航空重力梯度測量系統發展及現狀

張金煥,李曉斌

(1.中國地質大學 (北京)地球物理與信息技術學院,北京100083;2.煤炭科學研究總院,北京100013)

回顧100多年重力勘探的歷史走過的是一條“測量梯度—測量重力場—再測量梯度”的道路。目前測量重力場處于地面、海洋和航空并存的局面,傳統的靜態地面重力測量因地域、工作量等客觀因素制約,不僅效率低,而且局限于陸地上的部分地區;海洋重力測量是一種低動態的重力測量方法,且只能在海面工作;衛星重力測量開創了重力探測技術的新時代,但在中高分辨率重力測量中無能為力;而航空重力梯度測量代表了重力勘探領域的最新和最先進的技術。

隨著CPS動態定位技術的逐漸成熟,航空重力測量技術得到迅速發展,成為在區域范圍內獲取高精度、中高分辨率重力信息的有效手段,可以覆蓋衛星重力測量和地面重力測量之間的頻帶。航空重力測量是以飛機作為運載平臺,利用空重力儀 (或加速度計)可以快速測定近地空中重力加速度,對于獲取中高頻重力場信息具有不可替代的作用,具有快速、經濟、靈活和高精度等特點,幾乎可到達任何地區進行作業。鑒于航空重力梯度測量的高分辨率特點,它除了在精細地質勘探領域有著廣泛的應用前景以外,也能應用于軍事和國防現代化建設。

1 航空重力測量的基本原理

在經典力學中的慣性參考系中,根據牛頓第二定律,作用于單位質點上的總加速度矢量 fi(稱為比力)、載體運動加速度矢量¨ri和引力加速度矢量Gi之間的關系為:

按照引力加速度和慣性加速度的分離方法,航空重力測量分為航空重力梯度測量和航空重力測量。①重力梯度測量:將兩個共基線的加速度計的輸出求差,以共模方式消除載體運動加速度的影響,如果共用基線是旋轉穩定的,則由該差值觀測量可得到重力梯度分量。②航空重力測量:采用兩個不同的加速度測量系統,其中一個系統的輸出含有引力加速度,也就是測量的是比力,而另一個系統輸出的是不含引力的加速度,于是在同一個坐標系內對兩組加速度輸出進行求差,即可消除共有的載體運動加速度。剩下的差值中包含引力加速度和傳感器的系統誤差。

按照測量對象的不同,又可以將航空重力測量分為航空標量重力測量和航空矢量重力測量。航空標量重力測量只需要測量重力擾動矢量垂直分量的大小 (重力異常);航空矢量重力測量需要測量重力擾動矢量所有的三個分量。通常航空重力測量指的就是標量重力測量。

目前國際上航空重力測量、航空重力梯度測量均已進入實用階段。由于航空重力梯度測量對重力異常的高頻分量非常敏感,因此在資源勘探等領域具有廣闊的應用前景。但是,航空重力梯度測量技術屬西方國家限制出口的尖端技術,技術難度大,短期內難以掌握。因此,筆者著重討論航空重力標量測量系統的研究進展。

2 航空重力梯度測量儀器發展現狀

2.1 旋轉加速度計航空重力梯度儀

目前代表性的有兩種——Air-FTGTM 和FALCON。

全張量航空重力梯度測量Air-FTGTM系統:Bell Aerospace公司 (現并入Lockheed Martin公司)成功研制的FTG是源于1970年美國空軍的發展計劃,出于導航和導彈發射的需要美國空軍投入十億多美元。研制計劃正式始于1972年,Bell是從當時四個競爭對手中脫穎而出的,它的研制目的是進行全球重力場的測繪。于1987年5月成功進行了重力梯度的航空測量。隨著硬件和軟件的改進,精度在不斷提高。2002年研制成功全張量航空重力梯度儀,已經獲得了許多商業合同,截止到2004年已在北美和非洲等地采集了超過60,000km的重力梯度數據,還成功的應用于潛艇導航等其他軍事領域。另外,英國ARKeX公司將全張量重力梯度儀 (FTG)做了特殊改進形成FTGeX系統,并于2005年在北美測試后進行了首次商業運行。FTGeX系統類似于Bell GeoSpace公司的FTG技術,經改進適應一些特殊要求。

