“雪龍2”號(hào)國(guó)內(nèi)首套Sea Ⅲ型海洋重力儀應(yīng)用分析

陳清滿 王碩仁 袁東方

(中國(guó)極地研究中心,上海 200136)

提要 Sea Ⅲ型海洋重力儀是Micro-g LaCoste 公司在L&R SII 型重力儀原理基礎(chǔ)上開發(fā)的新型擺桿-斜拉零長(zhǎng)彈簧海洋重力儀。本文以Sea Ⅲ型海洋重力儀在“雪龍2”號(hào)上應(yīng)用為例,梳理了Sea Ⅲ型海洋重力儀工作原理、重力計(jì)算公式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。對(duì)其靜態(tài)試驗(yàn)及海上動(dòng)態(tài)性能測(cè)試進(jìn)行研究,通過設(shè)計(jì)重復(fù)線、交叉點(diǎn)來評(píng)估儀器的動(dòng)態(tài)精度情況。試驗(yàn)表明Sea Ⅲ靜態(tài)線性月漂移約為0.85×10-5 m·s2,重力儀觀測(cè)值能夠清晰反映當(dāng)?shù)毓腆w潮變化特征,動(dòng)態(tài)內(nèi)符合精度為0.23×10-5 m·s2,均遠(yuǎn)優(yōu)于海洋調(diào)查規(guī)范相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合“雪龍2”號(hào)船型、設(shè)備布置等分析總結(jié)儀器數(shù)據(jù)處理流程及儀器性能指標(biāo),為后續(xù)相關(guān)用戶提供參考。

0 引言

海洋重力儀是以艦船為載體,使用重力傳感器測(cè)定海面重力加速度的地球物理勘測(cè)儀器。重力加速度的準(zhǔn)確測(cè)量,對(duì)國(guó)防、計(jì)量、測(cè)繪、地質(zhì)、地震與資源勘探等領(lǐng)域均有十分重要的意義[1]。隨著機(jī)械制造工藝日益完善,廣大海洋研究人員對(duì)海洋重力儀測(cè)量精度的要求越來越高。目前在全球海洋科考船上安裝應(yīng)用較為廣泛的海洋重力儀型號(hào)有: 美國(guó)Micro-g LaCoste 公司生產(chǎn)的MGS6、Sea Ⅱ,德國(guó)Bodenseewerk 公司生產(chǎn)的KSS,俄羅斯Gravimetric Technologies 公司生產(chǎn)的GT-2M 等。與此同時(shí),國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)在海洋重力儀研制方面也取得了重大進(jìn)展,如: 中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所研制的CH-Ⅱ型彈簧重力儀、中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第707 研究所研制的ZLⅡ型海洋重力儀、中國(guó)航天科技集團(tuán)第十三研究所研制的SAG-2M 捷聯(lián)式重力儀等均日趨成熟,并逐步推向市場(chǎng)。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)不同類型海洋重力儀數(shù)據(jù)處理流程及技術(shù)性能等進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究,如: 2018年Yuan[2]等利用“向陽(yáng)紅06”號(hào)科考船搭載俄羅斯GT、美國(guó)Sea Ⅱ、中國(guó)SAG、ZL Ⅱ、CH-Ⅱ、SAG 多套不同型號(hào)的海洋重力儀,進(jìn)行了多條重復(fù)線測(cè)量,并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)精度進(jìn)行對(duì)比; Kovrizhnykh[3]等在Caspian 海域同船搭載LaCoste & Romberg ZLS、Chekan AM 和GT-2M,對(duì)上述三套設(shè)備測(cè)量精度及處理方法進(jìn)行了比對(duì); 張向宇[4]等對(duì)GT-2M 型海洋重力儀記錄的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,總結(jié)了GT-2M 型海洋重力儀數(shù)據(jù)處理流程; 張濤[5]等利用相關(guān)分析法對(duì)LaCoste Sea Ⅱ海洋重力儀數(shù)據(jù)重新進(jìn)行了交叉耦合分析與改正計(jì)算; 張向宇[6]等對(duì)ZLⅡ型海洋重力儀記錄的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理分析,提出了該型重力儀新的數(shù)據(jù)處理方法。

