基于航空重力梯度数据重建高分辨率局部重力场的径向基函数方法

基于径向基函数技术,研究了利用航空重力梯度数据重建局部重力场模型的方法,建立了泊松小波径向基函数和航空重力梯度张量之间的解析关系.以频率域变换和等效源方法为例讨论了不同梯度分量转换方法对重力场建模的影响,分析了基函数埋深深度对建模的影响.以澳大利亚珀斯Kauring试验场为例,采用实测航空重力梯度垂直分量构建了高分辨率重力场模型.结果表明,局部地形扰动对建模的影响较大,即使在平原或丘陵区域,也要考虑其影响.此外,不同梯度分量转换方法对于区域重力异常恢复的影响较小.再者,基函数埋深深度对建模影响较大;相比于采用重力数据建模而言,基于航空重力梯度数据求解时,基函数的适宜埋深深度更浅.联合航空重力梯度数据求解能显著提高重力场模型在高频和甚高频波段的分辨率和精度.与实测航空重力数据对比表明,利用航空重力梯度数据可构建分辨率约为0.15 km、精度优于1 mGal的重力场模型.

水平张量重力梯度仪垂向运动误差实时补偿方法

为减小垂向运动对水平张量重力梯度测量的影响,提出了一种水平张量重力梯度仪垂向运动误差实时补偿方法。首先,分析了载体垂向运动引起重力梯度动态测量误差的机理,建立了综合安装误差角的回归方程;其次,在递推公式中引入遗忘因子,提高状态估计的跟踪速度;再次,针对量测量易受载体运动干扰的问题,通过Sage-Husa自适应滤波的方法实时适应不同量级的动态干扰,对综合安装误差角进行实时估计;最后,利用得到的综合安装误差角估计结果,实现重力梯度垂向运动测量误差的实时补偿。船载实验数据处理结果表明,与传统补偿方法相比,所提方法可将重力梯度内符合精度由30E@1km提高至15E@1km。

航空重力梯度地形改正

地形改正是航空重力梯度数据处理的重要环节,其改正精度不仅取决于地形精度和分辨率,还与改正模型有关。本文基于棱柱积分公式研究了地形精度和分辨率、观测点高程误差对地形改正的影响,导出了一种量化评估模型。为了在不降低改正精度的前提下提高计算效率,设计了一种基于CUDA的棱柱积分并行算法,在GPU端实现了地形改正分量的快速计算。分别在地形起伏平缓和剧烈区域进行模型验证,结果表明,当测量高度大于40 m时,精度优于0.5 m的10 m分辨率地形数据可使地形改正精度优于1 E,验证了本文量化评估模型的有效性。棱柱积分并行算法在普通GPU显卡上实现了15倍以上的效率提升,在NVIDIA TiTan V专业计算显卡上效率提升了150倍以上,完全能够满足大范围高精度地形改正应用需求。本文的量化评估模型和并行算法可为航空重力梯度测量任务设计和数据处理提供参考。

一种重力梯度/SINS/星光组合导航方法

为提高飞行器导航系统的精度和自主性,提出了一种重力梯度/捷联惯导(SINS)/星光组合导航方法。在该组合导航系统中,利用重力梯度信息修正SINS的位置误差,利用星光信息修正SINS的姿态误差,提高飞行器的导航精度和自主性。为了弥补传统容积卡尔曼滤波(CKF)算法滤波精度不高的缺点,采用随机加权容积卡尔曼滤波(RWCKF)算法,设计重力梯度/SINS/星光组合导航系统。仿真结果表明,SINS/星光组合导航系统、重力梯度/SINS组合导航系统、合成孔径雷达(SAR)/SINS/星光组合导航系统和提出的重力梯度/SINS/星光自主组合导航系统的定位误差分别为78.1003 m、54.3399 m、39.2776 m和19.8495 m,证明了提出的重力梯度/SINS/星光自主组合导航系统的精度不仅远高于两个子系统,也高于SAR/SINS/星光组合导航系统。

利用重力梯度张量等位面曲率的地质体定位

针对重力梯度张量曲率的研究,前人的工作主要集中在重力张量曲率的解释及边缘检测中,几乎没有涉及到地下密度异常体的定位.本文结合重力矢量和重力梯度张量提出了一套基于重力梯度张量等位面曲率的地下密度异常体位置估计策略.首先,从重力梯度张量等位面曲率的基本定义出发,计算重力梯度张量等位面曲率.然后,通过寻找球面或圆形等位面的重力梯度张量曲率,提出了利用最大主曲率定位地下密度异常体位置的源参数估计方法,并详细推导了估计3D球体(质点)和2D水平线源位置信息的解析表达式.再者,针对噪声和多源存在的情况,提出了一套利用重力梯度张量等位面曲率获得密度异常体位置信息的稳健估计流程,并利用模糊C均值聚类算法进一步确定地下密度异常体的中心位置.最后,通过理论模型测试和文顿盐丘实测航空重力梯度数据测试,验证了本文算法的可行性和可靠性.结果表明:在满足曲率半径定义条件的情况下,本文所提出的源参数估计方法可以定位单个或多个地下3D和2D密度异常体的空间位置,具有较好的稳健性和抗噪能力.该方法拓展了重力梯度张量曲率的应用范围,可为重力梯度张量的三维反演工作提供先验的空间位置信息.

