CG型重力仪性能对比分析

引用本文

邓友茂, 王振亮, 孙诚业. CG型重力仪性能对比分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2021, 41(4): 432-435.

DENG You-mao, WANG Zhen-liang, SUN Cheng-ye. Comparative Analysis of the CG Gravimeters Performance[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2021, 41(4): 432-435.

项目来源

中国地质调查局项目(DD20190032, DD20190030, DD20190556)。

Foundation support

Project of China Geological Survey, No.DD20190032, DD20190030, DD20190556.

第一作者简介

邓友茂, 高级工程师, 主要从事重磁数据处理和分析研究, E-mail: dengyoumao@igge.cn。

About the first author

DENG Youmao, senior engineer, majors in gravity and magnetic data processing and analysis, E-mail: dengyoumao@igge.cn.

文章历史

收稿日期：2020-06-29

Contents Abstract Full text Figures/Tables PDF

CG型重力仪性能对比分析

邓友茂^1,2 王振亮^1,2 孙诚业^1,2

1. 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 河北省廊坊市;
2. 国家现代地质勘查工程技术研究中心, 河北省廊坊市金光道84 号, 065000

收稿日期：2020-06-29

项目来源：中国地质调查局项目(DD20190032, DD20190030, DD20190556)。

第一作者简介：邓友茂, 高级工程师, 主要从事重磁数据处理和分析研究, E-mail: dengyoumao@igge.cn。

摘要：对6台CG型重力仪分别进行静态和动态稳定性试验, 结果表明, CG-6型重力仪继承了CG-5型重力仪的静态稳定性优点, 静态曲线拟合成直线的拟合中误差小于3μGal, 最大拟合差小于5μGal; CG-6型重力仪动态精度和动态零漂率明显优于CG-5型重力仪。

关键词：CG型重力仪；静态稳定性；动态稳定性

CG-6型和CG-5型陆地相对重力仪核心部件均采用无静电整体熔凝石英弹簧传感器。CG-6型重力仪继承了CG-5型重力仪固体潮改正、倾斜改正、零漂改正、温度改正和自动滤波等优点；延续并改进了无静电整体熔凝石英弹簧传感器的制作工艺，使其绝对零漂率(在未进行软件零漂改正的情况下)从1 000 μGal/d提高到200 μGal/d, 有效提高了仪器的使用寿命；数据采样频率从6 Hz提高到10 Hz, 大大增加了数据信息量；重量由8 kg减少到5.2 kg, 高度由30 cm降低到21.5 cm, 有效提高了仪器的便携性和抗风能力；读数分辨率由1 μGal提高到0.1 μGal; 同时优化了CG-5型重力仪的操作界面，按键从27个减少至5个(最新引进的CG-6型重力仪新增加了F1键、F2键、返回键和主页键，共9个键), 操作更简洁^[1-4]。

要获得高精度的重力数据，仪器的选择是关键。本文对CG型重力仪进行静态稳定性和动态稳定性的对比分析，以便更好地了解CG-5型和CG-6型重力仪各方面的性能，为高精度相对重力仪器的选择提供科学依据。

1 静态稳定性 1.1 静态试验

重力仪静态试验是指仪器在静止状态下，观测数据随时间的变化情况。对CG型重力仪进行静态试验不仅能了解仪器静态零点漂移是否呈线性变化(在静止状态下零点位移大小和线性程度)^[5], 而且还能了解仪器在数据采集过程中的抗干扰能力。

将6台CG型重力仪(3台CG-5和3台CG-6)同时置于稳固场所，通电调平稳定后，设置为固体潮改正、倾斜改正和自动滤波模式，数据采样时间为60 s, 延迟5 s, 连续观测时间大于24 h。

1.2 静态零漂曲线拟合

从CG型重力仪静态曲线 $\tilde{g}(t)$中分离出线性部分 $\bar{g}(t)=a+k t(a$代表某一固定常数，k代表零漂曲线变化率)和非线性部分 $\Delta \tilde{g}(t)=\bar{g}(t)-\bar{g}(t)$(图 1), 计算仪器静态零漂曲线拟合直线时的中误差 $m=\pm \sqrt{\sum \Delta \tilde{g}(t) \cdot \Delta \tilde{g}(t) /(N-1)}$, N代表观测数据个数^[6](CG型重力仪观测数据标准差小于5 μGal, 大于2倍标准差的数据可认为是外界干扰，不参与数据统计)。其中k反映了CG型重力仪静态曲线随时间变化时的线性大小(静态零漂率大小)和方向(正值代表正向零漂，负值代表负向零漂), m反映了CG型重力仪静态曲线偏离线性变化的程度。由于CG型重力仪的静态零漂曲线的线性变化率k可以通过修改仪器中内置零漂改正系数来调整，所以只有联合拟合直线中误差m才能有效反映CG型重力仪静态零漂曲线稳定性特征(表 1)。

