张金焕,李晓斌

(1.中国地质大学 (北京)地球物理与信息技术学院,北京100083;2.煤炭科学研究总院,北京100013)

回顾100多年重力勘探的历史走过的是一条“测量梯度—测量重力场—再测量梯度”的道路。目前测量重力场处于地面、海洋和航空并存的局面,传统的静态地面重力测量因地域、工作量等客观因素制约,不仅效率低,而且局限于陆地上的部分地区;海洋重力测量是一种低动态的重力测量方法,且只能在海面工作;卫星重力测量开创了重力探测技术的新时代,但在中高分辨率重力测量中无能为力;而航空重力梯度测量代表了重力勘探领域的最新和最先进的技术。

随着CPS动态定位技术的逐渐成熟,航空重力测量技术得到迅速发展,成为在区域范围内获取高精度、中高分辨率重力信息的有效手段,可以覆盖卫星重力测量和地面重力测量之间的频带。航空重力测量是以飞机作为运载平台,利用空重力仪 (或加速度计)可以快速测定近地空中重力加速度,对于获取中高频重力场信息具有不可替代的作用,具有快速、经济、灵活和高精度等特点,几乎可到达任何地区进行作业。鉴于航空重力梯度测量的高分辨率特点,它除了在精细地质勘探领域有着广泛的应用前景以外,也能应用于军事和国防现代化建设。

1 航空重力测量的基本原理

在经典力学中的惯性参考系中,根据牛顿第二定律,作用于单位质点上的总加速度矢量 fi(称为比力)、载体运动加速度矢量¨ri和引力加速度矢量Gi之间的关系为:

按照引力加速度和惯性加速度的分离方法,航空重力测量分为航空重力梯度测量和航空重力测量。①重力梯度测量:将两个共基线的加速度计的输出求差,以共模方式消除载体运动加速度的影响,如果共用基线是旋转稳定的,则由该差值观测量可得到重力梯度分量。②航空重力测量:采用两个不同的加速度测量系统,其中一个系统的输出含有引力加速度,也就是测量的是比力,而另一个系统输出的是不含引力的加速度,于是在同一个坐标系内对两组加速度输出进行求差,即可消除共有的载体运动加速度。剩下的差值中包含引力加速度和传感器的系统误差。

按照测量对象的不同,又可以将航空重力测量分为航空标量重力测量和航空矢量重力测量。航空标量重力测量只需要测量重力扰动矢量垂直分量的大小 (重力异常);航空矢量重力测量需要测量重力扰动矢量所有的三个分量。通常航空重力测量指的就是标量重力测量。

目前国际上航空重力测量、航空重力梯度测量均已进入实用阶段。由于航空重力梯度测量对重力异常的高频分量非常敏感,因此在资源勘探等领域具有广阔的应用前景。但是,航空重力梯度测量技术属西方国家限制出口的尖端技术,技术难度大,短期内难以掌握。因此,笔者着重讨论航空重力标量测量系统的研究进展。

2 航空重力梯度测量仪器发展现状

2.1 旋转加速度计航空重力梯度仪

目前代表性的有两种——Air-FTGTM 和FALCON。

全张量航空重力梯度测量Air-FTGTM系统:Bell Aerospace公司 (现并入Lockheed Martin公司)成功研制的FTG是源于1970年美国空军的发展计划,出于导航和导弹发射的需要美国空军投入十亿多美元。研制计划正式始于1972年,Bell是从当时四个竞争对手中脱颖而出的,它的研制目的是进行全球重力场的测绘。于1987年5月成功进行了重力梯度的航空测量。随着硬件和软件的改进,精度在不断提高。2002年研制成功全张量航空重力梯度仪,已经获得了许多商业合同,截止到2004年已在北美和非洲等地采集了超过60,000km的重力梯度数据,还成功的应用于潜艇导航等其他军事领域。另外,英国ARKeX公司将全张量重力梯度仪 (FTG)做了特殊改进形成FTGeX系统,并于2005年在北美测试后进行了首次商业运行。FTGeX系统类似于Bell GeoSpace公司的FTG技术,经改进适应一些特殊要求。

