基于冷原子干涉原理的机载绝对重力测量

重力场测量在地质勘查、灾害预报、测绘与导航等领域均具有重要的意义,其中,航空重力测量因全地域、快速、成本低等优势而被广泛应用[1-8]。目前,航空重力测量所采用的仪器均属于相对式重力仪[4,6-7],而冷原子航空绝对重力仪具有无漂移、高精度等优势[9-11],因此成为未来航空重力测量的重要发展方向,受到国际资源勘查与自主导航领域的高度关注。在国际上,目前只有法国实现了基于冷原子干涉的机载重力测量实验验证,国内尚未有相关实验研究报道[12-17]。

超导重力测量数据中地震事件的频域特征信息分析

超导重力仪观测数据精度可达0.1μGal(1μGal=10^(−8) m/s^(2)),是获取地震重力信号频域特征的重要依据。本文利用中国计量科学研究院iGrav-012超导重力仪观测数据,基于谱分析探究地震事件发生前后重力场扰动信号的优势频段随震级和震中距的变化特征。研究表明:4级以上远震中,震级和震中距对同震响应、震前和震后不同时窗超导重力数据优势频段的影响不显著。地震的发生对超导重力震前震后数据的频域成分有调制作用,即震前1小时和震后1小时时窗内PSD曲线的谱峰中心个数和谱峰中心频率会发生变化。同震期间超导重力数据PSD曲线的谱峰中心个数和谱峰中心频率无显著规律。这为高频次地球内部活动导致重力场变化信息的深度分析提供了新的认识,揭示了基于高精度超导重力数据频域特征分析实现地震孕育及发生过程动态监测的应用前景。

高精度海底重力测量在探测隐伏断裂中的应用

依托于山东省黄渤海海域高精度重力测量案例,系统性总结了高精度海底重力测量技术方法,并以牟平-即墨断裂、桃村断裂、海阳断裂、武宁断裂等陆域区域重大断裂为例,利用欧拉反褶积以及位场转换等数据处理方法,精确定位了断裂构造在海域的延伸展布位置,形成了高精度海底重力测量在探测隐伏断裂中的应用示范。结果表明:高精度海底重力测量方法可以有效提升浅海地球物理探测技术能力,为海洋基础地质研究、矿产资源勘查、重大工程建设等相关领域提供基础资料。

无基点海洋重力测量数据归算补救方法

针对海洋重力测量中可能出现基点信息缺失(也就是无有效基点信息,统称无基点)的一些特殊情况,在分析评估国际上近期发布的全球重力位模型和卫星测高重力模型的可靠性及有效性基础上,提出了利用前述两类模型作为海域重力场中长波控制基准,进而开展无基点海洋重力测量数据归算的补救方法研究,给出了数据归算的流程和步骤,分析评估了补救处理方法的适用条件和精度水平,使用海上实际观测数据对推荐的补救方法进行了有效性验证,证明将两类模型应用于无基点海洋重力测量数据补救处理是有效可行的。

论海岸带高精度重力测量中区—远一区地形改正计算

在重力地形改正理论公式的基础上,建立修正海水引力影响的海岸带重力地形改正公式,经计算,常见海岸带斜面地形下坡度角从1°增大至10°,修正后公式和规范公式的改值之差的极大值从0.074×10^(-5)m/s^(2)增大至7.387×10^(-5)m/s^(2),直接影响重力测量异常精度;并以地形相对复杂的东海南部海岸带及渤海海峡北隍城岛海域为例进行正演计算和分析,结果表明采用建立的地形改正公式进行改正可有效提高海岸带重力测量异常精度。

二等水准加密重力测量与数据处理

在青海省二等水准测量工作中,由于水准路线平均海拔高、高差大,大范围开展了加密重力测量工作。文章分析了二等水准路线上开展加密重力测量工作时的布点、观测以及数据处理方法,并尝试编写了加密重力测量数据处理程序,以期研究成果对其他地区开展加密重力测量工作提供借鉴参考。

珠峰高程测量峰顶重力测量仪的选型及改进

主要阐述了珠穆朗玛峰峰顶重力测量重力仪的选型、改进和野外试验。根据珠峰重力测量的环境条件和技术要求制定了仪器选型和参数指标要求,对备选相对重力仪的对应指标参数进行分析,决定采用Z2020相对重力仪。针对Z2020相对重力仪的具体参数和硬件实际情况,结合珠峰地区恶劣的自然环境,对其计数器传动系统、光学照明系统、测程调节系统、传动系统进行了改进,并进行了低温测试、野外性能试验。实验结果表明,改进后的Z2020相对重力仪满足峰顶重力测量的技术要求。珠穆朗玛峰峰顶重力测量实施结果表明:改进后的Z2020相对重力仪操作方便,性能稳定,成果可靠,提高了在珠穆朗玛峰峰顶重力测量实际环境中的适应性,确保了任务的技术要求和工程实现。

