卫星重力梯度观测数据L1级构建方法

高精度重力梯度观测数据L1级构建的系统方法是推进我国自主重力卫星任务重要的基础数据处理技术.本文以GOCE卫星L1级数据预处理技术和关键载荷原始数据为参考,面向我国发展的梯度测量卫星的任务需要,系统研究并初步实现了卫星重力梯度观测数据L1级构建方法,主要包括加速度计电压数据转换、多星敏感器联合姿态数据的角速度重建、卫星重力梯度分量构建等技术内容.计算结果表明,加速度计超灵敏轴精度为10^-10~10^-11m·s^-2·Hz^-1/2,达到重力梯度仪设计精度要求;多星敏感器联合解算最佳姿态角速度w_y、w_z在10~100 mHz内精度约提升1个量级,其精度约达到10^-5 rad·s^-1·Hz^-1/2量级,能够有效抑制低精度角速度分量在坐标系转换中导致的噪声传播;基于维纳滤波方法恢复的角速度在5~100 mHz频段内的平方根功率谱密度提升了（5.21~6.56）×10^-11 rad·s^-1·Hz^-1/2,显示了基于高精度角速度解算重力梯度分量的必要性;构建重力梯度各分量计算值与全球重力场和海洋环流探测器（GOCE）官方公布的重力梯度分量精度相当,其梯度张量的迹在20~100 mHz频段范围内约为10 mE·Hz^-1/2,验证了本文构建方法的有效性.研究工作可为下一步我国推进实施民用重力梯度测量卫星任务提供自主的原始数据处理技术支撑与储备.

     

旋转式航空重力梯度仪动态测量误差传递模型与事后误差补偿

航空重力梯度测量技术可快速、高效地完成面积性重力梯度数据采集工作,在矿产资源勘查、军事目标探测等诸多科学领域具有广泛的应用.而航空重力梯度动态测量误差补偿方法是重力梯度动态测量数据处理中的一项重要工作.本文首先对旋转式重力梯度仪误差传递机理进行了定量分析,在综合考虑重力梯度仪系统非理想因素相互作用的情况下,建立了多种非理想因素与外部动态运动参数相耦合的误差传递模型;其次,提出了基于数据驱动的深度学习方法对航空动态测量误差进行补偿,并基于误差传递传递模型建立仿真数据样本集验证了方法的有效性;最后,通过航空重力梯度仪实测数据的处理和应用,验证了本文建立事后误差补偿方法的泛化性,进一步验证了本文建立方法在航空动态测量噪声抑制中的实用性,为航空重力梯度动态测量数据的处理提供技术储备.

     

静电悬浮加速度计在轨质心位置的最小二乘估计

本文使用国内首次搭载飞行的静电悬浮加速度计在轨数据与卫星姿态数据,对加速度计与卫星质心的相对位置进行了估计测量.文中分析得到,在卫星姿态机动时,加速度计的输入加速度主要来自于离心加速度及角加速度引入的线加速度.结合卫星姿态机动时陀螺仪的测量数据,使用最小二乘法对加速度计质心位置的三个分量进行了联合估计.结果表明：质心位置的估计精度达到约6 mm水平,主要受限于卫星平台条件和加速度计测量精度限制.利用本文方法对未来重力卫星任务进行了分析,若使用精度为1×10^-10 m·s^-2加速度计以及2角秒分辨率的星敏感器,可将质心位置估计精度提高至4.6×10^-6 m水平.

     

卫星重力梯度测量中星载重力梯度仪潜在测量精度研究

目前卫星重力梯度测量精度主要受限于核心载荷重力梯度仪的噪声.要提高卫星重力梯度测量的精度,首先要发展更高精度的星载重力梯度仪.在该背景下,本文一方面针对已成功搭载GOCE卫星飞行的静电式重力梯度仪,基于静电控制的工作原理,探讨了静电式重力梯度仪测量精度的根本受限因素,分析表明,通过改进敏感探头的设计以及降低动态范围,静电重力梯度仪的极限测量分辨率可达0.3 m E/Hz1/2;另一方面,建议发展原子干涉型的星载重力梯度仪,在空间微重力环境下,其潜在测量灵敏度高达0.03 m E/Hz1/2,有望为未来完善50~100 km空间分辨率的全球重力场模型提供一种可能的技术途径.     