图 1 CG型重力仪静态零漂曲线及拟合残差 Fig. 1 Static zero drift curve and fitting residual of CG gravimeters

表 1 CG型重力仪静态零漂曲线稳定性特征 Tab. 1 Stability characteristics of static zero drift curve of CG gravimeters

对CG型重力仪静态稳定性进行对比分析可知：1)CG型重力仪静态零漂曲线都具有良好的线性；2)CG型重力仪静态曲线拟合中误差一般小于3 μGal, 最大拟合差小于5 μGal; 3)CG型重力仪静态曲线拟合中误差大小与静态曲线零漂率大小没有必然联系，如CG-5-1194重力仪静态零漂率为12.11 μGal/h, 拟合中误差为1.4 μGal, 而CG-6-0053重力仪静态零漂率为1.542 μGal/h, 拟合中误差为2.1 μGal。

2 动态稳定性 2.1 动态试验

重力仪动态试验是观测仪器在一定时间范围内(一般10 h)相邻2点(或多点)间的动态观测精度，用来了解重力仪动态混合零点漂移的速率(位移大小和线性程度)^[5]。

对上述6台已完成静态试验的CG型重力仪进行动态试验，试验地点选择在北京灵山国家重力格值场上的10个格值点，格值点最大段差约为130 mGal。采用双程往返观测法，相邻两点间观测时间间隔一般不大于20 min, 仪器设置为固体潮改正、倾斜改正和自动滤波模式。试验时间为3 d共3个测回，每天试验时间不小于10 h, 试验环境、观测时间和仪器设置均保持一致。动态试验结束后，计算CG型重力仪3 d的动态精度(表 2)。

表 2 CG型重力仪动态精度 Tab. 2 Dynamic accuracy of CG gravimeters

从表 2可以看出：1)CG重力仪的动态精度普遍较高；2)CG-6型重力仪的动态精度一般优于CG-5型重力仪；3)3 d试验时间范围内，同等条件下CG型重力仪的动态精度会有一定波动。

2.2 动态零漂

相对重力仪在进行重力值计算时，首先是对测量数据进行零漂改正，假定基点的动态零漂率在整个测量过程中是不变的。但分析CG型重力仪3 d的动态试验数据发现，重力仪每天的动态零漂率并不是恒定的，动态零漂率变化越小，仪器的动态精度就越高，仪器就越稳定。利用CG型重力仪动态试验过程中往返同一格值点时的观测数据和间隔时间，计算仪器在该格值点往返时间间隔内的动态零漂率(表 3和表 4, 单位μGal/h), 并绘制动态零漂率曲线(图 2)。

表 3 CG-5型重力仪动态零漂率 Tab. 3 CG-5 gravimeters dynamic zero drift rate

格值点	CG-5-1194			CG-5-1267			CG-5-1271
格值点	第1天	第2天	第3天	第1天	第2天	第3天	第1天	第2天	第3天
1	-1.9	1.9	-4.7	0.3	2.4	0.7	-0.8	1.3	-2.9
2	-1.1	1.6	-5.3	-0.2	5.9	1.1	6.3	-1.7	-3.7
3	-3.4	2.2	-10.1	-1.9	1.5	1.3	4.9	-0.9	-6.6
4	-5.2	4.6	-10.5	0.2	0.3	0.6	-1.2	-2.2	-3.5
5	-4.1	5.8	-9.0	-4.0	-0.5	0.6	3.4	-8.8	-6.2
6	-6.4	3.0	-7.2	-5.0	2.6	4.6	-3.1	1.6	-5.2
7	-4.4	-2.5	-4.5	-0.8	0.0	6.2	1.6	-1.4	-3.2
8	-2.5	1.4	-3.7	-5.3	6.3	1.6	5.3	-8.7	11.8
9	11.5	-3.2	4.4	2.5	9.6	11.5	-8.5	7.3	-1.1
10	36.0	24.2	13.5	-14.3	6.0	15.5	-26.8	19.5	-18.0