CHZII动基座重力仪及其与载体运动相关的误差分析和在海洋重力测量中的性能

动基座重力测量在大地测量和地球物理领域扮演重要角色。已有实践表明,基于陀螺稳定平台和精密机械重力敏感结构的动基座重力仪具有良好的抑制载体运动相关误差的能力。过去的几年里,一种新的基于二轴陀螺稳定平台和弹簧型轴对称重力敏感探头的动基座重力仪(CHZII)得以构建和试验。本文主要介绍了上述新式重力仪,分析了与载体相关的误差模型,并在实验室和海洋测量中对其性能进行了测试分析。试验表明,在工作状态下该系统的与载体运动相关的残余误差小于1mGal(~1×10^(-5)m/s^(2))。2016-2017年间,CHZII工程样机在海上进行了重复性测试及和KSS32重力仪的同船对比测试,表明该仪器的重力测量精度达到1.1mGal,符合设计预期。

基于车载原子干涉仪的野外流动重力测量

移动重力测量在计量学、地球科学及国防军事等领域有着广泛的应用需求。原子干涉重力仪在可移动高精度重力测量上具有良好的技术潜力,但目前仍很难兼具高集成度与高灵敏度。针对此问题,本文研制了一套基于原子干涉仪的车载重力测量系统,基于小型化、高度集成的仪器设计,实现了高精度的野外重力测量,室外测量灵敏度为520μGal/Hz、测量重复性优于20μGal。在长10 km、高程变化100 m的野外测线上开展了单点调试时间小于5 min、有效测量时间小于15 min的快速重力测量,并与LG-1相对重力仪进行比对。在一般性的野外测试环境下,2种重力仪的测量残差小于100μGal,车载绝对重力仪自身测量残差小于15μGal。因此,该车载重力测量系统极大地提高了野外重力测量效率,方便运输、随停随测、测量准确,为可移动重力测量领域提供了可靠的技术解决方案。

大别山金寨重力基线场混合重力测量试验与分析

在地震重力区域监测网数据处理过程中,相对重力仪的格值标定和基准控制通常采用本网内的绝对重力基准值,由于仪器格值和控制基准的影响相互耦合,难以定量分析格值、基准控制对测网数据平差处理的影响。文中基于大别山金寨重力基线场的混合重力测量数据,解耦了格值、基准控制的影响,获得了金寨重力基线场的初值。结果表明:金寨重力基线场可以满足安徽地震重力测网仪器标定的需求,对提升监测效率、节约经济成本具有重要意义,也可为其他基线场、地震重力区域监测网数据处理提供参考。

小波变换在船载海洋重力测量数据处理与分析中的应用

船载重力测量是获取海洋地球重力场的重要方法之一,为提高船载重力测量数据的精度,采用Db8小波和Haar小波两种小波变换方法,分别对添加了两种随机噪声的某海域重力测量数据进行降噪处理与分析。结果显示,经Db8小波处理的数据绝对精度分别提高了1.0242 mGal和9.2747 mGal,相对精度分别提高了71%和93%;采用Haar小波变换后,绝对精度分别提高了0.8044 mGal和9.1095 mGal,相对精度分别提高了56%和91%。两种小波变换方法处理后的数据均能够很好地保留数据基本变化趋势、为重力勘探判别物体提供判别依据。

基于二维激光多普勒测速仪的捷联式车载自主重力测量方法

传统的车载重力测量通常采用捷联惯导系统(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)/全球导航卫星定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)组合的方式,但是在如山谷、隧道以及高楼林立等特殊环境下,GNSS信号会受到遮挡,导致重力测量系统精度下降。针对特殊环境下传统车载重力测量方法精度下降的问题,提出了一种基于捷联惯导系统/二维激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter,LDV)组合的车载重力测量方式,分析了系统重力测量原理和误差模型,设计了滤波器方案,通过车载重力测量实验对系统精度进行了验证。实验针对丛林遮蔽的山地环境下完成了六条重复测线重力测量,同时比对SINS/GNSS组合重力测量系统的测量精度,其中SINS/GNSS组合系统的单条测线内符合精度最大为2.46 mGal,最小为1.03 mGal,总内符合精度为1.53 mGal;SINS/LDV组合系统的单条测线内符合精度最大为1.05 mGal,最小为0.47 mGal,总内符合精度为0.70 mGal,其总内符合精度相比于SINS/GNSS组合系统提高了约53%。车载重力测量实验证明了SINS/LDV组合重力测量系统在卫星信号拒止环境下的有效性。

海空重力测量技术进展

简要分析了现有三类重力测量技术手段整体发展状况及其特点,全面阐述了国际、国内海空重力测量技术的起步、发展与现状,综述了国内外主要海空重力仪的性能技术指标,介绍了国内海空重力测量系统研制与试验情况。

捷联式航空重力测量算法比较

捷联式航空重力测量系统与平台式系统相比具有体积小、重量轻、功耗低等许多优点,近些年来取得了显著的研究进展.本文给出了捷联式航空重力测量的两种算法模型:捷联式惯性标量重力测量(SISG)和旋转不变式标量重力测量(RISG)模型,并对其误差模型作了初步讨论.利用我国首套捷联式航空重力仪SGA-WZ01在某海域的部分试验数据,对两种算法模型进行了比较分析,表明其差值之标准差对于200s的滤波长度小于0.5mGal.同时,利用两组重复测线数据估算了不同滤波尺度下的两种算法的内符合精度,表明SISG算法略优于RISG算法.对于200s和300s的滤波长度,SISG的内符合精度分别为1.06mGal和0.80mGal.

