重力儀零點(diǎn)位移

定義

重力儀零點(diǎn)位移[drift gravimeter ]：又稱“零點(diǎn)掉格”。在客觀條件完全相同的情況下，重力儀經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后再重新回到某點(diǎn)讀數(shù)時(shí)，出現(xiàn)讀數(shù)差的現(xiàn)象稱為重力儀零點(diǎn)位移。它的大小及其規(guī)律取決于儀器制造時(shí)的工藝水平和操作者的精心程度。產(chǎn)生零點(diǎn)位移的原因主要是儀器靈敏系統(tǒng)彈簧的永久形變、溫度變化以及儀器各部件連結(jié)點(diǎn)有規(guī)律的移動(dòng)等。

重力觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理中消除重力儀零點(diǎn)位移對(duì)觀測(cè)重力值影響的計(jì)算過(guò)程。重力儀在同一測(cè)點(diǎn)上不同時(shí)間的觀測(cè)值（消除重力固體潮影響后）發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為重力儀零點(diǎn)位移，簡(jiǎn)稱零漂。產(chǎn)生零漂的主要原因是儀器彈性元件因彈性疲勞而產(chǎn)生的蠕變，這種影響與時(shí)間大致呈線性關(guān)系。外界因素，尤其是溫度對(duì)重力儀的影響（或重力儀溫度補(bǔ)償不完全）往往也混在其中，習(xí)慣上稱其為混合零點(diǎn)位移。

1

圖1 單次觀測(cè)

野外觀測(cè)中，要根據(jù)儀器混合零點(diǎn)位移的大小、規(guī)律和設(shè)計(jì)精度要求采用相應(yīng)的觀測(cè)方法和校正計(jì)算方法。在普通點(diǎn)觀測(cè)中，一般采用單次觀測(cè)，儀器的零點(diǎn)位移可視為線性（圖1），相應(yīng)的校正值計(jì)算公式為

式中：δg_零為校正值；為校正系數(shù)（此處Δg′_BA為普通點(diǎn)觀測(cè)時(shí)B點(diǎn)與A點(diǎn)的觀測(cè)重力差，Δg_BA為基點(diǎn)B與基點(diǎn)A的已知重力差）；t_A、t_B與t_i分別為在A、B和第i測(cè)點(diǎn)上的觀測(cè)時(shí)間。

1

圖2 重復(fù)觀測(cè)

在基點(diǎn)網(wǎng)測(cè)量中，一般采用重復(fù)觀測(cè)的方式。圖2a為往返重復(fù)觀測(cè)，圖2b為三程循環(huán)重復(fù)觀測(cè)。往返重復(fù)觀測(cè)的零點(diǎn)位移校正計(jì)算公式為

式中：為校正系數(shù)（此處Δg_i為第i點(diǎn)前后兩次觀測(cè)值之差，Δ_i為第i點(diǎn)前后兩次觀測(cè)時(shí)間差，n為重復(fù)觀測(cè)點(diǎn)數(shù)）。在三程循環(huán)重復(fù)觀測(cè)情況下，可采用下式直接計(jì)算經(jīng)零點(diǎn)位移校正后的B、A兩點(diǎn)間的重力差2100433B

零漂改正研究背景

眾所周知，地面相對(duì)重力儀的核心測(cè)量單元彈性元件(彈簧)均存在零點(diǎn)漂移，這是重力測(cè)量中不可避免的現(xiàn)象。他受溫度、氣壓、電磁力、彈性元件蠕變和彈性疲勞等不穩(wěn)定因素的影響，消除零漂保證重力儀的測(cè)量精度是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。為了使彈簧減少非線性移動(dòng)和降低漂移率，主要采取的措施：一方面研制和選用高質(zhì)量的彈簧，提高重力儀整體制造的工藝水平；另一方面采用恒溫和自動(dòng)溫度補(bǔ)償裝置，提供穩(wěn)定的內(nèi)在測(cè)量環(huán)境。通過(guò)這些改進(jìn)，使彈簧的零漂變小并努力做到使它與時(shí)間保持線性關(guān)系，就可以使用前、后校數(shù)據(jù)對(duì)中間的測(cè)量數(shù)據(jù)做零漂校正，最后實(shí)現(xiàn)提高重力儀的測(cè)量精度水平。GT航空重力儀結(jié)構(gòu)、重力傳感器設(shè)計(jì)以及測(cè)量實(shí)現(xiàn)過(guò)程雖然不同，但航空重力儀的敏感單元與彈簧類似，同樣也存在這種零漂現(xiàn)象。我國(guó)資源型航空重力測(cè)量使用的是引進(jìn)俄羅斯GT-1A航空重力儀，但由于GT-1A航空重力儀量程小、抗顛簸能力差等原因，造成飛行生產(chǎn)效率低下。中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心通過(guò)與GT公司合作，將現(xiàn)有的GT-1A型升級(jí)到GT-2A型，升級(jí)后的航空重力儀具有更大的動(dòng)態(tài)范圍(±1g)和更低的噪聲水平。GT航空重力儀均設(shè)計(jì)了二級(jí)溫控系統(tǒng)，溫控精度不大于0．01°C，重力傳感器處在一個(gè)精度更高的恒溫環(huán)境中，24h漂移不大于5mGal/day。GT航空重力儀通過(guò)重力傳感器精密設(shè)計(jì)和高精度溫控系統(tǒng)的使用，控制了傳感器大部分的非線性漂移，使通用零漂改正方法在航空重力測(cè)量中變得可行。

