[科普中国]-海洋重力仪

海洋重力测量的发展

海洋占据地球表面积的70%，要获取地球表面的重力分布数据，海洋重力测量是一个重大课题。海洋重力测量较陆地重力测量发展起来较晚，因为海洋重力测量是在运动状态下测量重力加速度的，理论和技术上都有较大的难度。海洋重力测量会受到各种干扰，概括起来有以下六个方面：径向加速度影响、航行加速度影响、周期性水平加速度影响、周期性垂直加速度影响、旋转影响、厄特弗斯效应，这些影响可以归结为水平加速度和垂直加速度的影响，这些干扰因素对重力测量造成相当大的影响，一般陆地重力仪是不可能完成测量任务的因此，可用于海洋测量的重力仪逐渐发展起来。

海洋重力测量起始于上世纪20年代，经历了三个发展阶段。第一阶段使用的是海洋摆仪。1923年，荷兰科学家费宁梅内斯首次成功地在潜水艇上使用摆仪对海域重力进行测量。1937年，布朗对其进行改进，消除了二阶水平加速度和垂直加速度的影响，测量精度提高了5 ~ 15毫伽。但是摆仪操作复杂、测量效率低、费用高等弊病，走航式海洋重力仪逐渐发展起来。海洋重力仪发展的第二个阶段是摆杆型海洋重力仪，它促成了重力测量由水下的、离散点测量到水面的、连续线测量的转变。代表性的仪器为德国格拉夫阿斯卡尼亚公司生产的GSS-2型重力仪和美国拉科斯特隆贝格公司生产的L&R型重力仪，同时我国也研制出ZYZY型摆杆型海洋重力仪。该种海洋重力仪存在交叉揭合(CC)效应.海洋重力仪发展的第三阶段是轴对称型海洋重力仪，它不受水平加速度的影响，也从根本上消除了交叉祸合效应。轴对称型重力仪的精度、分辨率及可靠性优势明显，正逐步取代摆杆型重力仪。代表型仪器为德国产的KSS-30型海洋重力仪和美国产的BGM-3型海洋重力仪1。

分类海洋重力仪可分为：摆仪、摆杆型海洋重力仪、轴对称型海洋重力仪和振弦型重力仪。摆仪由于其操作复杂、计算繁琐、测量时间长等原因已经停止使用，这里不再介绍。

摆杆型海洋重力仪摆杆型海洋重力仪的传感器为近似水平安装的横杆，该杆只能在垂直方向摆动，用空气或磁阻尼方式对摆杆施加强阻尼，以消除由于波浪等的运动引起的垂直加速度。通过光学装置测量摆杆位移的速率从而得到重力变化的信息。这种仪器交叉耦合效应引起的误差较大，通常要附加测量垂直和水平加速度分量的装置，并要有交叉耦合效应改正数专用计算机。

摆杆型海洋重力仪为第二代海洋重力仪，它完成由水下到水面、由离散点到连续线测量这一历史性演变。典型代表为德国的Graf-Askania公司生产的GSS-2型重力仪(后改称KSSS型)和美国Lacoste&Romberg公司生产的L&R型重力仪。这两种海洋重力仪都安装于陀螺稳定平台上工作，抗外界干扰能力强，可在中等海况下工作，测量精度达1 meal。此类型的重力仪存在的主要问题是由交叉祸合(CC)效应引起的测量误差较大。因此，此类重力仪通常带有附加装置，用于测量作用在重力仪传感器上的扰动加速度，并由专用的CC计算机计算CC改正值。

对称型海洋重力仪轴对称型海洋重力仪，其传感器有两种：弦振型加速度计通过测量弦的谐振频率得到重力变化值；力平衡加速度计通过测量传感器在力平衡时反馈电流的变化得到重力变化值。它克服了摆杆型交叉耦合效应的影响(见海洋重力测量)，是从20世纪60年代开始研制，到80年代趋于成熟的新一代仪器。