汤东活动断裂带土壤H2、Rn地球化学特征

为研究汤东断裂带土壤气体地球化学特征及其所反映的构造地球化学背景, 采用野外监测的方法分析了张河村与邢李庄村两条测线的土壤H₂、 Rn分布特征。 结果表明, 张河村H₂浓度、 Rn活度浓度的分布范围分别为0.24×10^-6～174.7×10^-6、 13.3～69.8 kBq·m^-3, 背景值分别为14.26×10^-6, 24.8 kBq·m^-3。 邢李庄测线H₂浓度、 Rn活度浓度的分布范围11.8×10^-6～67.06×10^-6、 43.6～72.6 kBq·m^-3, 背景值分别为37.13×10^-6、 72.6 kBq·m^-3。 张河村测线在90～105 m处, H₂、 Rn出现强烈高值异常, 而120～150 m处出现高值异常。 异常值位于断裂带附近, H₂、 Rn气体测值对断裂位置具有良好的指示作用。 气体异常主要受汤东活动断裂构造控制, 汤东断裂下方的深大断裂和汤阴地堑中下地壳的低速体对深部气体释放有重要作用。     

宽频带超导重力仪的研制进展

本文报道一种构建宽频带高分辨率超导重力仪（SG）的方法.与已商业化的GWR超导重力仪类似,新型超导重力仪同样使用磁悬浮超导检验质量来构建弹簧振子结构,不同的是弹簧振子的固有频率更高,可以有效覆盖地脉动频带.同时,利用基于超导量子干涉器件（SQUID）的位移传感技术,大幅提高了位移传感灵敏度,以保证仪器在测量带宽扩展之后仍具有与GWR仪器相当的测量分辨率,从而实现对时变重力信号与地球背景噪声信号的同时高分辨观测.宽频带超导重力仪核心部件垂向超导加速度计（VSA）的设计、组装和初步测试已经完成.结果表明,加速度计的噪声本底为8 μGal/Hz^1/2@0.1 Hz,实现了对地脉动信号的高分辨率测量.而为了将仪器噪声本底降低到GWR仪器水平,加速度计的固有频率需要进一步减小,该部分参数优化工作正在进行.本文将对垂向超导加速度计的工作原理、结构和测试结果进行详细介绍.

     

GOCE卫星重力测量中有色噪声滤波器设计

本文根据卫星重力梯度测量的有色噪声特性,设计了Wiener、AR、FIR三种滤波器,并利用模拟的有色噪声数据对其滤波效果进行了测试,结果表明:对于文中采用的有色噪声数据,AR的滤波效果最好,其次为Wiener滤波器,FIR的滤波效果最差;三种滤波器均可用于GOCE卫星重力测量中有色噪声数据滤波,但其实用性尚需利用实测数据进行检验;可以利用不同的滤波器对含有色噪声的卫星重力梯度数据进行多次滤波,以进一步减弱有色噪声对卫星重力梯度测量精度的影响.     

激光干涉绝对重力仪干涉信号处理算法的动态适应性及其船载应用评估

激光干涉绝对重力仪干涉信号处理算法的动态适应性研究是进行动态绝对重力测量的基本前提。本文基于希尔伯特变换、直接正交法、过零点法三种瞬时相位处理算法,提出了基于背景振动物理量的合理动态约束条件,即反向的振动速度不能超过落体的下落速度。构建的单频振动信号仿真实验表明:在满足约束条件时,采样频率为60 MHz,希尔伯特变换算法的精度优于10^-13 m/s²,过零点算法的精度优于10^-9 m/s²,直接正交算法的精度为(-7.9±2.0)×10^-8 m/s²。基于海浪模拟平台的实测试验表明:满足约束条件时,这三类瞬时相位处理算法均适用于动态环境,并获得了标准差为4.6×10^-5 m/s²的绝对重力测量值。更进一步,基于本文动态适应性结论对系泊和海面船载动态环境进行评估,结果表明:测量船在3级以下海况可以进行10^-5 m/s²量级绝对重力的测量;在3—4级海况下,需根据振动信号对...     