部分梯度張量航空重力梯度測量FALCON系統:目前已投入商業使用的還有澳大利亞BHP公司研制的部分梯度張量測量系統FALCON。該公司于20世紀80年代末引進美國Bell公司 GGI技術,經過十年的研究開發,研制成功FALCON航空重力梯度儀。于1999年正式投入使用,它測量時可同時附帶進行航磁和航放測量。FALCON已在澳大利亞、北美、南美和非洲共飛行了28萬測線km,目的是普查油氣和各種其他礦產資源,取得了良好的效果。FALCON是美國出口管制產品。

2.2 航空超導重力梯度儀 (SGG)

M aryland大學超導重力梯度儀:超導重力梯度儀研制的權威機構為美國的M aryland大學物理系,該大學長期以來一直從事重力梯度儀的開發和研究,并取得了許多有價值的研究成果。20世紀80年代初 Maryland大學研制出了靈敏度為0.3～0.7E/的單軸超導重力梯度儀實驗室樣機。2002年M aryland大學已經研制出單軸超導重力梯度儀實驗室樣機并進行了試驗,其靈敏度提高到了0.02E/,比常溫下重力梯度儀提高3個數量級,目前馬里蘭大學在研的Ⅲ型超導重力梯度儀預期的靈敏度為10～4E/。

英國 ARKeX公司超導重力梯度儀:英國ARKeX公司是由著名的英國牛津儀器公司和另一家地球物理公司的一些人員新組成的一家以生產重力梯度儀為主的新企業。牛津儀器公司為歐洲航天局設計制造超導重力梯度儀,但未按期完成任務,因而未能用在衛星上。2004年3月歐洲航天局繼續資助該項目。該公司改進的新一代航空重力梯度儀具有卓越的穩定性、低噪聲和高分辨率等性能。公司在航空重力梯度儀方面的研究取得了突破性的進展,公司的最終目標是生產經營世界上首臺超導勘探重力梯度儀 EGG(Exp loration Gravity Gradiometer)。EGG的設計可放六個加速度計模塊,用來測量全部的梯度張量分量,但第一臺EGG只用了兩個加速度計模塊,只測量Γzz。該儀器計劃在2006年第3季度進行商業勘探。用改進后的 EGG系統進行試驗,其靈敏度、分辨率和穩定性空前卓越,適應了動態航空重力勘探環境。其設計指標為:靈敏度1E/,帶寬為200m～60km。EGG的組成包括:1296個超導接頭,94個超導變壓器,151個熱開關,60個超導鍍錫卷板,14個SQU IDs,2個鈮檢測質量,1個低溫恒溫器,總重量為500kg。

澳大利亞西澳大學 (UWA)超導重力梯度儀:澳大利亞西澳大學 (UWA)研制的低溫超導重力梯度儀是針對資源勘探而按照適宜帶寬設計的。該重力梯度儀主要依靠低溫和超導技術,安裝在輕型飛機上,專用于低空(100m)飛行測量。它主要用于動基座低空范圍內的地質勘探,特別針對礦藏資源的勘探。這種重力場測量技術在很大程度上克服了傳統重力計測量重力的限制,可以直接測量重力場的梯度變化(而不僅僅是重力值)。這種信號盡管十分微弱但卻蘊涵了豐富的地下信息,因此這種儀器無論是應用前景還是技術難點都將是非常巨大的。

加拿大 GEDEX公司超導重力梯度儀:加拿大GEDEX公司開發的AGG-OQR重力梯度儀是綜合采用了M aryland大學、UWA大學和加拿大空間公司的技術,也將于近期投入商業運營。

2.3 其他航空重力梯度儀

美、俄等國的科學家還在積極研究多種重力梯度測量方案。80年代后期俄羅斯專家研制出了精度為0.1E的旋轉加速度計重力梯度儀實驗室樣機。此外利用原子干涉現象測量重力的方案特別值得注意。諾貝爾物理學獎 (1997)獲得者、美籍華裔物理學家朱棣文領導的小組,利用原子噴泉構成的原子干涉儀來測量g,測定g的分辨率己達到△g/g=10～10,即可分辨0.1μGal的重力變化。美國許多科學家正在努力使這種測量重力的設備小型化,并構成梯度裝置使之適合在運動平臺上進行觀測。

表1為航空重力梯度測量系統一覽情況。

表1 航空重力梯度測量系統一覽

3 國內航空重力測量發展現狀

由總參西安測繪研究所等單位承擔的我國首臺航空重力測量系統CHAGS(Chinese -airbo rne gravimeter system)的研究始于 1995年,引進LCR(Lacoste&Rom berg) Ⅱ型航空重力儀(L&R126),自行研發了航空重力數據處理軟件,并于2002年11月通過鑒定,歷時7年。2002年3～4月CHAGS航空重力測量系統在山西大同地區進行了3次飛行試驗,飛行高度2800～3400m、飛行速度400km/h,測線間距5～10km,測定山區平均重力異常的內符合精度為3.32m Gal,異常半波長分辨率為10km。與地面重力測量數據的對比,外符合精度優于5m Gal。目前該系統已經基本可以滿足大地水準面測量等應用的要求,但是還不能達到地質調查、資源勘探等高精度、高分辨應用的要求。

