航空重力梯度仪实时重力梯度解调方法

为了进一步提高重力梯度测量精度,提出了一种实时解调相位角补偿和重力梯度实时处理方法。首先根据重力梯度仪样机结构特性给出了重力梯度解调相位角的求解过程和求解算式,然后研究了实时重力梯度解调方法并给出了重力梯度解调算式,最后在重力梯度信号半物理仿真平台上进行了仿真实验测试。测试结果表明,所提方法可以明显提高重力梯度测量精度,具有较高的工程应用价值,可以为航空重力梯度仪的研制提供技术参考。     

重力梯度测量的现状及复兴

评述重力梯度测量的发展史,介绍重力梯度的各种应用,预测重力梯度测量的前景.由于重力梯度值或重力高次导数具有比重力本身高的分辨率,特别适合于探测或研究局部的小地质体及其细节;由于美国海军秘密重力梯度仪技术的公开,并投入工业应用,以及多种新型重力梯度仪正在加速研究,重力梯度测量在石油、金属矿勘探和小地质体探测以及研究方面必将起更重要的作用.     

世界重力梯度仪的研究现状

在对地下结构的探测过程中,重力梯度仪器的研制及其科学的布设方式已经成了一个世界关注的研究课题。笔者介绍了目前世界上存在的基于扭矩和差分加速度计两种测量原理的重力梯度仪,并对其测量原理进行简要描述。然后对基于光学和原子干涉重力梯度测量仪器进行描述,最后介绍了作者提出的重力梯度测量光路,为自主研发绝对重力梯度仪提供技术参考。     

激光干涉重力梯度仪设计方案

介绍两类自由下落式重力梯度测量方法:激光干涉法和原子干涉法,分析对比后发现虽然两种干涉的测量方法不同,但具有相同的潜在精度。通过笔者的自由下落重力梯度测量的初步实验,提出了两种激光重力梯度仪的设计思路,并对其进行了分析和对比。结果表明,双干涉测量法在实现重力梯度仪精度要求的前提下,可以不增大整套设备的体积,并较好地保持双落体自由下落环境条件及运动状态的一致性。     

二维簧片重力梯度仪的研制

利用簧片悬挂二维扭摆,并结合二维电容微位移传感器技术,开展了重力梯度测量装置的研制,这种设计使整个悬挂系统在2个方向上扭转灵敏,增强了系统的稳定性,确保了整个系统的灵敏度。初步实验结果表明,该簧片重力梯度仪的梯度分量W_xx-W_zz和W_xz的分辨率分别达到了47 E和37 E,它主要受到系统检测电路噪声的限制。     

全张量重力梯度数据误差分析及补偿

针对用于航空移动平台的高精度全张量重力梯度测量系统,深入研究了梯度仪12个加速度计按3个不同旋转轴圆盘形成差分组合的结构。在确认该结构具有有效抑制运动共模加速度、减少外界环境干扰、实现高精度探测优点的同时,着重分析了重力梯度仪测量误差的来源和影响。研究表明,主要影响包括仪器固有随机噪声和外界确定性噪声。为定量描述影响程度,推导了在航空动态环境下的测量方程,并分离出加速度计的性能不匹配、平台不稳定、圆盘转速不稳定3个主要固有因素,从时间域和频率域角度定量分析固有影响因素的噪声水平。试验分析表明,通过利用Simulink仿真系统可以获得固有因素产生的噪声水平,并提出抑制方案。针对搭载环境测量误差,还分析了实测飞行中姿态和质量的改变对重力梯度测量值造成的环境影响,提出了基于点质量源的自身梯度校正方法。     

航空重力梯度试验标度场的建立方法研究

航空重力梯度测量受飞行区气流及飞机加速度等因素的影响,需要选择异常较弱的高度进行补偿飞行。为评价梯度仪测量效果和确定补偿飞行高度,需要建立相应高度的标准梯度场作为参考。笔者研究了利用地面重力数据通过曲面延拓和梯度转换建立标度场的方法,并开展了模型验证。利用该方法建立了吉林—黑龙江某航空重力梯度试验区在精度试验飞行高度和拟补偿飞行高度处的标度场,并确定了拟补偿飞行高度选取的可行性。此外,笔者还将延拓转换建立的重力梯度场和起伏地形正演场进行了比较。结果表明,两种方法建立的标度场均可用于梯度仪的测量精度评价和补偿飞行高度的选择。     

