重力梯度的空间传播特性

基于球谐函数谱分析理论，导出了重力梯度张量住全球平均意义下的功率谱表达式，从理论上研究和揭示了重力梯度的空间传播特性。利用重力异常阶方差模型和EGM96重力位模型，研究了苇力梯度张量和扰动重力梯度张量随高度的衰减特性，据此分析了卫星重力梯度测量所能恢复重力场的最高阶数，并讨论了对卫星重力梯度仪和卫星定轨的精度要求。     

利用重力异常数据构建重力梯度场的方法比较

为实现大范围、高精度基准重力梯度数据库的构建,考虑到重力梯度场对地形质量的敏感效应,一般利用恒密度数字高程模型来求取重力梯度值,从而忽略了地形密度变化以及水准面以下密度异常对重力梯度的影响。根据重力位理论中求解边值问题的数值应用方法,直接利用重力异常数据求取重力梯度场,弥补了密度变化和密度异常在重力梯度上的反映。根据模型算例和实测重力异常数据求取了剖面重力梯度值,结果表明,限于重力数据空间分辨率的影响,利用重力异常数据可恢复中长波段重力梯度场。该方法与地形数据求取重力梯度和卫星重力梯度测量等方法技术相结合,对重力梯度数据库的建设具有实际应用价值。     

关于动态航空重力测量中的理论模型的研究

当一个载体(比如飞机)处于一般运动状态时,它不仅“感受”到引力,同时还“感受”到惯性力。因此,在动态航空重力测量中(载体是飞机),为了提取出重力(或引力)信息,关键的问题是解决如何有效地将引力与惯性力分离开来。引力与惯性力的分离涉及到内部分离(不借助外部观测信号)和外部分离(仅利用外部观测信号)。本文的研究仅限于内部分离问题。本文以广义相对论为基础,在仔细研究了受力质点的世界线偏离方程之后得出结论,纯引力场信息可通过黎曼张量反映出来,而黎曼张量可以用重力梯度仪加惯性平台(惯性陀螺)来测定。同时,本文还讨论了黎曼张量与牛顿引力理论中的重力梯度之间的关系并建立了仅用内部观测手段实施航空重力测量的模型。     

全张量重力梯度数据的谱表示方法

在文献「１」的基础上,进一步研究全张量重力梯度数据的全局和局部分量的广义球谐谱表示和轨道根数据表示,并给出了广义球谐函数与球谐函数这间的关系,从理论上得到了全张量重力梯度数据的描述方法和由全张量重力梯度网格数据恢复全球重力位谱系数的基本公式,本文对全张量重力梯度数据的谱表示和谱分析所做的工作,对由重力梯度张量的部分分量恢复全球重力位普系数有一定的参考价值。     

扰动重力梯度的非奇异表示

在局部指北坐标系中用地心球坐标来表示扰动重力梯度张量,当计算点趋近于两极时,由于Legendre函数的一阶和二阶导数以及分母上所含余纬的正弦函数,将导致扰动重力梯度张量的计算出现无穷大。因此,本文引入了Legendre函数的一阶和二阶导数以及 无奇异性的计算公式,并且进一步推导了 无奇异性的计算公式。在将Legendre函数的一阶和二阶导数以及 、 无奇异性的计算公式代入到扰动重力梯度张量各分量的求解中时,又充分考虑了m等于0,1,2以及其它量时的复杂情况,建立了扰动重力梯度张量各分量无奇异性的详细计算模型。通过模拟实验表明,本文所建立的详细计算模型不仅能够完全满足当前卫星重力梯度张量计算的精度要求,而且模型稳定、可靠、易于编程实现。     

导航用重力梯度基准图构建方法的比较研究

基准图是重力梯度辅助导航实用化研究的关键技术,由于依靠实测构造大范围基准图还需要较长时间,理论模型逼近重力梯度开始成为可行的构图方法。系统研究了一种基于自由空间异常或布格异常数据的构图方法,避免了相关研究构建梯度图时较少考虑标准测量数据,构图结果物理意义不明确和缺乏实用性的缺点。以重力归算理论推导了构图方法原理,然后用频域算法实现构图过程中两个关键计算过程,通过算例分析了构图效果。所构基准图数值、轮廓等关键特征均与实测重力梯度吻合较好,证明了该方法在重力梯度辅助导航基准图构建中的实用价值。     

重力均衡与地形波长——兼论均衡理论不适宜于珠峰重力值的推估

150多年来，重力均衡的理论已得到很大的发展，均衡异常与大地水准面差距在地球科学诸多学科中已得到了广泛的应用，各种均衡理论及其相应的重力异常在各种文献中已作了比较和评论；不同波长地形的重力效应，包括短波长的地形不能构成补偿也作了进一步研究。因此，在局部场中不宜用均衡补偿的方法作山区重力点值的推估，而曾经仅用地形（高程）的数据推估珠穆朗玛峰顶上的重力倒是适合的。     

