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航空重力梯度测量

时间:2022-01-26 历史故事 版权反馈
【摘要】:为此,需安装多台重力仪,构成梯度装置,两台重力仪配成一对,测量某一方向上的重力之差。随着冷战的结束和其他技术的发展,美国军方将重力梯度测量技术部分解密,转为民用。
航空重力梯度测量_重磁与时间域电磁

9.4 航空重力梯度测量

9.4.1 概述

由于DGPS的应用,航空重力测量技术向前迈进了一大步,但是还不能很好地满足勘探地球物理学提出的要求。如果要进一步提高航空重力测量的精度和空间分辨力,对定位系统有很苛刻的要求,而目前以至在可以预见的将来,很难达到这种要求。关于这个问题,Asten博士做过详细的论证[29]

在上一小节里,我们介绍了一种消除活动平台影响的方法,即应用精密的定位系统测出运动平台的加速度,然后从重力仪的测量结果中减去这个加速度。除此之外,还有另一种解决方案,就是采用梯度测量的方式。为此,需安装多台重力仪,构成梯度装置,两台重力仪配成一对,测量某一方向上的重力之差。由于运动平台的加速度对这两台重力仪的影响是相等的,因此“重力之差”就没有运动平台的影响,或者可以减少这种影响。由此测出重力的梯度,经过合适的滤波处理,进而恢复(导出)重力场。

目前各国都在积极研究重力梯度测量技术,下面我们较详细地介绍比较成熟、已投入使用的两个系统。

重力测量技术和重力场的分布,对于惯性导航、卫星和导弹的发射十分重要。特别是对水下潜艇的“沉默”导航(自主导航)十分重要。因此,美国海军和空军从20世纪70年代起投入了数以亿计的巨资,研究和开发重力梯度测量技术,研制成了十分精密的测量重力梯度的装置,装备三叉戟核潜艇。随着冷战的结束和其他技术的发展,美国军方将重力梯度测量技术部分解密,转为民用。DGPS、INS以及精密的重力梯度测量技术,加上先进的数据处理技术,为新一轮重力测量技术和重力梯度测量技术的研究、开发和应用提供了坚实的技术基础,形成了一股研究热潮[30]

重力位的一次导数构成重力加速度g,可写成:

g=[aU/ax aU/ay aU/az]

重力仪测量垂直分量Gz:Gz=aU/az

重力矢量的梯度是一个张量,可写成

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也可写成

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在无源空间内,引力的散度和旋度均等于零,因此这是一个对称张量,有Gxy=Gyx,Gyz=Gzy,Gxz=Gzx,还有Gxx+Gyy+Gzz=0。可见这个张量只有五个独立的元素。参见图94,图中用金色箭头表示重力加速度矢量G的三个分量Gx、Gy、Gz,用红色箭头表示张量要素。九个张量要素Tij归结为矩阵形式。用不同的颜色识别五个独立的张量要素,Txy、Txz、Tyz和三个要素Txx、Tyy、Tzz中的任何两个,注意黄色的Tyz、Tzy不太明显。重力仪只是测量总场的大小(差值)。

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图9-4 重力梯度张量

在数据解释工作中,常用到Gzz,Gzz与Gz在形态上最相似。举一个例子,可以得到数量级的概念。一个埋藏不深的铁矿在地表产生几个mgal的重力异常,则在地表上大约有几百E9t的梯度异常。如果在100m高度上做航空梯度测量,大约可测得几十E9t的梯度异常,异常的半波长大约为200m,参考图9-5。

9.4.2 部分梯度张量测量系统FALCON?

目前已投入商业飞行的有两种航空重力梯度测量系统,即澳大利亚BHP Billiton Innovation Pty Ltd.公司的部分梯度张量测量系统FALCON?和美国Bell Aerospace公司(现并入Lockheed Martin公司)的全部张量梯度测量系统AirFTGTM,这两种系统都脱胎于美国的军事技术,是美国出口管制产品,最近美国阻止一家澳大利亚公司用FALCON?在中国进行探矿飞行。这两种航空重力梯度仪的精度为5~10厄缶(用E表示,在有的文献中记作E9或E9t,1E=1×109/s2=1mgal/(10km)=0.1μgal/m=1nm/s2·m1),空间分辨力为0.5~1km[31~32]。

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图9-5 Gzz与Gz曲线对比

部分梯度张量测量系统FALCON?不能测量张量的全部五个独立的元素,例如只能测量两个,因此称为部分梯度张量测量(partial tensor gravity gradiometry)系统。

