微重力测量观测精度提高方法探讨

陈 明

(广东省地球物理探矿大队,广州 510800)

0 前言

目前重力测量应用于矿产地质普查、勘查项目减少,而作为新一轮城市地下空间探查需要,微重力测量有其独特优势,但对其测量精度要求较高,要求达微伽级。CG-5高精度重力仪作为微伽级重力仪,研究其测量环境及成果应用解释,符合城市地下空间探查的需求。

微重力测量的总精度与重力野外测量方法一系列测量步骤有关,其较常规重力测量,从仪器的选择、调节、观测、记录、异常改正、异常分析及提取均要做细致处理。而重力观测是微重力测量整个过程中极其关键一步,有效分析不同的重力观测环境,有针对性的提出相应的重力观测方法,直接关系到微重力测量的生命力。

1 CG-5高精度重力仪性能概况

CG-5高精度重力仪标称为微伽级重力仪,其仪器性能较好,标准的1×10-8m/s2分辨率、误差<5×10-8m /s2；数据重复性试验良好,厂家称有记录证明：CG-5的测量读数与基站值之间的标准差小于0.005×10-5m/s2。这些厂家指标在生产试验中也得到证明,如：年静态试验结果[1]中,残余振幅基本都在15×10-8m /s2之内,平均漂移率为( 0.7 ～ 1.7)×10-5m·s-2/d,线性度良好。动态试验结果[2]中,动态精度小于7.93×10-8m/s2。笔者收集2013年至2019年CG-5型1#、2#、3#三台重力仪动、静态试验结果表明,仪器静态零点位移呈线性分布,静态零点位移与线性回归直线的最大偏差为0.019×10-5m/s2、最大偏差小于0.010×10-5m/s2试验台次占比为85%,详见表1；仪器动态零点位移呈线性分布,动态零点位移与线性回归直线的最大偏差为0.013×10-5m/s2、最大偏差小于0.010×10-5m/s2试验台次占比为87%,详见表2。

表1 CG-5型重力仪静态试验结果统计表Table 1 Statistical table of static test results of CG-5 gravimeter

表2 CG-5型重力仪动态试验结果统计表Table 2 Statistical table of dynamic test results of CG-5 gravimeter

通过前人成果及笔者收集三台重力仪的多次动、静态试验结果[3-4]分析可见,CG-5型重力仪动、静态曲线线性较好,动态试验均方误差均小于0.010×10-5m/s2。特别是表2动态试验均方误差均小于等于0.005×10-5m/s2占70%,这些结果说明CG-5重力仪在重力观测上经过一系列的控制足可满足0.005×10-5m/s2的观测精度,满足微重力测量的最终精度要求。

2 操作员的影响

CG-5重力仪使用过程中,操作员或附近走动人员会对重力仪读数有一定影响[5-6],为了测试该影响,选择了一地基稳定的场所进行测试,记录距离1～5m,每个距离记录读数10个。工作方式是：待重力仪进入测量稳定状态后,用遥控的方式打开重力仪,记录不同距离人员走动时重力仪读数,结果表明：人员在1m处走动对重力仪的读数影响较大,各读数与10个读数的均值差最大值为0.006×10-5m/s2,小于0.003×10-5m/s2的也只有4个,至于大于2m距离后,人员走动对重力仪观测的影响不大。详见图1。

图1 1-5 m行人干扰源对重力仪读数影响Fig.1 Influence of 1-5 m pedestrian interference source on gravimeter reading

从该试验结果分析可知,重力仪在进行高精度操作时,操作员或不相关人员应在重力仪采集数据时离开1m以上,如果场地为软土等易引起震动的场地,还应视不同性质的场地作出更大的调整,具体应按不同精度要求结合该结果作相应的测试后规定。经过该方法的控制,足可控制操作员或其它人为情况对重力观测的影响。

3 振动环境的影响

CG-5重力仪测量时的振动干扰由不同读数标准差反映,研究CG-5重力仪测量时读数可靠性问题,可通过研究不同读数标准差时读数回归值来分析。

为了说明CG-5重力仪一般工作条件下的读数可靠性问题,对某地区重力水准加密点测量项目数据进行数据处理。该项目沿国道或街道施工,其设计规定,采集数据时,对于读数时标准差小于0.2×10-5m/s2的读数设置读数时间为60 s,大于该标准差的读数时间为30 s,连续3个读数相互差值小于0.005×10-5m/s2的视作满足读数要求。为了研究读数受振动环境干扰影响问题,对该项目数据作以下处理：连续3个读数相互差值小于0.005×10-5m/s2的直接进行统计,不满足连续3个读数相互差值小于0.005×10-5m/s2的,每一测点上踢除跳点,选择相互差值小于0.005×10-5m/s2的3个读数计算均值,再计算该均值与该测点其它值的差值,该差值小于0.005×10-5m/s2的视同是满足读数精度,否则视为不满足读数精度,然后统计不同读数标准差环境下偏离视同满足读数精度的偏离率。共对467个测点共1918个数据进行整理,其规律显示读数标准差小于0.2×10-5m/s2时,读数时偏离0.005×10-5m/s2的数据占比小于15.7%,分析认为该种现象主要由偶然因素引起,工作中注意就可。标准差约大于0.2×10-5m/s2时,偏离0.005×10-5m/s2的数据占比大于30%,该环境下读数明显存在背景干扰因素,读数应引入数组处理方可能读取有效数据。相关统计结果见表3、图2。

图2 某地区重力水准加密点测量项目不同标准差背景读数精度规律统计图Fig.2 Statistical chart of background reading accuracy with different standard deviations of gravity leveling encryption point measurement items in a certain area