一种基于扭秤的重力梯度动态测量方法

针对传统的扭秤式重力梯度仪测量准确度高,但稳定性差且测量效率低的问题进行了研究。引入动态调制方法,并将Z型扭秤结构应用于动态测量模式,实现重力水平梯度和重力曲率值的同时测量。在信号处理过程中使用旋转滤波和遗传算法,可有效消除扭摆自由振荡对目标峰值的影响并提取目标频率的幅值和相位。仿真实验结果表明,遗传算法从动态测量模式信号中提取目标重力梯度值引入的不确定度分量不超过0.0077 E(1 E=10^(-9)/s^(2))。使用遗传算法进行数据后处理时,系统的测量不确定度评定为0.0582 E。

面向深地探测的光纤重力梯度仪测量原理与研制进展

发展深地探测技术对于推进地球物理发展有重要意义.基于重力梯度的深地传感技术具备自身独有的优势,可以有效弥补现有主要方法的局限.本文提出了一种基于光纤Sagnac干涉仪的重力梯度测量原理,将重力梯度转化为角加速度并利用光纤角加速度计进行精密传感.本文设计了重力梯度原型样机,并利用ANSYS有限元仿真论证了其可行性与稳定性,在此基础上对光纤重力梯度原型样机进行了长达14天的连续静态测试,得到角加速度测量本底噪声低于3×10^(-10)rad·s^(-2)·Hz^(-1/2),对应重力梯度测量噪声达0.68 E·Hz^(-1/2).基于光纤Sagnac干涉仪的重力梯度测量没有对传感单元一致性的要求,无需复杂的环境控制与辅助设备,测试结果展现了其高灵敏度特性以及应用于深地探测的巨大潜力.

基于重力梯度被动稳定的空间站微重力伴飞实验舱方案

针对科学实验载荷极低量级微重力环境的需求,提出基于重力梯度被动稳定的空间站微重力伴飞实验舱方案。伴飞实验舱相对空间站独立飞行,以隔离空间站上复杂多变的干扰源。实验舱采用无振动微加速度的姿轨控方法实现了伴飞期间的极低量级微重力水平——以重力梯度被动稳定+主动磁控的方式实施姿控;通过调整偏航角改变迎风面积实施轨道高度与位置控制,保证伴飞安全性。同时,实验舱通过配置制导执行机构、安装位姿敏感器和机械臂目标适配器,能充分利用空间站的在轨资源。仿真分析表明实验舱能保证长期持续地为载荷提供优于4.9×10-7g0的极低量级微重力环境。

基于源体生长思想的全张量重力梯度数据联合反演

基于源体生长思想的三维反演是一种使用系统搜索的反演方法。和正则化反演相比,该方法计算量小,运算速度快。源体生长的判断准则是其核心,影响着结果质量。本文提出了一种全张量重力梯度数据源体生长反演方法,旨在提高纵向的反演效果。首先,在判断准则中引入深度加权函数,优化对不同深度上源体生长的判断;其次,根据单分量梯度数据反演结果,调整不同类型数据的权重,建立联合反演方法;最后,利用矩阵压缩减少内存占用,提高反演计算效率。通过模型数据与文顿盐丘地区实测数据试验,证明了提出的方法能够有效地引导源体生长,对深部目标具有更高的分辨能力,适用于较复杂形态目标的反演,且具有较高的计算效率和抗噪性。