部分梯度张量航空重力梯度测量FALCON系统:目前已投入商业使用的还有澳大利亚BHP公司研制的部分梯度张量测量系统FALCON。该公司于20世纪80年代末引进美国Bell公司 GGI技术,经过十年的研究开发,研制成功FALCON航空重力梯度仪。于1999年正式投入使用,它测量时可同时附带进行航磁和航放测量。FALCON已在澳大利亚、北美、南美和非洲共飞行了28万测线km,目的是普查油气和各种其他矿产资源,取得了良好的效果。FALCON是美国出口管制产品。

2.2 航空超导重力梯度仪 (SGG)

M aryland大学超导重力梯度仪:超导重力梯度仪研制的权威机构为美国的M aryland大学物理系,该大学长期以来一直从事重力梯度仪的开发和研究,并取得了许多有价值的研究成果。20世纪80年代初 Maryland大学研制出了灵敏度为0.3～0.7E/的单轴超导重力梯度仪实验室样机。2002年M aryland大学已经研制出单轴超导重力梯度仪实验室样机并进行了试验,其灵敏度提高到了0.02E/,比常温下重力梯度仪提高3个数量级,目前马里兰大学在研的Ⅲ型超导重力梯度仪预期的灵敏度为10～4E/。

英国 ARKeX公司超导重力梯度仪:英国ARKeX公司是由著名的英国牛津仪器公司和另一家地球物理公司的一些人员新组成的一家以生产重力梯度仪为主的新企业。牛津仪器公司为欧洲航天局设计制造超导重力梯度仪,但未按期完成任务,因而未能用在卫星上。2004年3月欧洲航天局继续资助该项目。该公司改进的新一代航空重力梯度仪具有卓越的稳定性、低噪声和高分辨率等性能。公司在航空重力梯度仪方面的研究取得了突破性的进展,公司的最终目标是生产经营世界上首台超导勘探重力梯度仪 EGG(Exp loration Gravity Gradiometer)。EGG的设计可放六个加速度计模块,用来测量全部的梯度张量分量,但第一台EGG只用了两个加速度计模块,只测量Γzz。该仪器计划在2006年第3季度进行商业勘探。用改进后的 EGG系统进行试验,其灵敏度、分辨率和稳定性空前卓越,适应了动态航空重力勘探环境。其设计指标为:灵敏度1E/,带宽为200m～60km。EGG的组成包括:1296个超导接头,94个超导变压器,151个热开关,60个超导镀锡卷板,14个SQU IDs,2个铌检测质量,1个低温恒温器,总重量为500kg。

澳大利亚西澳大学 (UWA)超导重力梯度仪:澳大利亚西澳大学 (UWA)研制的低温超导重力梯度仪是针对资源勘探而按照适宜带宽设计的。该重力梯度仪主要依靠低温和超导技术,安装在轻型飞机上,专用于低空(100m)飞行测量。它主要用于动基座低空范围内的地质勘探,特别针对矿藏资源的勘探。这种重力场测量技术在很大程度上克服了传统重力计测量重力的限制,可以直接测量重力场的梯度变化(而不仅仅是重力值)。这种信号尽管十分微弱但却蕴涵了丰富的地下信息,因此这种仪器无论是应用前景还是技术难点都将是非常巨大的。

加拿大 GEDEX公司超导重力梯度仪:加拿大GEDEX公司开发的AGG-OQR重力梯度仪是综合采用了M aryland大学、UWA大学和加拿大空间公司的技术,也将于近期投入商业运营。

2.3 其他航空重力梯度仪

美、俄等国的科学家还在积极研究多种重力梯度测量方案。80年代后期俄罗斯专家研制出了精度为0.1E的旋转加速度计重力梯度仪实验室样机。此外利用原子干涉现象测量重力的方案特别值得注意。诺贝尔物理学奖 (1997)获得者、美籍华裔物理学家朱棣文领导的小组,利用原子喷泉构成的原子干涉仪来测量g,测定g的分辨率己达到△g/g=10～10,即可分辨0.1μGal的重力变化。美国许多科学家正在努力使这种测量重力的设备小型化,并构成梯度装置使之适合在运动平台上进行观测。

