CG型重力仪性能对比分析

邓友茂 王振亮 孙诚业

1 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北省廊坊市金光道84号，065000 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

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

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。

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

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

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

表4 CG-6型重力仪动态零漂率

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。

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

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。