2020年中國(guó)新建的極地科考破冰船——“雪龍2”號(hào)引進(jìn)了Micro-g LaCoste 公司最新生產(chǎn)的Sea III 型海洋重力儀,該套設(shè)備也是Sea III 型在中國(guó)的首套應(yīng)用?！把?”號(hào)是無限航區(qū)航行破冰科考船,而Sea III 型海洋重力儀測(cè)量量程大于等于20000×10-5m·s2,滿足其全球測(cè)量的使用需求。作為該型重力儀的國(guó)內(nèi)首套應(yīng)用用戶,為了測(cè)試該型儀器的工作狀態(tài)、檢查其靜態(tài)工作性能(靜態(tài)月漂移)及動(dòng)態(tài)精度,分別于2019年12月和2020年6月組織對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜態(tài)測(cè)試及海上動(dòng)態(tài)精度測(cè)試,為后續(xù)其他用戶提供相關(guān)參考依據(jù)。

1 Sea Ⅲ型海洋重力儀簡(jiǎn)介

1.1 Sea Ⅲ型海洋重力儀結(jié)構(gòu)組成及工作原理

Micro-g LaCoste Sea Ⅲ型海洋重力儀(外形見圖1) 由工作終端、常平架、重力儀主機(jī)、減震阻尼、UPS 電源及控制系統(tǒng)等組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理,便于設(shè)備操作與維護(hù)。Sea Ⅲ型海洋重力儀采用第三代高可靠性固態(tài)光纖陀螺、固態(tài)加速度計(jì),及高度集成的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng),以提升儀器的可靠性與穩(wěn)定性。

圖1 “雪龍2”號(hào)Sea Ⅲ型海洋重力儀安裝圖Fig.1.Installation of Xuelong 2 Sea Ⅲ ocean gr avimeter

Sea Ⅲ型海洋重力儀設(shè)計(jì)上沿用了Sea Ⅱ型擺桿-斜拉零長(zhǎng)彈簧原理。傳感器主體為一個(gè)由零長(zhǎng)彈簧支撐的鉸鏈擺(圖2),擺前部設(shè)有上下兩個(gè)空氣阻尼器,空氣阻尼器對(duì)擺的垂直運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼作用; 擺后部為由擺和兩塊固定于傳感器內(nèi)的金屬板構(gòu)成的一組電容器。當(dāng)重力變化或有垂直干擾加速度作用在擺上時(shí),擺的擺動(dòng)引起電容器中電容量的變化,電容量的變化率直接反映出擺的擺動(dòng)速率。電容變化信號(hào)通過電容位置指示器轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)輸出,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)軟件處理即可計(jì)算出重力值。

圖2 Sea Ⅲ型海洋重力原理圖Fig.2.Schematic diagram of Sea Ⅲ

1.2 Sea Ⅲ型海洋重力儀性能特點(diǎn)

相比目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的上一代Sea Ⅱ型海洋重力儀,Sea Ⅲ型海洋重力儀傳感器和常平架體積更小,系統(tǒng)集成度更高; 系統(tǒng)重量更輕,約降低30%,易于拆裝轉(zhuǎn)移,為不同科考船間的相互共享提供了良好條件; 采用的常平架滑環(huán)技術(shù)和傳感器恒溫恒壓控制,使得系統(tǒng)平臺(tái)更加穩(wěn)定可靠; 常平架可機(jī)械鎖止,不需單獨(dú)拆卸,儀器拆卸和養(yǎng)護(hù)更為便捷。表1 為Sea Ⅲ型海洋重力儀精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表。

1.3 Sea Ⅲ型海洋重力儀重力值計(jì)算

Sea Ⅲ型海洋重力儀是通過測(cè)定擺在強(qiáng)空氣阻尼中的擺動(dòng)速度來表示重力的微小變化,通過彈簧張力和擺的運(yùn)動(dòng)速率換算重力讀數(shù),Sea Ⅲ型海洋重力儀具有在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中實(shí)時(shí)感應(yīng)重力值的特性。Sea Ⅲ型海洋重力儀測(cè)量基本方程式為:

表1 Sea Ⅲ型海洋重力儀精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 1.Table of Sea Ⅲ marine gravimeter index

式中,G為重力讀數(shù);a為彈簧張力和重力的轉(zhuǎn)換系數(shù);ST為彈簧張力;Eotvos的值由公式(2)計(jì)算;TC為總改正,其計(jì)算方式見公式(3)。

式中,v為船速(節(jié));λ為緯度(度);α為航向(度)。

式中,CC為交叉耦合改正,即儀器在垂向加速度和水平加速度共同作用下引起的附加重力擾動(dòng),由公式(4)計(jì)算;BVC為擺速改正,由公式(5)計(jì)算獲得;XG為橫向陀螺改正;LG為縱向陀螺改正。