到目前為止,國內發展起來的航空重力測量主要依靠的是進口的方式。而用于地球物理勘探的航空重力測量技術還處于起步階段,許多技術問題亟待解決。最主要的是航空重力儀制造相關技術,難度較大,需國內相關各方協作,爭取早日獲得突破。在航空重力梯度測量儀器方面,國內相關研究基本尚處于空白領域。

4 航空重力梯度儀需解決的關鍵技術

由于重力信號很微弱,就對傳感器、信號轉換、信號放大,以及環境噪聲隔離、加速度計溫度控制等現有技術水平提出嚴峻的挑戰,許多因素都應予以考慮。

1)加速度計性能的影響。加速度計是系統中的核心關鍵部件之一,其性能的重要性是不言而喻的。被測信號的微弱性決定了所使用的加速度計必須具有更高的性能要求,如誤差模型需要更加精確化,其動態誤差系數要可測,并能夠快速補償;加速度計的熱噪聲需保持在一個相當低的水平,否則會嚴重影響測量精度;多個加速度計標度因數的匹配也是一個有待解決的問題。

2)平臺性能的影響。穩定平臺是能否有效適應航空環境的關鍵,平臺的加工、安裝定位精度對重力梯度儀系統是至關重要的。但是由于受到現有加工水平等因素的影響,要求從其他方面想方法來加強對平臺的運動、振動和溫度等的控制,力圖減小平臺對系統整體性能的影響。同時三個平臺的穩定同步旋轉也是一個比較大的難點。

3)安裝誤差的影響。重力梯度儀是非常精密的儀器,任何微小的安裝誤差都可能其對性能造成嚴重的影響,其中需要重點關注的安裝誤差主要包括:平臺的安裝定位誤差;加速度計角度安裝誤差;加速度計徑向安裝誤差。需要探索研究新型的安裝定位方法以保證系統精度。

4)電磁干擾和屏蔽技術。系統中有用的信號主要是二倍頻信號,可以采用數字濾波技術來去除噪聲干擾等,但同時由于重力梯度信號非常微弱,外界的電磁信號對系統的影響也就不可忽視,需要采用電磁屏蔽措施對系統加以防護,使系統具有較高的電磁兼容性。

5)高速采集和處理。加速度計的輸出信號比較小,要抑制線加速度和角加速度的共模干擾,則必須實現多個加速度計的并行、高速和高精度數據采集。要將系統用于機載實時系統中進行系統誤差修正,則系統必須實時解算重力梯度和重力向量值,同時換算出重力異常和垂線偏差,這些都要求旋轉加速度計重力梯度儀系統中必須采用高速的專用計算機進行數據的采集和處理。有效的相關方法的研究也是很重要的。

航空重力梯度儀具有極高的研究和應用價值,現實應用還是有難度的,需要在加大基礎理論研究力度,加強先進數據處理算法、解算方法和其他相關應用程序等研究的基礎上,在各個環節上都求尖求精。

5 總結

正在使用和處于研制階段的重力梯度儀有20余種,針對航空應用的還不多,如果關鍵技術問題得到解決,航空重力梯度儀就發揮出其無法比擬的優勢。在這方面,我們又走在了部分西方國家的后面,那么買進一臺相應的設備就更是困難,而且價格肯定驚人。從各個方面講,目前緊迫和最有效的方法就是集中資金和力量搞自主研發,盡快掌握這門我國急需的有用技術。

此外,開展地球重力梯度的研究,歷來是大地測量學的熱點和難點之一,因為它不但反映地球表層及內部的密度分布和物質運動狀態,而且在地下資源勘探、海洋、軍事應用和環境科學等領域中有著重要的應用。傳統的測量方法,需要消耗大量的時間和人力,而且不能滿足諸多實時系統的要求,性能也不佳。比較而言,航空重力梯度測量儀器省時省力,可以同時測量重力梯度的各個分量,進而獲得準確的重力值和垂線偏差,還可以應用于實時場合進行相關測量與誤差補償,具有廣闊的研究價值和應用前景。

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