表1为航空重力梯度测量系统一览情况。

表1 航空重力梯度测量系统一览

3 国内航空重力测量发展现状

由总参西安测绘研究所等单位承担的我国首台航空重力测量系统CHAGS(Chinese -airbo rne gravimeter system)的研究始于 1995年,引进LCR(Lacoste&Rom berg) Ⅱ型航空重力仪(L&R126),自行研发了航空重力数据处理软件,并于2002年11月通过鉴定,历时7年。2002年3～4月CHAGS航空重力测量系统在山西大同地区进行了3次飞行试验,飞行高度2800～3400m、飞行速度400km/h,测线间距5～10km,测定山区平均重力异常的内符合精度为3.32m Gal,异常半波长分辨率为10km。与地面重力测量数据的对比,外符合精度优于5m Gal。目前该系统已经基本可以满足大地水准面测量等应用的要求,但是还不能达到地质调查、资源勘探等高精度、高分辨应用的要求。

到目前为止,国内发展起来的航空重力测量主要依靠的是进口的方式。而用于地球物理勘探的航空重力测量技术还处于起步阶段,许多技术问题亟待解决。最主要的是航空重力仪制造相关技术,难度较大,需国内相关各方协作,争取早日获得突破。在航空重力梯度测量仪器方面,国内相关研究基本尚处于空白领域。

4 航空重力梯度仪需解决的关键技术

由于重力信号很微弱,就对传感器、信号转换、信号放大,以及环境噪声隔离、加速度计温度控制等现有技术水平提出严峻的挑战,许多因素都应予以考虑。

1)加速度计性能的影响。加速度计是系统中的核心关键部件之一,其性能的重要性是不言而喻的。被测信号的微弱性决定了所使用的加速度计必须具有更高的性能要求,如误差模型需要更加精确化,其动态误差系数要可测,并能够快速补偿;加速度计的热噪声需保持在一个相当低的水平,否则会严重影响测量精度;多个加速度计标度因数的匹配也是一个有待解决的问题。

2)平台性能的影响。稳定平台是能否有效适应航空环境的关键,平台的加工、安装定位精度对重力梯度仪系统是至关重要的。但是由于受到现有加工水平等因素的影响,要求从其他方面想方法来加强对平台的运动、振动和温度等的控制,力图减小平台对系统整体性能的影响。同时三个平台的稳定同步旋转也是一个比较大的难点。

3)安装误差的影响。重力梯度仪是非常精密的仪器,任何微小的安装误差都可能其对性能造成严重的影响,其中需要重点关注的安装误差主要包括:平台的安装定位误差;加速度计角度安装误差;加速度计径向安装误差。需要探索研究新型的安装定位方法以保证系统精度。

4)电磁干扰和屏蔽技术。系统中有用的信号主要是二倍频信号,可以采用数字滤波技术来去除噪声干扰等,但同时由于重力梯度信号非常微弱,外界的电磁信号对系统的影响也就不可忽视,需要采用电磁屏蔽措施对系统加以防护,使系统具有较高的电磁兼容性。

5)高速采集和处理。加速度计的输出信号比较小,要抑制线加速度和角加速度的共模干扰,则必须实现多个加速度计的并行、高速和高精度数据采集。要将系统用于机载实时系统中进行系统误差修正,则系统必须实时解算重力梯度和重力向量值,同时换算出重力异常和垂线偏差,这些都要求旋转加速度计重力梯度仪系统中必须采用高速的专用计算机进行数据的采集和处理。有效的相关方法的研究也是很重要的。

航空重力梯度仪具有极高的研究和应用价值,现实应用还是有难度的,需要在加大基础理论研究力度,加强先进数据处理算法、解算方法和其他相关应用程序等研究的基础上,在各个环节上都求尖求精。

5 总结

正在使用和处于研制阶段的重力梯度仪有20余种,针对航空应用的还不多,如果关键技术问题得到解决,航空重力梯度仪就发挥出其无法比拟的优势。在这方面,我们又走在了部分西方国家的后面,那么买进一台相应的设备就更是困难,而且价格肯定惊人。从各个方面讲,目前紧迫和最有效的方法就是集中资金和力量搞自主研发,尽快掌握这门我国急需的有用技术。