基于SINS/USBL/DG的水下动态重力测量

水下重力信息在深水油气勘探和潜航器辅助导航中发挥着重要作用。多普勒测速仪(DVL)由于工作范围受限无法时刻输出有效的数据,若作为水下传感器用于重力测量会影响数据处理的可靠性和准确性。针对这一难题,提出了一种基于捷联式惯性导航系统(SINS)/超短基线定位系统(USBL)/深度计(DG)组合导航的水下动态重力测量方法。该方法无需利用外部高精度的速度观测就能实现动态重力测量,摆脱了水下动态重力测量对DVL的依赖,在某海域进行了水下动态重力测量试验以验证新方法的有效性。试验结果证明,重复线内符合精度可以达到1 mGal的水平。

我国绝对重力观测结果和重力测量精度

文内给出全国３６个点绝对重力观测结果。观测结果表明，在国家（１９８５）重力基本网的一些点上，其重力值与新测绝对重力值之间存在明显偏差。

冷原子干涉动态重力测量中的噪声与系统效应分析

采用灵敏度函数分析法对冷原子重力仪的噪声进行了分析,并基于各噪声对应的传递函数建立噪声传递模型,定量分析评估了振动噪声、拉曼光相位噪声和磁场噪声对重力测量灵敏度的影响。基于科里奥利力和稳定平台倾斜角等系统效应的修正公式,建立系统效应分析模型,定量分析评估了航向角偏差、速度偏差和纬度偏差对科里奥利力修正量的影响,以及倾斜角偏差对稳定平台倾角修正量的影响。仿真和部分实测数据表明,一方面,各噪声被限制到特定水平时,其对原子干涉灵敏度的影响仍可达μGal级;另一方面,1°的航向角偏差或0.1 m/s的速度偏差对科里奥利力修正量的影响可达1 mGal以上,1′的倾斜角偏差对稳定平台修正量的影响也可达0.42 mGal,说明噪声和系统效应的影响都是不容忽视的。因此,在动态条件下,冷原子重力仪必须进行噪声抑制和系统效应修正,才能获得预期的高灵敏度、高精度重力测量结果。

改进的函数滤波器及其在航空重力测量中的应用

本文构造了一种函数滤波器,该滤波器由一个参数化的高斯函数与一个尺度化的香农函数构成,可实现对时间序列的低通、带通和高通滤波处理。该滤波器的频率响应函数在滤波波段平坦且过渡带光滑。滤波器的截断频率与过渡带长度分别由香农函数的尺度参数和高斯函数的窗宽参数独立调节,这使得滤波器具有较好的设计灵活性,这也是本文的创新之处。由于滤波器是连续可导的,因此它可以适应于任意采样率序列的滤波,并且能够对原始时间序列进行求导滤波。模拟算例显示该滤波器具有很好的滤波准确度。应用该滤波器到航空重力测量数据滤波处理中,得到了分辨率7 km的航空重力测量结果。该滤波器使得滤波(低通、带通和高通)工作变得简明且高效。

微重力测量在城市地下空间探测应用研究

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。如何更好的实现城市地下空间“透明化”是人们直在探索的问题;传统的勘探方法可能会对原有环境造成破坏,难以在复杂的城市环境中开展;而地球物理勘探方法具有无损探测的特点,能够很好的获取城市地下精细结构信息。重力勘探是最常用且有效的地球物理勘探方法之.

基于冷原子重力仪的轨道移动绝对重力测量

绝对重力测量在铁路路基探测等领域发挥着重要作用,但大多数室外移动重力仪结构复杂或精度一般,可使用的范围有限。研制了一套轨道移动绝对重力测量系统,实现了高集成的系统结构设计、自动化的测试流程,开展了实验室及轨道环境下的绝对重力测量,测量结果可靠。首先,在实验室环境下重力测量灵敏度达到了440μGal⋅Hz^(-1/2),测量300 s的误差小于30μGal。其次,在炎热、嘈杂的室外轨道移动条件下,绝对重力测量不确定度优于15μGal,与相对重力仪(LG-1)的测量偏差优于40μGal。最后,轨道环境下的重力测量灵敏度达到707.9μGal⋅Hz^(-1/2)。所提出的轨道移动绝对重力测量系统可以在室外条件下进行快速重力测量,为铁路路基探测提供了新的仪器与解决方案。