郑州地震监测中心站连续重力仪背景噪声水平分析

选取2009—2019年郑州地震监测中心站连续重力观测数据,结合地震频段观测数据精度,分析中心站背景噪声水平,结果发现：①潮汐和气压等因素对重力观测数据的亚地震频段和潮汐频段的平均功率谱密度值(PSD)影响较大,在地震频段影响较小;②通过对月地震噪声等级值(SNM)的分析,发现较小值多集中在每年2月(农历春节前后);③在研究时段内,地震频段噪声等级SNM值范围在(3.107—3.268)×10^-16 (m·s^-2)²/Hz,重力固体潮汐观测精度P_L范围在(0.130—0.278)×10^-8(m·s^-2)·(Hz·s)^-1/3,与gPhone-1相对重力仪相比,PET重力仪观测数据存在一定漂移,其P_L数值略大,表明观测环境和仪器性能共同制约着重力观测精度。     

利用超声尾波观测1.5 m长岩石断层黏滑实验的波速变化

在实验室内利用超声尾波观测大尺度（1.5 m）岩石断层的黏滑过程.利用基于尾波干涉的观测方法,我们获得了高达10^-6的相对波速变化的观测精度,这相当于~10 kPa的应力变化.利用高精度的测量,我们获取两种不同加载速率下（1 μm·s^-1,10 μm·s^-1）黏滑过程三个阶段（恢复、加载和滑动）基于波速变化的特征量.我们更进一步获取了断层失稳阶段波速变化的时空演化过程.最后讨论了该观测方法需要改进的地方.以上研究结果表明作为一种对现有实验观测手段的有益补充,利用超声尾波观测实验室大尺度岩石断层的动力学过程是可行的.

     

航空重力傅里叶基追踪低通滤波方法研究

航空重力测量受到各种各样的高频噪声干扰,因此,低通滤波是提取重力信号的重要环节,其关键在于设计性能优越的低通滤波器.目前航空重力测量中常用FIR（Finite Impulse Response）低通滤波方法存在明显的滤波边缘效应,导致不得不舍弃边缘部分数据.针对这一问题,本文引入一种可以有效抑制边缘效应的新方法——傅里叶基追踪低通滤波方法（Fourier Basis Pursuit Low Pass Filter,FBPLPF）.该方法通过基追踪准则,选择全局优化,采用凸优化中的内点算法,将低频信号挤压在低频上,实现低频信号与高频信号的有效分离,能够有效减少有限时间序列造成的谱污染和谱泄漏.最后利用仿真实验和实测数据对该方法进行了验证,均方根误差（RMS）东西测线为0.7×10^-5 m·s^-2,南北测线为1.4×10^-5 m·s^-2,与FIR低通滤波方法舍弃边缘数据后统计的均方根误差相当.表明该方法可以不舍弃或者舍弃少量边缘数据,提高航空重力数据的利用率.

     

基于同步观测信息利用的高寒湖泊湍流通量数据插补方法

源区划分和质量过滤提高湖面涡动相关通量数据可靠性的同时,却降低了通量时间序列的连续性.为此,本文基于TensorFlow机器学习框架构建了一种超宽人工神经网络(ANN)模型.在选择输入ANN模型的特征变量信息时,我们采取了尽可能获取湍流输送过程中热力、动力学同步观测背景强迫信息的原则.通过ANN模型模拟通量的插补,本文实现了通量时间序列连续性的优化,插补后的羊卓雍错湖面通量数据的时间覆盖率从不足0.40提升至超过0.98.基于10次折叠交叉验证的ANN模型通量模拟性能检验则表明,各个检验组之间ANN模型的模拟误差波动较小,这显示出了较好的稳健性.具体地讲,感热通量、潜热通量和水汽通量原始观测平均值分别约为18.8 W/m²、81.5 W/m²和1.84 mmol/(s·m²),10组交叉验证的插补感热通量、潜热通量和水汽通量平均绝对误差分别为5.4 W/m²、15.7 W/m²和0.35 mmol/(s·m²).这表明本文所探索的ANN建模结构和同步观测变...     