基于模糊C均值聚类的空—地—井垂直重力梯度数据反演方法

通过重力梯度数据三维反演能够获得地下密度结构模型,用于地质资源勘探等领域。航空、地面和井中观测的重力梯度数据含有不同频率的信息,通过数据联合可以降低反演多解性,提高成像分辨率。对于具有复杂形态的地下异常体,目前这种多尺度数据联合反演的纵向空间分辨率,尤其是异常体底部的成像分辨率有待提升。针对该问题,开展了航空—地面—井中垂直重力梯度数据的联合反演方法研究。首先,在正则化反演中引入模糊C均值聚类算法,通过在迭代过程中加入聚类约束降低多解性;其次,联合航空、地面和井中垂直重力梯度数据,提出一种联合反演方法,并使用GPU加速计算;然后,将反演应用于理论模型数据与美国文顿盐丘地区重力梯度数据,验证方法的效果,并讨论了井位置对结果的影响;最后,对基于GPU加速的并行反演方法进行性能分析。数据试验证明了模糊C均值聚类算法能够降低反演的多解性,通过联合反演能够获得准确的密度分布,该方法具有一定的抗噪能力;使用异常旁井和穿异常井数据的成像分辨率更高。计算的文顿盐丘地区密度分布与其他学者的结论相近,证明了方法是有效且可行的。试验还表明,GPU并行方法具有较高的加速比,提出的方法能够为地质找矿等研究提供技术支撑。

重力梯度仪参考系传递的计算方法与实际测量

由三对静电悬浮加速度计构成的梯度仪,要实现从加速度的测量到引力梯度的计算,必须先将加速度计参考系转换为梯度仪参考系。首先介绍了梯度仪中各参考系的定义,针对实际测量问题,提出了具体的各参考系的测量、构建方法,并采用三坐标测量系统对在研的梯度仪进行了测量,逐一构建了各参考系。最后总结了基于以上研究的梯度仪设计、装配上的一些启示,对研制高精度梯度仪提出了建议,并就参考系转换的后续研究进行了展望。

考虑地表起伏的不规则区域重力梯度场模型构建方法——以云南地区为例

文中推导并给出了基于非格网分布的起伏面扰动重力或重力异常解算区域扰动重力梯度场模型的数值计算公式。基于澳大利亚West Arnhem Land地区的格网重力数据,以频谱域(二维快速傅里叶变换)解算的扰动重力梯度全张量作为“基准值”,然后利用基于推导公式的最小二乘配置方法(LSC)对相同区域非规则范围的重力数据进行扰动重力梯度模型解算,将结果作为“评估值”。对比“基准值”与“评估值”之差,研究发现:1)基于推导公式的最小二乘配置方法解算得到的扰动重力梯度值与频谱域方法得到扰动梯度“基准值”各分量在空间形变变化上是一致的;2)统计扰动重力梯度各分量的差值ΔδΓ_(xx)^(fft-lsc)、ΔδΓ_(xy)^(fft-lsc)、ΔδΓ_(xz)^(fft-lsc)、ΔδΓ_(yy)^(fft-lsc)、ΔδΓ_(yz)^(fft-lsc)和ΔΓ_(zz)^(fft-lsc)“基准值”与“评估值”差值的标准差分别为5.54E、5.30E、1.85E、6.55E、2.09E和9.67E(1E=1×10^(-9)s^(-2)),远低于国际上实测重力梯度与解算模型差值的研究结果。最后,基于云南地区实测地表差分重力值,文中首次给出了该区域半波长约20km的重力梯度场年际变化模型。文中的思路和方法提高了广泛分布的重力数据(主要为重力异常和扰动重力)的使用效率,可为地球物理学、地质学研究更好地理解和解释重力数据、重力梯度数据及其与场源的关系提供数据基础。

旋转加速度计全张量重力梯度仿真

为了给国内重力梯度仪的实物制造夯实理论基础,该文主要研究了伞型全张量旋转加速度计重力梯度仪信号模拟的产生。通过半物理仿真实验模拟了伞型重力梯度仪的测量过程,并对全张量重力梯度仿真系统进行性能测试。测试数据为MATLAB生成的理想状态下的伞型重力梯度仪三圆盘加速度计数据,将该数据载入全张量重力梯度仿真系统中,解调得到交叉和内联重力梯度分量,经过线性运算得到测量坐标系下的全张量重力梯度值,再进行坐标系转换,得到平台坐标系下的重力梯度值。结果表明,该仿真系统测量精度达到1E(1E=1×10^(-9)s^(-2))。

利用全张量重力梯度异常探测月球地下隐伏地质结构及其解释

将有限功率地形法(或称Tesseroid单元体球谐谱域正演法)运用到月球地形的重力梯度计算中,并通过圣杯任务(GRAIL)得到的重力场模型系数和Moontopo720地形模型数据,计算得到在GRAIL卫星高度经过地形校正后的全重力张量异常。综合重力梯度的多分量性质和相关实验结果,首先通过水平梯度异常估算月球主要质量瘤(mascon)的地下空间水平分布范围,然后通过全重力异常梯度带图初步验证潮汐重力引起的月球主要断层结构分布。

