.4 數(shù)據(jù)測試

本測試旨在分析特殊情況對于儀器零點(diǎn)漂移率計(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)精度的影響，比如部分測點(diǎn)被破壞導(dǎo)致點(diǎn)位變化或缺測，測點(diǎn)往返測時(shí)間間隔不對稱，以及周圍環(huán)境干擾大等情況。故現(xiàn)于河北保定選取一個(gè)穩(wěn)定場地，布置相對重力測量測線一條，取4個(gè)測點(diǎn)，按照A→B→C→D→C→B→A的順序，完成共8個(gè)測回的測量。其中，第一至四個(gè)測回進(jìn)行正常觀測，整體平差處理；第五至八測回為特殊情況，分別平差以進(jìn)行分析。第五、六測回分別設(shè)計(jì)為測點(diǎn)C點(diǎn)位信息發(fā)生變化、C點(diǎn)未觀測兩種情形；第七個(gè)測回取測點(diǎn)C往返觀測時(shí)間間隔不一致；第八個(gè)測回取周圍環(huán)境干擾較大時(shí)觀測，觀察后四測回中零漂率結(jié)果及數(shù)據(jù)精度的變化情況，測試結(jié)果如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)測試結(jié)果

在前四測回測量過程中，各測點(diǎn)往返測時(shí)間間隔對稱，測點(diǎn)信息正常，數(shù)據(jù)精度高，零漂率接近靜態(tài)測試時(shí)的平均值。在后四測回的特殊情形中，段差值變化明顯，數(shù)據(jù)精度降低，零漂率浮動(dòng)較大，數(shù)據(jù)可靠性變差。其中，以第五測回測點(diǎn)位置發(fā)生變化時(shí)對數(shù)據(jù)處理的精度影響最大；第七測回往返測時(shí)間不一致對零漂率結(jié)果的影響最為明顯，重力儀C859的零漂率高于正常值的2倍。重力儀C873的零漂率受此次影響較小，較為穩(wěn)定。

3 結(jié)論與討論

CG-5相對重力儀由于其操作簡單、采集數(shù)字化、讀數(shù)重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于流動(dòng)重力觀測。通過研究發(fā)現(xiàn)，本次所用的兩臺CG-5重力儀雖然投入使用已達(dá)9年，但其靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)及測點(diǎn)數(shù)據(jù)仍呈現(xiàn)明顯的線性，殘差結(jié)果較好。在零漂率結(jié)果統(tǒng)計(jì)中，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及混合零漂的均值相差較小，重力儀零漂特性穩(wěn)定，可繼續(xù)用于流動(dòng)重力觀測任務(wù)，各項(xiàng)零漂均值結(jié)果可用于年度重力儀零漂穩(wěn)定性的檢測。另外，通過數(shù)據(jù)測試發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際測量過程中應(yīng)當(dāng)盡量避免測點(diǎn)往返測時(shí)間間隔不一致、測點(diǎn)變化或者周圍干擾較大等情況，以保證重力數(shù)據(jù)的可靠性及精準(zhǔn)度。

此外，本次研究所用兩臺CG-5重力儀在一年尺度內(nèi)隨季節(jié)、時(shí)間推移未顯示明顯變化規(guī)律，若進(jìn)一步研究，可擴(kuò)大時(shí)間尺度，分析長時(shí)間內(nèi)的重力儀零漂特性隨時(shí)間的變化規(guī)律。