表 3 CG-5型重力仪动态零漂率 Tab. 3 CG-5 gravimeters dynamic zero drift rate

表 4 CG-6型重力仪动态零漂率 Tab. 4 CG-6 gravimeters dynamic zero drift rate

格值点	CG-6-0053			CG-6-0055			CG-6-0060
格值点	第1天	第2天	第3天	第1天	第2天	第3天	第1天	第2天	第3天
1	2.1	2.5	2.2	1.3	1.0	2.3	2.3	2.1	1.9
2	1.8	0.4	1.1	0.9	0.9	1.5	2.9	1.1	1.7
3	1.7	2.1	1.9	1.0	1.6	1.7	2.0	2.0	1.7
4	2.0	2.2	2.4	0.7	1.6	1.9	2.5	0.4	2.8
5	2.0	1.3	3.4	1.4	1.3	1.7	1.8	3.9	-0.2
6	1.5	2.4	3.1	1.1	1.1	1.2	2.3	0.1	2.6
7	0.4	2.3	1.7	1.3	1.0	1.6	1.4	1.3	1.8
8	3.4	2.0	3.7	0.2	2.9	6.1	-2.6	1.6	3.7
9	2.5	2.9	3.8	1.0	2.9	2.5	-1.3	1.5	13.3
10	7.8	7.9	-0.1	10.8	7.9	-6.9	-1.2	6.2	6.3

表 4 CG-6型重力仪动态零漂率 Tab. 4 CG-6 gravimeters dynamic zero drift rate

图 2 CG型重力仪动态零漂率及误差 Fig. 2 CG gravimeters dynamic zero drift rate and error

除去重力仪在10号点上的动态零漂数据(由于10号点上的观测时间间隔只有20 min, 从而放大了仪器的动态零漂率), 从CG型重力仪动态零漂率表(表 3和表 4)和动态零漂率曲线及误差图(图 2)中可以看出：1)CG-5型重力仪的动态零漂率明显大于CG-6型重力仪；2)CG-5型重力仪在格值点上的动态零漂率有正有负，且变化较大；3)CG-6型重力仪在各格值点上的动态零漂率基本都是恒定的。

从上面的统计分析可以看出，CG型重力仪的动态零漂率并不是恒定的，所以在计算仪器动态精度时，一次动态试验的结果并不能完全代表该仪器的动态性能，采用3次动态精度平均能较好地评价仪器的动态稳定性。

3 结语

CG-6型重力仪是在CG-5型重力仪基础上研发升级的全测程陆地相对重力仪，其继承了CG-5型重力仪的许多优点，同时降低了仪器的体积和重量，简化了操作界面。CG-6型重力仪作为CG-5型重力仪的替代升级产品，已逐渐应用于我国高精度重力测量工作。对6台CG型重力仪静态稳定性和动态稳定性的对比分析表明，CG-6型重力仪拥有CG-5型重力仪的静态稳定性特征，但也存在个性差异，特别在仪器滤波和抗干扰性能方面；CG-6型重力仪的动态精度和动态零漂率明显优于CG-5型重力仪。

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Comparative Analysis of the CG Gravimeters Performance

DENG You-mao^1,2 WANG Zhen-liang^1,2 SUN Cheng-ye^1,2

1. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Science, 84 Jinguang Road, Langfang 065000, China;
2. National Research Centre of Geoexploration Technology, , 84 Jinguang Road, Langfang 065000, China

Foundation support: Project of China Geological Survey, No.DD20190032, DD20190030, DD20190556.

About the first author: DENG Youmao, senior engineer, majors in gravity and magnetic data processing and analysis, E-mail: dengyoumao@igge.cn.

Abstract: In this paper, the static stability test and the dynamic stability test are carried out on the six CG gravimeters. The test results show that the CG-6 gravimeters inherits the static stability advantages of the CG-5 gravimeters. The error in the fitting of the static curve into a straight line is less than 3 μGal, and the maximum fitting difference is less than 5 μGal. The dynamic accuracy and dynamic zero drift rate of the CG-6 gravimeters are significantly better than the CG-5 gravimeters.

Key words: CG gravimeter; static stability; dynamic stability