基于多元线性回归的航空重力梯度测量自身梯度校正

航空重力梯度勘探中,载体自身产生的重力梯度效应对于超高精度的重力梯度仪而言是一种严重的干扰。由于载体结构复杂,用常规的载体建模并正演难以精确去除这种干扰。本文从统计学角度出发,用多元线性回归来处理自身梯度效应,不需要对载体模型做出任何假设与近似,用纯数据驱动的方式来校正自身梯度的干扰。回归诊断与模型仿真验证了这种校正方式有较高的准确性,并且当实际的转角落在地面标定的范围内时具备预测能力。     

基于深度学习的重力梯度事后误差补偿方法

旋转式重力梯度仪动态测量的误差补偿是航空重力梯度测量的关键技术。因深度学习直接提取数据特征,有望补偿以往通过建模难以补偿的误差,从而进一步提高误差补偿效果,笔者提出了基于深度学习的航空重力梯度测量事后误差补偿方法,利用航空试验实测数据建立数据集,搭建并训练由梯度仪运动参数映射到梯度仪输出噪声的神经网络,利用该网络预测梯度仪输出噪声,以此对其他实测数据进行误差补偿。结果表明,利用深度学习预测的梯度仪输出噪声与实际输出噪声非常接近,补偿后梯度仪输出噪声下降超过一个数量级,补偿的误差水平与梯度仪样机指标接近。     

重力和磁力勘探进入新时期

评论了航空重力测量和航空磁测观测技术,认为重力和磁力勘探进入一个新时期的标志是:航空矢量磁测、全张量磁力梯度测量、航空重力测量、重力梯度测量和无人飞行器地球物理探测。     

Gravity field recovery from airborne gradiometer data using collaction and taking into account correlated errors

Least squares collocation is a very comprehensive method for gravity field modelling, since it may use known noise characteristics of the data. In many earlier applications the errors affecting the data were considered uncorrelated, mainly due to the difficulty in estimating the systematic character of such kind of errors. In this study, error covariance functions of airborne gravity gradiometer data are estimated by comparing model covariance functions with empirical covariance functions of the gravity gradiometer data. The model covariance functions were estimated from accurate surface gravity data and continuated upward to the height of the airborne measurements using the covariance propagation law. The estimated error covariance functions were modeled as finite ones and used as an additional information for the prediction of gravity anomalies from gravity gradiometer data. The assessment of the prediction results was made by comparing the gravity values predicted from the airborne gradient data and showed up to 25% improvement compared to not using correlated errors.     

发展中国航空物探技术有关问题的思考

本文概要介绍了中国航空物探(航磁、航空电磁、航空重力、航空伽马能谱)技术现状,近年来在仪器研制、测量技术、数据处理、解释方法与软件研发等方面的最新进展,分析了中国航空物探技术发展存在的主要问题.对中国航空物探技术的发展趋势进行了探讨.预测航空物探技术将向提高对探测目标的分辨能力和探测深度的方向发展,航空重力测量技术将得到广泛的应用.提出了以国家需求为导向,重点发展航磁多参数测量方法技术、航空重力测量和重力梯度测量技术、大探测深度时间域航空电磁测量技术,突破高温超导探测器研制的关键技术,发展航空重、磁、电的各种反演技术与三维可视化技术,建立物探仪器重点实验室,完善航空物探动态试验场,加快标准化建设,加快发展与航空物探相关行业(如通用航空)等建议.     

航空重力弱信号提取的卡尔曼滤波方法研究

航空重力测量以飞机为载体对重力场数据进行采集.由于气流、飞行状态及机体自身振动等因素的影响,航空重力测量原始数据含有大量的噪声,信噪比高达上万级分之一,因此从原始测量数据中获取弱小重力信号成为航空重力测量系统发展的一个技术难题.本文针对航空重力测量系统将通用卡尔曼滤波公式进行了适应性调整,建立了航空重力异常的数学模型,...     