航空重力儀內(nèi)部溫控精度雖然很高，但是傳感器單元受外界環(huán)境溫度變化還是比較敏感，尤其在夏、冬兩季，外界極端的高、低溫度和劇烈的溫差變化下，溫控溫度發(fā)生細(xì)微的變化，就會(huì)連鎖反應(yīng)到重力傳感器敏感元件的測(cè)量中。發(fā)現(xiàn)這種重力值變化與外界溫度以及儀器內(nèi)部多級(jí)溫控之間都存在一定的規(guī)律。筆者對(duì)傳感器靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行固體潮改正和零漂改正后，使用一元線性回歸方法對(duì)初步改正過(guò)的靜態(tài)數(shù)據(jù)和儀器溫控?cái)?shù)據(jù)建立回歸方程進(jìn)行處理。這種方法研究了傳感器測(cè)量值和溫度之間的關(guān)系，提高了處理航空重力儀靜態(tài)數(shù)據(jù)的精度水平。筆者探討了影響傳感器測(cè)量精度的關(guān)鍵因素并改進(jìn)了零漂改正方法，對(duì)下一步實(shí)際應(yīng)用擬合方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量中的零漂改正建模研究，具有很好的借鑒意義。

零漂改正最小二乘零漂改正

靜態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)固體潮改正后，數(shù)據(jù)零漂特征幾乎沒(méi)有被改變，為了與儀器腔體內(nèi)的溫度做相關(guān)性分析，還需要去除零漂現(xiàn)象。此處的零漂改正方法使用常規(guī)公式，根據(jù)i和j已知點(diǎn)，推算n=1，2，…，N，所有點(diǎn)的零漂改正值，公式如下:

如果直接進(jìn)行首、尾點(diǎn)零漂改正的精度為0.42 mGal，改正后也會(huì)使首、尾數(shù)據(jù)點(diǎn)相等而拉成水平走勢(shì)。使用最小二乘零漂改正的精度略有改善，但這不是主要的，最終目的是為了使這組數(shù)據(jù)與儀器腔體溫度變化呈現(xiàn)出更好的一致性。假如靜態(tài)數(shù)據(jù)做完固體潮改正后，與溫度走勢(shì)吻合度較好，也可以跳過(guò)最小二乘零漂改正這一步。

零漂改正研究結(jié)論

筆者采用相關(guān)性分析方法對(duì)航空重力儀靜態(tài)數(shù)據(jù)中的擾動(dòng)量與儀器腔體內(nèi)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，獲得兩者之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，并建立了合理可靠的回歸方程，最終改正后的重力靜態(tài)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差精度有了很大的提高。這對(duì)深入理解傳感器零漂改正處理方法和應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)中的零漂改正預(yù)測(cè)研究具有實(shí)際意義。

航空重力儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際的測(cè)量環(huán)境也是變化無(wú)常。一方面二級(jí)溫控系統(tǒng)控制了傳感器大部分的非線性漂移，但也不排除偶發(fā)的非線性突變現(xiàn)象；另一方面，重力傳感器的零漂現(xiàn)象不僅受溫度影響，還可能受氣壓、機(jī)載振動(dòng)等因素的干擾。如何建立一個(gè)更加合理的多元線性回歸模型或者非線性回歸模型，還有待于進(jìn)一步開(kāi)展深入研究。 2100433B

零點(diǎn)誤差是指在參比工作條件下，儀表示數(shù)誤差的一種表現(xiàn)形式。比如一個(gè)電流表，零點(diǎn)沒(méi)有校準(zhǔn)，就是不通電時(shí)，它的指針就不指零。當(dāng)通電時(shí)再去測(cè)電流當(dāng)然會(huì)有誤差，這樣的誤差就是零點(diǎn)誤差。