此外,开展地球重力梯度的研究,历来是大地测量学的热点和难点之一,因为它不但反映地球表层及内部的密度分布和物质运动状态,而且在地下资源勘探、海洋、军事应用和环境科学等领域中有着重要的应用。传统的测量方法,需要消耗大量的时间和人力,而且不能满足诸多实时系统的要求,性能也不佳。比较而言,航空重力梯度测量仪器省时省力,可以同时测量重力梯度的各个分量,进而获得准确的重力值和垂线偏差,还可以应用于实时场合进行相关测量与误差补偿,具有广阔的研究价值和应用前景。

[1] 赵德军.航空矢量重力测量的理论与方法 [D].郑州:信息工程大学测绘学院,2005.

[2] 夏哲仁,石磐,孙中苗.航空重力测量系统CHAGS[J].测绘学报,2004,33(3):216-220.

[3] 孙中苗.航空重力测量理论、方法及应用研究 [D].郑州:信息工程大学测绘学院,2004.

[4] 周衍柏.理论力学教程 [M]2版.北京:高等教育出版社,1985.

[5] 董绪荣,张守信,华仲春.GPS/INS组合导航定位及其应用 [M].长沙:国防科技大学出版社,1998.

[6] 杨元喜.抗差估计理论及其应用 [M].北京:八一出版社,1993.

[7] 欧吉坤.误差理论若干问题研究——兼论大气对 GPS测量的影响 [R].中国科学院测量与地球物理研究所,1994.

[8] 胡明城,鲁福.现代大地测量学:下册 [M].北京:测绘出版社,1994.

[9] 许其凤.GPS卫星导航与精密定位 [M].北京:解放军出版社,1994.

[10] 孙廷萱,肖庆达,万荣颐.GPS译文集 [C].北京:中国计量出版社,1989.

[11] 刘大杰,施一民,郭静君.全球定位系统 (GPS)的原理与数据处理 [M].上海:同济大学出版社,1999.

[12] William R G.An Historical Review of Airborne Gravity[J].The Leading Edge,1998(1):113-116.

[13] 熊盛青.我国航空重磁勘探技术现状与发展趋势 [J].地球物理学进展,2009,24(1):113-117.

[14] 孙中苗,石磐,夏哲仁,等.利用GPS和数字滤波技术确定航空重力中的垂直加速度 [J].测绘学报,2004,33(2):110-115.

[15] 孙中苗,夏哲仁.FIR低通差分器的设计及其在航空重力测量中的应用 [J].地球物理学报,2000,43(6):850-855.

[16] Bruton A M.Imp roving the Accuracy and Resolution of SINS/DGPS Airborne Gravimetry[D].Calgary:Department of Geomatics Engineering at University of Calgary,2001.

[17] JUAN GILBERTO SERPAS.Local and regional geoid determi-nation from vector airbo rne gravimetry[D].Columbus:The O-hio StateUniversity,2003.

[18] DennisD,McCarthy.IERSTechnicalNote21[R].Centra Bureaau of IERS-Observatoire de Paris,1996.

[19] GrafarendEW,Krumm F,OkekeF.Curvi linear geodet datum transformations[J].Zfv,1995(7):334-350.

[20] Gravity Diamonds Limited,FALCON Summary[EB/OL].http://www.gravitydiamonds.com.au/BHPBFalcon-Brochure.pdf

[21] Principle of Gravity Gradiometry [EB/OL].http://www. physics. umd. edu/GRE/Gravity _Gradiometry.pdf

[22] Pullin J.,Meters of Gravity[EB/OL].http://www.phys.lsu.edu/mog/pdf/mog9.pdf

[23] Superconducting Gravity Gradiometer for Moving-Base Applications[EB/OL].http://www.physics.umd.edu/GRE/Moving_base_SGG.pdf

[24] Superconducting Gravity Gradiometers(SGGs)[EB/OL].http://www. physics. umd. edu/GRE/NASA _SGG.pdf

[26] William R G.An Historical Review of Airborne Gravity[J].The Leading Edge,1998(1):113-116.