式中,βVCC、βVE、βAL、βAX、βAX2為CC改正系數(shù),儀器出廠時(shí)廠家標(biāo)定后給出;VCC(y′′z′)為縱向加速度與垂向速度的耦合;VE(z′′)2為垂向加速度耦合的平方;AL(y′′z′′)為縱向加速度和垂向加速度的耦合;AX(x′′z′′)為橫向加速度和垂向加速度的耦合;AX2[(x′′)2z′′]為橫向加速度的平方和垂向加速度的耦合。

2 Sea Ⅲ型海洋重力儀靜態(tài)數(shù)據(jù)分析

2.1 月漂移

重力儀月漂移指標(biāo)是儀器穩(wěn)定性能的重要評(píng)判指標(biāo)。2019年12月1日至2019年12月30日,在北京某實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)Sea Ⅲ型海洋重力儀進(jìn)行了為期一個(gè)月的靜態(tài)試驗(yàn)。根據(jù)Sea Ⅲ型海洋重力儀一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算重力儀讀數(shù)隨時(shí)間變化的線性回歸直線方程為:y= 3.29×10-7x+512(x的單位為秒,y的單位為10-5m·s2),得出該臺(tái)重力儀的靜態(tài)掉格呈線性(圖3,橫坐標(biāo)單位為秒,縱坐標(biāo)單位為10-5m·s2),月漂移為0.85×10-5m·s2,優(yōu)于國(guó)家海洋調(diào)查規(guī)范中對(duì)海洋重力儀月漂移不超過3×10-5m·s2的要求[7]。表明“雪龍2”號(hào)配備的Sea Ⅲ型海洋重力儀靜態(tài)月漂移較小,抗干擾能力強(qiáng)。

圖3 Sea Ⅲ型海洋重力儀一個(gè)月靜態(tài)數(shù)據(jù)變化Fig.3.Static data changes in one month

2.2 固體潮影響

固體潮是指在日月引潮力的影響下,引起地球固體部分巖石圈的形態(tài)變化,從而引起重力周期性變化的現(xiàn)象[8]。固體潮值由于具有周期性,可以通過模型計(jì)算[9]。選取Sea Ⅲ型海洋重力儀連續(xù)三天觀測(cè)的數(shù)據(jù)(圖4,橫坐標(biāo)單位為秒,縱坐標(biāo)單位為10-5m·s2),其中鋸齒狀曲線為重力儀靜態(tài)數(shù)據(jù)觀測(cè)值,光滑曲線為固體潮模型計(jì)算值,橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)(左)為重力儀讀數(shù),縱坐標(biāo)(右)為固體潮模型計(jì)算值。如圖4 所示,重力儀測(cè)量值呈現(xiàn)明顯周期性變化,低值與固體潮低值相對(duì)應(yīng),局部高值也相互對(duì)應(yīng),曲線形態(tài)較為一致。說明重力測(cè)量值讀數(shù)變化的周期性是受當(dāng)?shù)毓腆w潮影響所致,表明“雪龍2”號(hào)配備的Sea Ⅲ型海洋重力儀具有較高的分辨率。

圖4 Sea III 型海洋重力儀三天靜態(tài)數(shù)據(jù)變化Fig.4.Static data changes in three days of Sea III gravimeter

連續(xù)3 天的重力儀觀測(cè)讀數(shù)值顯示,觀測(cè)值疊加了振幅為0.2×10-5m·s2的擾動(dòng)(圖4)。嚴(yán)格意義的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜態(tài)測(cè)試需要重力儀底座與基巖直接固定連接[10],但國(guó)內(nèi)僅少數(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室能夠滿足上述條件。在普通實(shí)驗(yàn)室內(nèi)深挖數(shù)十米到達(dá)基巖,并建立基巖與重力儀底座的直接連接是不現(xiàn)實(shí)的,所以圖中重力儀觀測(cè)值疊加了振幅高達(dá)0.2× 10-5m·s2的擾動(dòng)可能與平臺(tái)受地基震動(dòng)影響有關(guān)[11],但也不排除電子信號(hào)線路可能存在高頻白噪聲。

