除特别声明外,本书论述的海空重力测量是指在海面或空中开展的相对重力测量,即通过测定两个不同点所感应到的物理信息的差异推算出两点之间的重力差,并利用已知重力基点的重力信息,将绝对重力值传递到各个测点。
相对重力测量可采用静力法或动力法来实施,静力法通过测定不同点上用来平衡该点重力加速度变化的平衡力的大小来获取两点重力差信息;动力法通过测定质点在不同点上做有规律的周期性运动产生的各种物理参数的变化来获取两点重力差信息。
动力法采用摆仪,因摆仪测量精度只能达到mGal且观测效率不高,已很少采用。静力法所使用的仪器称为重力仪,例如观测负荷弹簧的伸长即属此类,此类仪器称为弹簧重力仪。
除了关键的核心部件(重力传感器和位置传感器)以外,一个完整的海空重力测量系统还应包括稳定平台系统、强阻尼系统、减震系统、数据采集记录及控制系统和不问断电源系统等一些辅助设备,它们都是海空重力测量系统必不可少的组成部分。
海空重力测量系统分为两轴(也称双轴)稳定平台型、三轴稳定平台型和捷联惯导型三大类型的海空重力测量系统。
1、两轴稳定平台型
在海空重力测量特别是航空重力测量中,处于运动状态的测量载体都不可避免地受到各种干扰加速度的影响,垂向干扰加速度和水平干扰加速度是两种主要的误差影响源。此时,如果重力传感器的垂直指向轴与地球引力方向不一致,那么上述两类干扰加速度会对重力仪读数产生附加影响。虽然通过数学建模能够减弱这些干扰加速度的影响程度,但对于高精度海空重力测量,这种影响严重制约了海空重力测量成果精度的提高幅度。为此,仪器生产厂家为重力仪增加设置了稳定平台系统,通过稳定平台保持重力仪感应轴始终处于垂向,从而最大限度地消除了干扰加速度对重力观测结果的影响,这样不仅可以较大幅度地提高海空重力测量的精度,而且能够有效提高海空重力仪抗击外部恶劣测量环境影响的能力。此外,稳定平台系统在有效隔离各类动态环境干扰的同时,也在定程度上减小了重力传感器的测程范围。
两轴稳定平台型重力仪有美国LCR型海空重力仪和德国的KSS型海空重力仪。
LCR SⅡ型海空重力仪的结果图如下图。陀螺、加速度计维持稳定平台水平,重力传感器是以“零长弹簧”思想为基础而设计的倾斜零长金属弹簧传感器。所谓“零长弹簧”就是一种长周期且具高灵敏度的弹簧。当所受外力为零时,它的有效长度也为零。
两轴稳定平台系统由两个正交的陀螺(ASx、ASy)、两个正交的加速度计(Wx、Wy)、伺服反馈系统(数转换器、数转换器、数字信号处理器)、力矩马达(Mx、My)、数控马达(TMx、TMy)和内外平衡环组成。
单轴工作原理如下:平台中的第1个环路将敏感到的角速度反馈至力矩马达,从而驱动平台保持水平位置,但因陀螺漂移误差的影响,平台很快就会偏离水平位置;第2个环路的作用是对加速度计敏感到的平台倾斜信息进行处理,并将其反馈到陀螺输人端,辅助陀螺完成平台方向的对准,降低陀螺漂移误差对平台定向的影响;该反馈信号由两部分组成,一部分是与加速度计记录信息成正比的信号,另一部分是与加速度计记录信息积分值成正比的信号。两个环路的共同作用是使重力传感器的敏感轴在没有水平加速度作用的情况下始终保持垂直指向。但在实际作业中,测量载体受水平加速度影响是不可避免的,因此稳定平台必然会产生倾斜,从而对重力观测结果产生影响,这种影响称为平台倾斜重力改正。
简单地说,稳定平台依靠光纤陀螺和加速度计来调平,光纤陀螺提供平台的水平基准,但是由于光纤陀螺存在漂移误差,还需要加速度计测量陀螺仪转子轴相对于垂直方向的偏差进一步调平。
美国LCR型海洋重力仪最新型号是SEA III,见下图。
其技术参数如下表。
参考文献
1、双轴稳定平台系统在重力仪上的应用研究_裴纺霞
2、https://max.book118.com/html/2018/0421/162335640.shtm
3、SEAIII-Brochure_R13.pdf
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