地震重力观测技术的新发展方向:绝对重力与重力梯度一体化观测

高精度绝对重力与重力梯度一体化和阵列式观测可有效提高不同深度重力场源体的识别精度。本文基于中国地震局发布的《中国地球物理站网(重力)规划(2020—2030)》中绝对重力观测技术的不足和发展方向,提出了绝对重力与重力梯度一体化的观测技术思路。在监测中发现,强震孕育过程中壳—幔热物质运移引起的微重力变化信号,有利于提升破坏性地震的中、短期和临震预测能力。有必要进一步拓展重力站网绝对重力控制能力等方面的应用,为我国专业地震台站探索重力观测技术新发展方向。

利用接收函数H-κ-c叠加方法约束武陵山重力梯度带地壳结构

贯穿中国内地南北的大兴安岭-太行山-武陵山重力异常梯度带被认为是东亚重要的岩石圈分界线,本文利用布设在武陵山重力梯度带的43个国家地震局固定台站和10个流动宽频台站的观测数据,采用远震P波接收函数方法,计算并挑选了共计12 739条高质量的远震P波接收函数,综合其中7个台站H-κ叠加和46个台站H-κ-c叠加的结果,并结合前人结果获得了研究区的莫霍(Moho)界面起伏形态以及地壳平均波速比(v_(P)/v_(S))分布和通过H-κ-c叠加方法获得相应台站下方地壳各向异性。结果表明研究区地壳厚度在30~52 km之间,其中最厚的大巴山区域超过50 km,最薄的雪峰山以东地区仅约30 km,整体特征表现为西厚东薄。Moho界面梯度变化最大的区域,北起秦岭-大巴山东侧一带,沿着江汉盆地与武陵隆起的盆山耦合处,南至江南造山带中段北侧;地壳平均波速比整体的分布特点表现为:高值(>1.81)普遍分布在武陵山重力梯度带以西地区,而低值(<1.75)分布以东地区以及江南造山带内部;地壳各向异性同样在武陵山重力梯度带两侧存在明显差异,以东地区快波最大极化方向为近E-W向,而以西地区则表现为NE-SW向。最后,我们推测武陵山重力梯度带附近及以东地区存在普遍的下地壳拆沉现象。

航空重力测量和航空重力梯度测量问题

引入并讨论了航空重力测量和航空重力梯度测量的原理。描述并评论了各国研究和开发的上述两类测量系统。这些国家包括美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚、中国、德国和英国。本文涉及的大多数系统,如AirGRAV(加拿大),ZLSUltraSys(美国),SINS/DGPS(加拿大),AG(俄罗斯),GT-1A(俄罗斯),CHAGS(中国),SAGS-2.2(德国),Falcon(澳大利亚)和AirFTG(美国)是比较成熟的技术并在实际中使用。少数系统,如AGGOQR(加拿大)和EGG(英国),准备进行飞行试验。

重力梯度测量在城市空间探测中的应用

城市的规划、建设和运行依赖于所在地质环境条件并受其制约,与城市安全相关的地质问题日益突出。城市地下空间探测是解决城市地下问题的重要途径,探明城市地下空间地质构造对于城市开发具有重要意义。微重力测量(重力、重力梯度测量)是重要的地下空间探测技术.

航空重力梯度试验标度场的建立方法研究

航空重力梯度测量受飞行区气流及飞机加速度等因素的影响,需要选择异常较弱的高度进行补偿飞行。为评价梯度仪测量效果和确定补偿飞行高度,需要建立相应高度的标准梯度场作为参考。笔者研究了利用地面重力数据通过曲面延拓和梯度转换建立标度场的方法,并开展了模型验证。利用该方法建立了吉林—黑龙江某航空重力梯度试验区在精度试验飞行高度和拟补偿飞行高度处的标度场,并确定了拟补偿飞行高度选取的可行性。此外,笔者还将延拓转换建立的重力梯度场和起伏地形正演场进行了比较。结果表明,两种方法建立的标度场均可用于梯度仪的测量精度评价和补偿飞行高度的选择。

基于GRACE卫星数据和位错模型的2007年印尼明古鲁M_(W)8.4地震同震重力梯度信号对比分析

为评估基于GRACE重力卫星提供的时变重力场数据计算地震同震重力变化梯度的可行性,利用GRACE卫星数据计算得到2007年印尼明古鲁M_(W)8.4地震前后12个月的重力梯度变化值,使用黏弹性半空间层状位错模型正演计算得到同震重力梯度变化的理论值,并与GRACE重力卫星数据处理结果进行对比分析。结果表明:GRACE重力卫星数据处理结果与位错模型正演结果量级一致,但具体数值有差异;相关性分析表明随着距震中越近,两种方法得到的梯度变量相关性越高,在震中区域的相关性可高达90%以上。