同样,为了研究CG-5重力仪读数问题,选择某汽车站及某城市大街附近找场地进行25～60 s不同采样时长读数测试试验。经分析发现：

某汽车站旁仪器的读数标准差在0.080～0.110×10-5m/s2间,对比其读数经做直线拟合后的剩余值的离差,发现30 s、35 s两个读数间隔的曲线离差在0.005×10-5m/s2以内,而25 s读数间隔的曲线总体线性与30 s、35 s两个读数间隔的曲线相近,并多见局部跳动。某大街旁仪器的读数标准差在0.060～0.085×10-5m/s2间,其读数经做直线拟合后的剩余值的离差均在0.005×10-5m/s2以内。详见表4、5及图3～7。

实验证明：在轻微震动的地方,只要读数标准差不大,则重力仪的读数精度是可靠的。重力仪在低背景干扰的情况下,读数稳定,干扰背景越高,读取到真值就越困难,并不以重复时间长短成正比。

表3 某地区重力水准加密点测量项目不同标准差背景读数精度规律统计表Table 3 Statistical table of background reading accuracy with different standard deviations of gravity level encryption point measurement items in a certain area

表4 某汽车站25～60 s读数标准差与离差统计表Table 4 Statistics table of standard deviation and deviation of readings from 25 to 60 seconds at a bus station

表5 某大道25～60 s读数标准差与离差统计表Table 5 Statistics table of standard deviation and deviationof readings from 25 to 60 seconds for a certain avenue

图3 某汽车站旁读数间隔25～35 s读数偏差曲线图Fig.3 Curve of reading deviation at a reading interval of 25～35 seconds at a bus station

图4 某汽车站读数间隔40～60 s读数偏差曲线图Fig.4 Curve of reading deviation at a reading interval of 40～60 seconds at a bus station

图5 某大道读数间隔25～35 s读数偏差曲线图Fig.5 Curve of reading deviation at a reading interval of 25～35 seconds for a certain avenue

图6 某大道读数间隔40～50 s读数偏差曲线图Fig.6 Curve of reading deviation at a reading interval of 40～50 seconds for a certain avenue

图7 某大道读数间隔50～60 s读数偏差曲线图Fig.7 Curve of reading deviation at a reading interval of 50～60 seconds for a certain avenue

为了更好的说明振动干扰环境下的读数取值问题,在某高速公路的出口处进行了2 h的读数间隔30 s及60 s连续静态观测,结果详见图8。该数据表明,经CG-5重力仪取值后,读数间隔30 s和60 s的两条曲线,其曲线响应的干扰不存在简单的时点对应关系。对该数据进行零点位移改正后,再对其偏离进行统计,结果发现,60 s间隔进行读数时,其偏离0.005×10-5m/s2的数据量比例比30 s间隔进行取数的比例大（见表6～7）。在此基础上,进行标准差按0.05×10-5m/s2间隔分类,大于0.3×10-5m/s2的直接归一类,并分类统计生成表8～9,其结果发现,运用30秒间隔进行取数时,其不同标准差区段的平均数与线性回归值接近的出现率更高,取数时标准差的标准离差也相对较小。

由此说明,在高干扰背景下,较短的取数间隔多次取数,更有利于重力值的取值。

图8 某高速出口干扰环境不同观测时长重力读数曲线图Fig.8 Gravity reading curve of a highway exit with different observation duration

表6 某高速路口60 s读数不同标准差段统计表Table 6 Statistical table of different standard deviation of 60 seconds readings at a highway exit

表7 某高速路口30 s读数不同标准差段统计表Table 7 Statistical table with different standard deviation of 30 seconds readings at a highway exit

工作中,由于重力仪在一个测点的读数用时相对较短,其零点位移可以不与考虑[7],基于该设想,用某高速出口零改后的数据,用时距作横坐标,就可以研究不同标准差背景下,重力仪读取数值的最终取值问题。该研究曲线可以发现,该本已零点位移改正的重力静态曲线,其不同标准差段的趋势线是不一的,但经统计表8～9发现,其Y值是全部回到原零点位移后的趋势值附近,其偏差均小于5×（10-8m/s2）。并且30秒间隔读数的Y值偏差均好于60秒间隔读数。

通过以上研究说明,重力仪读数是基于背景弹性干扰下求取,当干扰背景的标准差小于0.150×10-5m/s2时,读数时窗长度与最终的读数真值无多大关系,但在有不定期振动干扰的情况下,较短的读数时窗长度更有利于读数的求取,并且该值有附合趋势回归的特征,在振动干扰背景下,不应简单利用相邻读数不超过5×10-8m/s2求取,应增加读数量,利用回归分析求取。

当然,该结果是在有限的数据下分析的结果,至于在干扰背景下,应读取多少读数方可求取,与不同干扰背景有否关系还有待进一步研究。

表8 某高速路口30 s读数不同标准差段对距曲线统计表Table 8 Statistical table of distance curves with different standard deviations of 30-second readings at a highway exit

表9 某高速路口60 s读数不同标准差段对距曲线统计表Table 9 Statistical table of distance curves with different standard deviations of 60-second readings at a highway exit

4 结论

CG-5重力仪观测精度经过有效控制完全可满足城市地下空间探测微重力测量的需要。振动干扰环境下重力测量精度控制方法有以下几点：

(1)结合场地稳定性控制重力仪与周边流动人员的距离,可确保该项影响小于5×10-8m/s2。

(2)在重力仪读数标准差相对较小时,可沿用连续2至3个读数相互差值小于5×10-8m/s2时则视同该测点读数合格。

(3)在重力仪读数标准差相对较大时,连续2至3个读数相互差值大于5×10-8m/s2并多次测量均不满足时,应引入尽量用小的读数间隔多次重复测量,并应用数据回归分析方法提取测点的读数。