CG型重力儀性能對比分析

鄧友茂 王振亮 孫誠業

1 中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北省廊坊市金光道84號，065000 2 國家現代地質勘查工程技術研究中心，河北省廊坊市金光道84號，065000

CG-6型和CG-5型陸地相對重力儀核心部件均采用無靜電整體熔凝石英彈簧傳感器。CG-6型重力儀繼承了CG-5型重力儀固體潮改正、傾斜改正、零漂改正、溫度改正和自動濾波等優點；延續并改進了無靜電整體熔凝石英彈簧傳感器的制作工藝，使其絕對零漂率(在未進行軟件零漂改正的情況下)從1 000 μGal/d提高到200 μGal/d，有效提高了儀器的使用壽命；數據采樣頻率從6 Hz提高到10 Hz，大大增加了數據信息量；重量由8 kg減少到5.2 kg，高度由30 cm降低到21.5 cm，有效提高了儀器的便攜性和抗風能力；讀數分辨率由1 μGal提高到0.1 μGal；同時優化了CG-5型重力儀的操作界面，按鍵從27個減少至5個(最新引進的CG-6型重力儀新增加了F1鍵、F2鍵、返回鍵和主頁鍵，共9個鍵)，操作更簡潔[1-4]。

要獲得高精度的重力數據，儀器的選擇是關鍵。本文對CG型重力儀進行靜態穩定性和動態穩定性的對比分析，以便更好地了解CG-5型和CG-6型重力儀各方面的性能，為高精度相對重力儀器的選擇提供科學依據。

1 靜態穩定性

1.1 靜態試驗

重力儀靜態試驗是指儀器在靜止狀態下，觀測數據隨時間的變化情況。對CG型重力儀進行靜態試驗不僅能了解儀器靜態零點漂移是否呈線性變化(在靜止狀態下零點位移大小和線性程度)[5]，而且還能了解儀器在數據采集過程中的抗干擾能力。

將6臺CG型重力儀(3臺CG-5和3臺CG-6)同時置于穩固場所，通電調平穩定后，設置為固體潮改正、傾斜改正和自動濾波模式，數據采樣時間為60 s，延遲5 s，連續觀測時間大于24 h。

1.2 靜態零漂曲線擬合

對CG型重力儀靜態穩定性進行對比分析可知：1)CG型重力儀靜態零漂曲線都具有良好的線性；2)CG型重力儀靜態曲線擬合中誤差一般小于3 μGal，最大擬合差小于5 μGal；3)CG型重力儀靜態曲線擬合中誤差大小與靜態曲線零漂率大小沒有必然聯系，如CG-5-1194重力儀靜態零漂率為12.11 μGal/h，擬合中誤差為1.4 μGal，而CG-6-0053重力儀靜態零漂率為1.542 μGal/h，擬合中誤差為2.1 μGal。

圖1 CG型重力儀靜態零漂曲線及擬合殘差Fig.1 Static zero drift curve and fitting residual of CG gravimeters

表1 CG型重力儀靜態零漂曲線穩定性特征

2 動態穩定性

2.1 動態試驗

重力儀動態試驗是觀測儀器在一定時間范圍內(一般10 h)相鄰2點(或多點)間的動態觀測精度，用來了解重力儀動態混合零點漂移的速率(位移大小和線性程度)[5]。

對上述6臺已完成靜態試驗的CG型重力儀進行動態試驗，試驗地點選擇在北京靈山國家重力格值場上的10個格值點，格值點最大段差約為130 mGal。采用雙程往返觀測法，相鄰兩點間觀測時間間隔一般不大于20 min，儀器設置為固體潮改正、傾斜改正和自動濾波模式。試驗時間為3 d共3個測回，每天試驗時間不小于10 h,試驗環境、觀測時間和儀器設置均保持一致。動態試驗結束后，計算CG型重力儀3 d的動態精度(表2)。

表2 CG型重力儀動態精度

從表2可以看出：1)CG重力儀的動態精度普遍較高；2)CG-6型重力儀的動態精度一般優于CG-5型重力儀；3)3 d試驗時間范圍內，同等條件下CG型重力儀的動態精度會有一定波動。

2.2 動態零漂

相對重力儀在進行重力值計算時，首先是對測量數據進行零漂改正，假定基點的動態零漂率在整個測量過程中是不變的。但分析CG型重力儀3 d的動態試驗數據發現，重力儀每天的動態零漂率并不是恒定的，動態零漂率變化越小，儀器的動態精度就越高，儀器就越穩定。利用CG型重力儀動態試驗過程中往返同一格值點時的觀測數據和間隔時間，計算儀器在該格值點往返時間間隔內的動態零漂率(表3和表4，單位μGal/h),并繪制動態零漂率曲線(圖2)。

表3 CG-5型重力儀動態零漂率

表4 CG-6型重力儀動態零漂率

除去重力儀在10號點上的動態零漂數據(由于10號點上的觀測時間間隔只有20 min，從而放大了儀器的動態零漂率)，從CG型重力儀動態零漂率表(表3和表4)和動態零漂率曲線及誤差圖(圖2)中可以看出：1)CG-5型重力儀的動態零漂率明顯大于CG-6型重力儀；2)CG-5型重力儀在格值點上的動態零漂率有正有負，且變化較大；3)CG-6型重力儀在各格值點上的動態零漂率基本都是恒定的。

從上面的統計分析可以看出，CG型重力儀的動態零漂率并不是恒定的，所以在計算儀器動態精度時，一次動態試驗的結果并不能完全代表該儀器的動態性能，采用3次動態精度平均能較好地評價儀器的動態穩定性。

圖2 CG型重力儀動態零漂率及誤差Fig.2 CG gravimeters dynamic zero drift rate and error

3 結 語

CG-6型重力儀是在CG-5型重力儀基礎上研發升級的全測程陸地相對重力儀，其繼承了CG-5型重力儀的許多優點，同時降低了儀器的體積和重量，簡化了操作界面。CG-6型重力儀作為CG-5型重力儀的替代升級產品，已逐漸應用于我國高精度重力測量工作。對6臺CG型重力儀靜態穩定性和動態穩定性的對比分析表明，CG-6型重力儀擁有CG-5型重力儀的靜態穩定性特征，但也存在個性差異，特別在儀器濾波和抗干擾性能方面；CG-6型重力儀的動態精度和動態零漂率明顯優于CG-5型重力儀。