3 “雪龍2”號(hào)Sea Ⅲ型海洋重力儀動(dòng)態(tài)精度測(cè)量

海洋重力儀動(dòng)態(tài)精度分為交叉點(diǎn)精度和重復(fù)線精度。其測(cè)量一般通過布設(shè)縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)格狀測(cè)線,在主、檢測(cè)線相交點(diǎn)處進(jìn)行重復(fù)測(cè)量,并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行符合度解算,由此評(píng)估海洋重力儀自身重復(fù)性精度和測(cè)量作業(yè)精度,即為交叉點(diǎn)精度。以重復(fù)測(cè)線不符值、測(cè)線網(wǎng)交叉點(diǎn)不符值為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)海洋重力測(cè)量的內(nèi)符合精度進(jìn)行分析評(píng)估[12]。受海況、定位精度影響,科考船海上航行測(cè)量完全的重復(fù)線較為困難,交叉測(cè)線更容易實(shí)現(xiàn),所以一般采用以交叉點(diǎn)精度為主、重復(fù)線精度為輔的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行儀器動(dòng)態(tài)精度衡量。

2020年6月15日至2020年6月28日,“雪龍2”號(hào)在中國(guó)南海進(jìn)行了Sea Ⅲ型海洋重力儀的海上試驗(yàn),重點(diǎn)對(duì)Sea Ⅲ型海洋重力儀的動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行衡量。試驗(yàn)海區(qū)布設(shè)東西方向和南北方向各6 條測(cè)線(圖5),每條測(cè)線長(zhǎng)10 海里,測(cè)線間隔0.8 海里,其中3、9 號(hào)測(cè)線包括方向相反的重復(fù)線。試驗(yàn)海區(qū)水深介于450～560 m 之間,海底地形由西北至東南緩慢變深。

圖5 Sea Ⅲ型海洋重力儀南海測(cè)網(wǎng)Fig.5.Survey grid of Sea Ⅲ gravimeter in South China Sea

3.1 交叉點(diǎn)精度

交叉點(diǎn)內(nèi)符合方程式[12]為:

式中,a為重力觀測(cè)讀數(shù)內(nèi)符合中誤差;d為主、檢測(cè)線交差點(diǎn)重力不符值或重復(fù)線觀測(cè)重力值互差值;n為測(cè)線交叉點(diǎn)或重復(fù)點(diǎn)個(gè)數(shù)。統(tǒng)計(jì)計(jì)算交叉測(cè)線交叉點(diǎn)誤差值(未做平差),交叉點(diǎn)中誤差為0.230×10-5m·s2,見下表2。

表2 交叉點(diǎn)誤差值(單位: ×10-5 m·s2)Table 2.Cross-over error value (Unit: ×10-5 m·s2)

統(tǒng)計(jì)交差點(diǎn)精度分布如圖6 所示,交叉點(diǎn)誤差呈正態(tài)分布狀分布,誤差趨向于0,表明儀器動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良。

圖6 交叉點(diǎn)精度分布圖Fig.6.Histogram of cross-over precision distribution

3.2 重復(fù)線精度

由于海洋重力儀采樣過程中采樣數(shù)據(jù)在空間上是點(diǎn)狀離散的分布[13],任何兩條重復(fù)測(cè)線采樣點(diǎn)在空間上都不一定完全重合,為了評(píng)價(jià)測(cè)線重復(fù)精度,要求對(duì)測(cè)線相同位置進(jìn)行重新插值采樣,計(jì)算測(cè)線相同位置處的重力差異。

重復(fù)線精度判定內(nèi)符合中誤差計(jì)算公式[13]為:

式中,θRMS為重力觀測(cè)讀數(shù)內(nèi)符合中誤差,δ為相鄰點(diǎn)重力不符值或重復(fù)線觀測(cè)重力值互差值,n為測(cè)線交叉點(diǎn)或重復(fù)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

南北向重復(fù)線及誤差值曲線如圖7 所示,東西向重復(fù)線及誤差值曲線如圖8 所示。

圖7 南北向重復(fù)線對(duì)比Fig.7.Comparison of North-South repeating lines

圖8 東西向重復(fù)線對(duì)比Fig.8.Comparison of East-West repeating lines

對(duì)Sea Ⅲ型海洋重力儀南北向、東西向重復(fù)線進(jìn)行插值采樣計(jì)算其差值、平均值、中誤差結(jié)果如表3 所示。

表3 Sea Ⅲ型海洋重力儀重復(fù)線分析結(jié)果(單位: ×10-5 m·s2)Table.3.Analysis results of gravimeter repeating line(Unit:×10-5 m·s2)