基于地面重力的卫星重力梯度检校方法

卫星重力梯度仪在轨检校是提高梯度模式重力卫星观测质量的关键.本文面向中国未来梯度模式重力卫星规划任务,研究提出一种基于地面重力的卫星在轨检校方法,该方法顾及卫星设计指标,从地面先验重力数据的精度、空间尺度以及卫星重力梯度仪的观测噪声等卫星检校要素开展分析研究,成功实现地面数据与卫星观测数据的比对检校.研究结果表明,在12°×12°的地面检校区域内,利用精度优于1 mGal的地面重力观测数据即可实现噪声低于10 mE的重力梯度仪高精度在轨检校.

     

2020年7月22日阿拉斯加7.8级地震同震电离层扰动分析

利用全球导航卫星系统(GNSS)、电离层测高仪和地震仪数据, 从振幅及波形、时空分布、传播速度与方向、时频域等角度对2020年阿拉斯加7.8级地震同震电离层扰动(Co-seismic ionospheric disturbances, CIDs)特性进行探究.卫星G03、G04和G09在地震西部探测到3类CIDs, 最大扰动幅度约0.1 TECU (1 TECU=10¹⁶ el/m²), 并且均沿着地震断层破裂延伸方向(西南方向)传播; 而在地震北部与东部未发现CIDs.根据CIDs的速度及中心频率将其分为三类, 第一类为高速传播的CIDs(速度约为2.93 km·s^-1), 中心频率约11 mHz, 符合瑞利波激发的电离层扰动特征; 第二类CIDs的传播速度约为1.69 km·s^-1和1.55 km·s^-1, 中心频率约4.5 mHz和4.7 mHz, 符合声波引起的电离层扰动频率; 第三类CIDs速度约为0.98 km·s^-1和1.11 km·s^-1, 中心频率约2.9 mHz, 可能为声波引起的另一类电离层扰动.同时, 利用CIDs时空数据估计的CIDs扰动源位置与震中较为接近, 进一步说明电离层扰动由地震激发.通过对GNSS站及地震仪位移的分析, 估计了地震瑞利波沿西南方向传播速度与第一类CIDs较为吻合, 验证了第一类CIDs由瑞利波激发, 且断层的垂直位移是引起电离层扰动的重要因素.测高仪观测到电离层临界频率(f₀F₂)发生显著波动, 探测到CIDs的传播速度约1.02 km·s^-1, 传播速度和方向与卫星G03、G04探测的CIDs较为吻合, 推断其属于第三类CIDs.

     

四川龙门山断裂带高精度地壳/岩石圈黏度结构及其动力学意义

岩石圈黏度是大陆动力学研究中一个重要参数,但是岩石圈黏度,尤其是横向小尺度（< 100 km）黏度结构的确定是一个挑战.本文根据电阻率和黏度与它们控制因素的相似关系,直接把一条跨过青藏高原东缘和四川龙门山断裂带的大地电磁（MT）探测的电阻率剖面转换成黏度结构作为输入,在GPS速度和地表地形数据的约束下,利用地球动力学数值模拟获得了该剖面的二维地壳/岩石圈黏度结构.本文推断的黏度与前人获得的区域尺度的黏度值一致,但揭示出了更多的细节.本文的黏度结构揭示出研究区域内的地壳/岩石圈黏度存在较大的空间变化范围（约5量级）,黏度值分布在1.48×10¹⁷~8.44×10²² Pa·s之间;龙门山断裂带下的黏度存在强烈的小尺度横向变化,其中、下地壳的黏度分别为1.99×10¹⁸~8.21×10²⁰ Pa·s（平均1.17×10²⁰ Pa·s）和4.09×10¹⁹~7.08×10²⁰ Pa·s（平均1.77×10²⁰ Pa·s）.基于该黏度结构的地球动力学模型表明驱动青藏高原中-下地壳物质流动的可能是热-化学浮力,以及上地壳和中-下地壳可能处于解耦状态.本文获得的黏度结构可以为龙门山断裂带地震成因和机制、岩石圈小尺度变形和构造应力状态的深入研究提供重要的帮助.