应用全张量重力梯度组合识别并提取中国南海断裂

断裂构造研究是重力解释的一项重要工作,与构造单元划分密切相关。全张量重力梯度数据以其信息量大、含有更高频的信号成分,能更好地描述小的异常特征等优点在地球物理领域中得到广泛应用。基于全张量重力梯度组合研究中国南海断裂识别及提取方法。首先,比较多种重力梯度边界识别方法,包括直接利用重力梯度三分量法和全张量梯度组合法,分析它们的优缺点。通过对比分析,传统重力梯度三分量方法不能有效地均衡深浅异常的振幅,当异常中同时出现正负异常可能产生假的边界结果。全张量重力梯度组合法不仅可以有效地避免传统方法的缺陷,而且获得的边界还具有良好的连续性和收敛性。其次,利用改进的边缘检测计算理论边界提取法确定断裂的精确平面位置,得到了与全张量梯度组合法一致的结果。由此推断,南海断裂以北东走向和北西走向为主,北东东、北西、东西和近南北走向为辅。     

航空和地面重力测量数据的一体化处理方法

在三维经典扰动位协方差模型基础上,推导获得局部重力异常协方差模型、局部扰动重力协方差模型,以及扰动重力和重力异常的互协方差模型,这3个模型在忽略小项后是一致的,即航空扰动重力数据与地面重力异常数据的联合处理采用一个模型即可,大大简化了处理流程.以最小二乘配置理论及本文推导的协方差模型为基础,构建了航空扰动重力测线数据与地面重力异常数据一体化处理的具体方法,利用该方法可推估地面待求点的重力异常数据,且处理过程自动完成了航空扰动重力数据的向下延拓,同时也大大削弱了航空数据中存在的系统偏差影响.在某试验区开展了一体化处理试验,结果表明,采用一体化处理得到的重力异常数据比单独使用5'分辨率航空重力数据推估获得的数据精度提高2.4 mGal,比单独使用2.5'分辨率地面重力数据推估获得的数据精度提高1.2 mGal.     

重力梯度特征向量和多尺度分析法在密度异常深度探测中的应用

相较于传统的重力测量手段,重力梯度测量能够以更高的灵敏度和分辨率反映出地下密度异常体的结构特征。随着科学技术的不断发展,航空及卫星重力梯度测量系统已经投入使用,并实现了大范围高精度的重力梯度测量。因此,现阶段的主要挑战在于对越来越多的重力梯度数据进行分析、处理和解释。本文根据重力梯度全张量主特征值对应的特征向量,对密度异常体的深度探测进行了研究。由于不同埋深的密度异常体具有不同的波长反映,利用多尺度分析法可以分解出不同频段重力梯度张量,从而增强对更大埋深密度异常体的探测分析能力。通过对模型和实测重力梯度数据的分析解算,结果表明,重力梯度的特征向量和多尺度分析法能够有效地确定密度异常体的深度信息,并且对干扰场源和随机噪声也具有一定的抗干扰能力。     

Solving three types of satellite gravity gradient boundary value problems by least-squares

The principle and method for solving three types of satellite gravity gradient boundary value problems by least-squares are discussed in detail. Also, kernel function expressions of the least-squares solution of three geodetic boundary value problems with the observations {Гzz}, {Гxz, Гyz} and {Гxx ? Гyy, 2Гxy} are presented. From the results of recovering gravity field using simulated gravity gradient tensor data, we can draw a conclusion that satellite gravity gradient integral formulas derived from least-squares are valid and rigorous for recovering the gravity field.     

引力向量及梯度张量在坐标系之间的变换

引力向量和引力梯度张量在局部和全局坐标系间的转换过程是对卫星重力梯度测量进行模拟研究的主要手段和重要步骤.提出了利用计算机符号运算辅助推导该转换过程的新思想.首先通过对该过程进行分析,指出其运算繁琐复杂;然后通过对理论推导过程的分解,确定了引力向量和引力梯度张量在局部和全局坐标系之间转换的各关键步骤;并借助于计算机符号运算实现了这一转换过程的计算机推演,成功地得到了完整的符号公式结果.所编写的符号推演程序在多台计算机的多种平台上获得了一致的结果.实验结果表明,计算机符号运算对于公式体系繁杂的卫星重力学理论研究来说具有极大的增效作用.     