東西向、南北向重力儀重復(fù)線對(duì)比分析顯示,重復(fù)線最大誤差值均分布在測(cè)線邊緣兩端,最小誤差值位于測(cè)線中間位置處。表明重力儀在剛上線處還未趨于完全相對(duì)穩(wěn)定造成誤差值偏大,而當(dāng)位于測(cè)線中間位置重力儀穩(wěn)定后誤差值相對(duì)較小,后續(xù)任務(wù)中為了獲取高精度測(cè)量值,可適當(dāng)延長(zhǎng)測(cè)線。重力儀重復(fù)線整體中誤差值為0.27× 10-5m·s2,表明Sea Ⅲ型海洋重力儀具有較高的動(dòng)態(tài)精度。

3.3 Sea Ⅲ型海洋重力儀動(dòng)態(tài)精度分析

3.3.1 “雪龍2”號(hào)船船舶穩(wěn)定性

“雪龍2”號(hào)船長(zhǎng)122.5 m,寬19 m,排水量1.4 萬噸[14],尺寸和排水量與國(guó)內(nèi)其他科考船相比均有較大優(yōu)勢(shì),在海洋中航行也更為平穩(wěn)?！把?”號(hào)專門設(shè)置了一個(gè)重力實(shí)驗(yàn)室用于海洋重力觀測(cè),該實(shí)驗(yàn)室位于船舶穩(wěn)心位置,有利于走航工況下的重力觀測(cè)。同時(shí),重力儀在該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的安裝位置與“雪龍2”號(hào)的中軸線基本重合,重力傳感器縱軸與船的艏艉線方向一致,減小了船橫搖、縱搖對(duì)重力儀觀測(cè)的影響。且重力實(shí)驗(yàn)室艙室面積較小,僅供重力觀測(cè)使用,無人員頻繁進(jìn)出的擾動(dòng),便于建立和保持滿足重力儀使用的恒溫、恒壓的環(huán)境條件。“雪龍2”號(hào)采用吊艙系統(tǒng)推進(jìn),船體內(nèi)振動(dòng)噪音較小。Sea Ⅲ型海洋重力儀避開了船艙機(jī)器震動(dòng)源,避免了船體振動(dòng)噪聲對(duì)重力儀測(cè)量的影響。

3.3.2 Sea Ⅲ型海洋重力儀器重力參數(shù)濾波窗函數(shù)

重力儀數(shù)據(jù)采集時(shí),為了消除波浪等垂直加速度的影響,采集軟件對(duì)彈簧張力ST、總改正TC及Eotovs改正都進(jìn)行了300 s 低通濾波。濾波器是利用Exact Blankman 窗函數(shù)設(shè)計(jì)的低通濾波器,比起B(yǎng)lankman 窗函數(shù),Exact Blankman 窗主瓣寬度窄、旁瓣能級(jí)底、主瓣能量更加集中,濾波窗函數(shù)采用余弦窗裁斷信號(hào),可以獲取較高的計(jì)算精度[15],公式為:

式中,w(n)為窗函數(shù)序列,n=0,1,2 ,…,N,N為濾波長(zhǎng)度; a0=7938/18608; a1=9240/18608; a2=1430/ 18608;

4 小結(jié)與展望

綜上,Micro-g LaCoste Sea Ⅲ型海洋重力儀零點(diǎn)漂移小,具備較好的靜態(tài)線性漂移率,月漂移約為0.85×10-5m·s2,滿足海洋調(diào)查規(guī)范要求。

該型重力儀分辨率高,重力儀觀測(cè)值能夠清晰反映當(dāng)?shù)毓腆w潮變化特征。

Sea Ⅲ型海洋重力儀在“雪龍2”號(hào)測(cè)得的動(dòng)態(tài)精度遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)家海洋調(diào)查規(guī)范的要求,在近年來新配的海洋重力儀中精度也處于較優(yōu)水平,統(tǒng)計(jì)計(jì)算海上測(cè)網(wǎng)交叉點(diǎn)不符值,動(dòng)態(tài)內(nèi)符合精度為0.23×10-5m·s2。海上動(dòng)態(tài)精度優(yōu)良,測(cè)量可信度高,優(yōu)良的動(dòng)態(tài)精度得益于“雪龍2”號(hào)船舶的穩(wěn)定性、振動(dòng)噪聲低及重力儀自身采集軟件較高的計(jì)算精度濾波算法。

目前Sea Ⅲ型海洋重力儀已經(jīng)搭載“雪龍2”號(hào)上參與相關(guān)極地航次調(diào)查,該儀器運(yùn)行穩(wěn)定,抗干擾能力強(qiáng)。后續(xù)將結(jié)合極地現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況,進(jìn)一步分析探討該型重力儀極區(qū)使用性能。