1975—1990年,美国Bell Aerospace公司(现并入Lockheed Martin公司)研制成了重力梯度仪GGI(Gravity Gradient Instrument,GGI),装在潜艇中作导航用,后来装在船上普查油气。澳大利亚BHP Billiton公司引进这项技术,经过近十年的细致、踏实的试验研究工作,研制成功了FALCON航空重力梯度仪,于1999年正式投入使用。FALCON?是BHP Billiton Innovation Pty Ltd.公司的注册商标,英文falcon是猎鹰、隼的意思。第一套FALCON?命名为Einstein(1999),以后又陆续制造了三套,分别命名为Newton(2000)、Galileo(2002)和Feynman(2004)。费(因)曼(Feynman,19181988年)是美国物理学家,1965年与另外两位物理学家因在量子电动力学方面取得对粒子物理学具有深刻影响的基础性研究成果而获得诺贝尔物理学奖。几年来,FALCON?已在澳大利亚、北美、南美和非洲共飞行了28×104测线公里,普查油气和各种矿产,效果良好。

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图9-6 重力梯度仪器(GGI)示意图[33]

(加速度计敏感轴以箭头表示)

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GGI的核心部件是一个加速度计装置,四个加速度计等间距地安放在一个圆盘的边缘上,加速度计的敏感轴与圆周相切(图96),圆盘以角速度ω(rad/s)绕垂直轴旋转,四个加速度计分成两对,在一条直径上的是一对,这对加速度计安装定向要精确,灵敏度和频率响应要匹配,就是说要很好地配对(matched)。它们感受运动平台的加速度大小相等、方向相反,因而互相抵消,这就是所谓的共态抑制(common mode rejection)。在理想情况下,加速度装置的输出是式中:ρ是装置的半径,t是时间,而G=agi是重力矢量i分量对j方向的导数[33]

ijaj从式(9.3)可以看出,这个装置可以测得Gxy,(GxxGyy)/2。为了消除干扰,加速度装置要安装在一个性能优良的稳定平台上。

要得到Gzz和其他元素,必须进行面积性测量,然后换算。关于FALCON?的性能,我们将在论述AirFTGTM时一并说明。

9.4.3 全部张量梯度测量系统AirFTGTM

1998年美国Bell Geospace公司从军方得到用于潜艇导航的重力梯度测量技术,先把这种全部张量梯度测量(full tensor gravity gradiometry,FTG)系统搬到船上,在墨西哥湾和欧洲西北海区进行了一些海上普查油气工作。2002年,该公司将FTG系统进行改装,构成AirFTGTM进行航空测量,到目前为止,在北美和非洲完成了6×104测线公里的航空重力梯度测量工作。该公司拥有两套FTG系统,这两套FTG系统既可用在船上,也可用在飞机上。

在前面我们已提到FALCON?有一套GGI,与FALCON?不同,FTG有三套GGI,安装在由陀螺仪稳定的平台上,可以测量全部五个独立的重力梯度张量元素。平台上另装有一台先进的重力测量组(合)件,可以测量总重力场[34]。三个GGI的轴线互相垂直,每条轴线与铅垂线以同样的角度相交,从上往下看,三条轴线的投影相隔120°,见图97和图98。

三个GGI以恒定的速度绕各自的垂直轴旋转。图98中的Txx即Gxx,余下类推。每一个GGI的测量结果分解为旋转盘平面上两个梯度(项)。在外部坐标轴上(x,y,z)的张量元素,由六个输出的线性组合给出,在一条测线上即可获得五个独立的元素。

两个航空重力梯度测量系统FALCON?和AirFTGTM先后问世,它们的性能如何?最近在非洲博茨瓦纳南部进行了对比试验。试验区面积40km2,试验区内有详细的地面重力数据,分布着七个金伯利岩体。用每一个系统飞行两次,两次飞行结果有相当大的差别。把地面重力数据经过低通滤波再向上延拓的结果与航测数据进行对比,可以确定噪声水平的上限。经过低通滤波(400m)的FALCON?数据,垂直重力梯度噪声的标准偏差为8.1E9;经过低通滤波(700m)的AirFTGTM数据,垂直重力梯度噪声的标准偏差为7.1E9。地面和航空数据组都减去一个一次趋势面之后,对于两个系统而言,地面和航空垂直重力数据的标准偏差均为0.22mgal。两个系统都可反映最大的金伯利岩体,对于小的金伯利岩体则无明显反映。可见两个系统的性能水平不相上下[36]

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图9-7 GGI的布置图[35]

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图9-8 全部张量梯度测量示意图[35]

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