     

卫星重力梯度恢复地球重力场的频谱分析

根据仪器功率谱密度和重力位系数阶方差的定义,本文建立了卫星重力梯度测量噪声功率谱密度与重力场模型的误差阶方差的直接对应关系,并基于此讨论了重力梯度测量精度、卫星轨道高度以及运行时间对地球重力场恢复精度的影响.相比于传统的基于最小二乘法评估卫星载荷噪声对地球重力场恢复精度的影响而言,本文提出的方法简单、直接,有助于快速设计和确定卫星重力测量计划的有关参数.     

基于加速度计重力梯度仪分析与设计

目前,重力梯度仪成为重力仪器的主要研究方向,国内尚无此种仪器问世.本文利用加速度计在旋转载体中测量公式,推导出基于加速度计重力梯度仪测量公式.分析利用此公式进行重力梯度测量时需要注意的问题.然后以美国Bell/Aero公司生产的重力梯度仪为例,导出旋转加速度计式重力梯度仪测量结果.最后总结出基于加速度计重力梯度仪设计过程中存在的各种误差,并给出解决这些问题的方案.为国内重力梯度仪的研究工作提供理论依据.     

Spectral analysis for recovering the Earth's gravity potential by satellite gravity gradients

根据仪器功率谱密度和重力位系数阶方差的定义,本文建立了卫星重力梯度测量噪声功率谱密度与重力场模型的误差阶方差的直接对应关系,并基于此讨论了重力梯度测量精度、卫星轨道高度以及运行时间对地球重力场恢复精度的影响.相比于传统的基于最小二乘法评估卫星载荷噪声对地球重力场恢复精度的影响而言,本文提出的方法简单、直接,有助于快速设计和确定卫星重力测量计划的有关参数.     

几种旋转地震仪在深部地下巷道的观测对比

光纤旋转地震仪具有宽频带、高灵敏度、便携等优点,在地震旋转运动的观测中有着广阔的应用前景.光学旋转地震仪的性能会受观测环境噪声的影响,因此,在低噪环境下测试仪器的自噪声、验证其对远震信号的分辨能力是非常有意义的.利用淮南停产的潘一东煤矿-848 m的地下巷道空间,我们开展了深部地下地震联合观测试验,对比了R-2型电化学式旋转地震仪与FOS1、FOS2、FOS3三种光纤旋转地震仪的自噪声水平,及其记录的远震Love波信号垂向旋转分量与切向加速度的相干性.观测与分析结果表明：光纤旋转地震仪的灵敏度高于R-2电化学式;较小的体积使得FOS3型六分量地震计的自噪声较高,而相对大体积的FOS1型单分量与FOS2型双分量光纤旋转地震计具有更低的自噪声和Allan方差,能有效捕获1000 km左右的远震旋转信号,且二者观测地震事件的波形具有较高的一致性.表明深地环境可用于光纤旋转地震仪的自噪声测试和比对,且有助于国内旋转地震仪性能的提高.

     

利用重力梯度张量等位面曲率的地质体定位

针对重力梯度张量曲率的研究, 前人的工作主要集中在重力张量曲率的解释及边缘检测中, 几乎没有涉及到地下密度异常体的定位.本文结合重力矢量和重力梯度张量提出了一套基于重力梯度张量等位面曲率的地下密度异常体位置估计策略.首先, 从重力梯度张量等位面曲率的基本定义出发, 计算重力梯度张量等位面曲率.然后, 通过寻找球面或圆形等位面的重力梯度张量曲率, 提出了利用最大主曲率定位地下密度异常体位置的源参数估计方法, 并详细推导了估计3D球体(质点)和2D水平线源位置信息的解析表达式.再者, 针对噪声和多源存在的情况, 提出了一套利用重力梯度张量等位面曲率获得密度异常体位置信息的稳健估计流程, 并利用模糊C均值聚类算法进一步确定地下密度异常体的中心位置.最后, 通过理论模型测试和文顿盐丘实测航空重力梯度数据测试, 验证了本文算法的可行性和可靠性.结果表明: 在满足曲率半径定义条件的情况下, 本文所提出的源参数估计方法可以定位单个或多个地下3D和2D密度异常体的空间位置, 具有较好的稳健性和抗噪能力.该方法拓展了重力梯度张量曲率的应用范围, 可为重力梯度张量的三维反演工作提供先验的空间位置信息.