航空重力起伏飞行中飞机姿态对测量数据影响分析

在航空重力飞行时,针对GT-1A航空重力系统在同一条测线中使用两种爬升率(1 m/s和2 m/s)进行起伏飞行。考察起伏飞行引起的飞机姿态变化对测量数据的影响,以及在航空重力测量中小坡度缓起伏作业的可行性,是笔者的研究目的。试验结果表明,所使用的两种爬升率对航空重力测量数据未有明显影响,GT-1A航空重力系统可以进行缓起伏飞行测量。     

On the use of airborne gravimetry in gravity field modelling: Experiences from the AGMASCO project

Important areas of the earth are still not covered by accurate gravity measurements. The gravity field may be determined by using different techniques but airborne gravity surveying is becoming the most powerful tool available today.One of the main problems in airborne gravity is the separation of the vertical accelerations acting on the airborne platform from the natural gravity signal. With the advances in DGPS techniques new prospects arise for gravity field recovery which are of great importance for geodesy, geophysics oceanography and satellite navigation. Furthermore, airborne gravimetric measurements depend not only on the determination of the position but also on the attitude of the aircraft. Inertial systems can provide attitude as well as information on short-term accelerations, which are more problematic for the gravimeter. A proper integration of these systems may allow a further improvement of the whole technique where the quality of both the accelerometers and the gyros is the key sensing element. In the scope of the MAST III Project AGMASCO, an airborne geoid mapping system was successfully implemented in different aeroplanes. The characteristics of the aeroplane and the flight parameters play a major role in airborne measurements.Within AGMASCO the airborne system was applied both in a close and an open ocean (Skagerrak, Fram Strait and Azores) areas. The system proved to be a powerful tool in a variety of conditions. The results obtained showed that an accuracy better than 2mGal over 5 to 6 kilometres can be achieved.This was proven by comparison of the airborne data with ground truth and satellite data. This accuracy makes the system interesting for use in various applications including geophysical exploitation.Different hardware installations were experienced and the methods validated. Recovery of the gravity values directly from measurements with the Lacoste & Romberg air/sea gravimeter and from measurements with the inertial sensors was analysed. The potential of these sensors to recover gravity and the experience gained within this project are reported here.     

海陆过渡区空地重力数据融合及评价

海陆过渡区是海洋与陆地复合与交叉的地理单元,是资源与环境条件最为优越的地区,将航空重力与地面重力有效融合,形成连续的重力场资料,对海陆过渡区资源与环境评价具有重要意义。本文选择日照—连云港海陆过渡区为示范区,开展了航空重力数据与地面重力数据的融合研究。通过数据整理与对比分析,总结了数据间系统差的确定方法,提出了空地重力数据间一致性与差异性的评估方法,并分别采用剖面和平面两种形式对数据间的一致性和差异性进行了量化评估;在数据量化评估的基础上,采用平面均方根误差法分别对混合法与缝合法的数据拼接质量进行了定量评价,为数据融合方法的选择提供了定量依据。研究结果表明,日照—连云港海陆过渡区航空重力与地面重力数据间剖面上的一致系数为0. 81~0. 99,平面上的一致系数为0. 95,数据间一致性较高,具备较好的数据融合基础;对比试验表明,缝合法对于海陆过渡区空地重力数据融合效果更佳,采用缝合法融合后的重力数据与原始空地重力数据间的均方差分别为2. 63×10 -5 m/s 2 、0. 98×10 -5 m/s 2 ,取得了较好的融合效果。日照—连云港海陆过渡区空地重力数据的融合,为同类地区开展多源重力数据的融合提供了借鉴。     

天津周边海-陆过渡地区航空重力调查及主要成果

随着人类对海洋矿产资源需求的日益增加,海洋基础地质调查对海洋矿产资源勘探具有重要意义。我国海洋地质地球物理调查起步较晚,整体工作程度较低,而航空重力测量作为一种快速高效的地球物理测量方法,对加强海洋基础地质调查研究具有重要作用。2006年我国引进了国际先进的GT-1A航空重力测量系统,并于2011年首次在天津周边海-陆过渡地区开展了1:20万比例尺航空重力测量工作,完成了高质量的航空重力测量数据3万测线公里,在海-陆过渡地区实现了海-陆连续测量,填补了研究区内高精度航空重力测量的空白。阐述了本次航空重力调查工作取得的主要成果,并从航空重力的角度对研究区内石臼坨凸起进行了研究,认为石臼坨凸起基底具有分段性,并圈定出新的基岩凸起构造,为石臼坨凸起油气资源的进一步勘探提供方向; 同时对渤中凹陷正高磁异常体可能的地质成因进行了探讨。对海-陆过渡地区主要构造单元的重力场特征进行研究,在基底和断裂研究方面取得的新认识对海-陆过渡地区基础地质和环境研究具有重要意义。