引力向量及梯度张量在坐标系之间的变换

引力向量和引力梯度张量在局部和全局坐标系间的转换过程是对卫星重力梯度测量进行模拟研究的主要手段和重要步骤。提出了利用计算机符号运算辅助推导该转换过程的新思想。首先通过对该过程进行分析,指出其运算繁琐复杂;然后通过对理论推导过程的分解,确定了引力向量和引力梯度张量在局部和全局坐标系之间转换的各关键步骤;并借助于计算机符号运算实现了这一转换过程的计算机推演,成功地得到了完整的符号公式结果。所编写的符号推演程序在多台计算机的多种平台上获得了一致的结果。实验结果表明,计算机符号运算对于公式体系繁杂的卫星重力学理论研究来说具有极大的增效作用。     

重力辅助惯性导航中重力归算的垂直梯度计算

重力辅助惯性导航技术是利用地球物理特征信息数据—重力来完成水下运动载体的辅助导航与定位。为了实现水下运动载体上重力传感器输出的实测重力信息与重力数据库中存储的重力信息之间的匹配,首先必须将这两类数据归算到一个平面。本文研究分析了重力归算中重力垂直梯度求解的各种方法;探讨了不同数值积分区域对扰动重力垂直梯度精度的影响;并通过计算分析,提出了可以直接以重力异常垂直梯度代替扰动重力垂直梯度来求取重力垂直梯度。     

利用多元回归分析反演西南印度洋区域海底地形

针对海底地形与重力异常和重力异常垂直梯度在相应频段呈现强线性相关的特点,引入多元回归分析技术,提出并详细推导了联合多元重力数据的海底地形建模方法。然后,在西南印度洋SWIR(Southwest India Ridge)所在部分海域开展了海底地形反演试验及地形地貌分析研究。试验结果表明:6种海深模型中,基于多元回归分析技术构建的海深模型(BDVG模型)检核精度最高,相较于S&S V18.1模型和ETOPO1模型精度分别提高了11.51%和57.81%左右;2000 m以上水深海域,各个海深模型的检核精度较高,相对误差波动较小,反映了深海海域具有良好的反演效果;地形起伏剧烈海域或者浅海海域,BDVG海深模型,相较于以重力异常和重力异常垂直梯度作为单一输入源建立的BDG模型和BVGG模型相对误差及相对误差波动变化较小,反映了BDVG模型拥有更好的稳定性,从而体现了联合反演的必要性和优势。Indomed FZ—Gallieni FZ上唯一轴部缺失裂谷洋脊段(27洋脊段)目前属于岩浆供应充足阶段,构造作用的海底扩张对其影响较小;同时由于对称裂离方式影响,27洋脊段沿轴南北对称分布有地形隆起。     

重力垂直梯度测量探测能力的正演

重力垂直梯度测量是一种探测地质构造、小地质体位置的技术,但利用该技术对地下空洞的探测还没有深入地研究。通过假定地下空洞的位置和体积,采用正演方法对重力垂直梯度测量探测地下空洞的能力进行研究,分析不同埋深及体积的人造空洞对地面重力及重力垂直梯度的影响;并利用CG-5重力仪进行了初步实验。实验表明:重力垂直梯度对浅层地下空洞具有很好的探测能力;通过正演计算表明:在埋深超过200 m时,地下空洞对重力垂直梯度的影响近似与体积成正比,在埋深超过400 m时,地下空洞的埋深对重力垂直梯度的影响近似成线性下降。     

重力数据的多尺度边缘分析及其应用(英文)

In order to improve the processing and interpretation of gravity data, multiscale edge theory in image processing is introduced into the study of gravity field. Multiscale edges of gravity anomaly are analyzed based on a special wavelet. It shows that the multiscale edges are the extrema points of the horizontal gravity gradient at different heights, which are related to the sharp discontinuities of underground sources. The applications of multiscale edge in downward continuation and gravity inversion are discussed. The simulated examples show that the multiscale edges can be applied to stabilize the downward continuation operator when the continuation height is low. The multiscale edges also have a convenient application to infer the geometry of the underground source. Moreover, the gravity inversion algorithm based on the multiscale edges has a good antinoise property. Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.40704003), the National 973 Program of China(No.2007CB714405), the Open Research Fund from Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy(No.04-01-08).     

航空重力梯度的多参量位场转换

目前广泛使用的非全张量航空重力梯度测量系统,不能测量重力梯度全部张量,限制了航空重力梯度的应用.因此,需要研究航空重力梯度不同分量之间的位场转换.根据重力梯度与扰动重力位内在的频率微分关系,联合多参量在拟合观测参量最优的条件下反演扰动重力位,实现了联合多参量的位场转换.实验表明,相对于传统的单参量位场转换,多参量位场转...     

海洋平均重力异常计算与精度估计

提出了一种简便实用的重力异常推值方法──方位距离加权中数法，给出了直接使用重力异常变化梯度作为衡量平均重力异常计算精度的尺度，并运用ＯＳＵ９１Ａ模型成功地建立起重力异常变化梯度与平均重力异常计算精度的相关关系，通过此关系可对海洋平均重力异常计算精度作出比较可靠的估计。