轴对称型海洋重力仪为第三代海洋重力仪，它不受水平加速度的影响，从根本上消除了CC效应误差，可在较恶劣的海况下工作。轴对称重力传感络以力平衡型加速度计代替了摆杆，通过测量传感器在力平衡时反馈输出的泡流的变化得到重力的变化。目前比较有代表性的轴对称型海洋重力仪是德国Bedenseewerk公司生产的KSS-30型和美国Bell航空公司生产的BGM-3型两种海洋重力仪。KSS30型海洋重力仪的传感器为“重块－弹簧”结构，重块约30克，它被约束在只能作垂直方向运动。通过“电容－位移换能器”产生的电压，可测出重块的位移，从而获得重力信息。在非常恶劣的海况下测量精度为0．8～2．0毫伽，在平静海况下为0．2～0．5毫伽。BGM3型海洋重力仪的传感器很小，探头由一个在两块永久性磁铁之间作垂直运动的线圈组成，线圈中包着一重块，当作用于重块的重力和线圈中感应的电磁力之间存在平衡关系时，重块处于零位上；当作用在重块上的垂直加速度变化时，线圈中的电流成比例变化，从观测电流的变化得到重力的变化。该型仪器在平静海况下测量精度为0．38毫伽，恶劣海况下为0．7毫伽。

这种重力仪可自动计算正常重力值、空间寻常和布格异常值，有实时处理能力。实时处理后的重力资料仍然允许使用青确的导航数据和实际的零点漂移速率进一步修正。

振弦型重力仪振弦型重力仪通过测量弦的谐振频率来获得重力的变化，最具代表性的是日本东京大学地球物理研究所研制的东京海面船载重力仪(TSSG)和美国的MIT型海洋重力仪。此种重力仪存在一个严重的缺点:当受到船只在垂直方向附加加速度影响时，它测得的平均垂直加速度误差较大，这种误差称为非线性调整误差2。

特点一般来讲，海洋重力仪与陆地重力仪在原理结构上并没有根本区别。但海洋重力仪是在航行的载体上工作，经常受到由海浪引起的垂直和水平加速度的扰动。由于海洋重力仪测量值为当地重力与重力基准点的偏差，其数值变化幅度并不十分巨大，而海浪运动造成的垂直方向上加速度可能非常大，这就造成扰动加速度的幅度可能比仪器所要测量的重力加速度大几万倍甚至几十万倍。因此，海洋重力仪传感器必须具有良好的抗扰动能力。

海洋重力仪传感器的测量原理为牛顿第二定律，即通过测量一个采样质量的重量变化而得到相对重力值。根据海洋重力仪的特性，海洋重力仪必须满足以下几点要求：

（1）对采样质量的运动必须加以约束，使之只有一个运动自由度。这是所有海洋重力仪都必须遵循的一条原则，否则，水平扰动加速度将导致采样质量偏离地垂线，而无法在海上进行重力测量。

（2）对采样质量必须施加强阻尼。所谓强阻尼，是指超过系统临界振动的阻尼，使系统在外力作用下受迫运动时不能完成周期性的振动。衡量阻尼效果的主要标志通常使用“线性化”这一概念。即重力仪在同一点上静止时的输出和在动态受垂直加速度玄和水平加速度方和犷作用下的输出应该具有相同的重力观测值。显而易见，仪器的线性化程度越高越好。

（3）系统必须有高度的稳定性、重复性和一致性。具体地说，要求仪器的刻度因数格值稳定，零点漂移小并且有规律。

（4）系统要有足够的测量范围，尤其是要有足够的直接测量范围。从赤道到两极，正常重力增量约6000mGa1。系统应满足它本身使用时所需的测量范围。

（5）重力仪配用陀螺稳定平台。目前各国都在研制专用的平台系统，将重力仪和平台作为一体来考虑，以更好地满足重力测量的特殊需要，提高仪器的测量精度。

（6）海洋重力仪的精度。一般来说，精度就是测量某一物理量的准确度。重力仪的精度和用重力仪进行海上测量的精度不同。仪器的精度指的是读数装置最小刻度值的精确程度，观测精度是指海上某一测点单次观测所具有的精度。在海洋上进行重力观测时，影响仪器观测的因素除仪器自身因素(如材料的老化、零点漂移)外，还有陀螺平台和船只的因素(如CC效应等)以及导航定位系统精度、水深测量精度等纯外界的因素。在这众多的因素中，有一些对结果的影响远远超过仪器的测量精度。不考虑这些方面的影响，不在进行海洋重力测量时提供消除这些不利因素的条件，要求高精度的测量结果是决然办不到的。在《海洋重力测量规范》中规定“测点的误差一般近海不大于士3 meal，远洋不大于士5 meal "。目前仪器本身的精度远高于测量精度，所以要提高海洋重力测量精度，与其说是提高仪器精度，还不如说是提高测量方法本身的精度2。