论文专区▏KSS31海洋重力仪的长期零点漂移特征

【编者按：通过对两套德国生产的KSS31海洋重力仪十多年来的零点漂移变化观测数据的整理，分析了长期以来零点漂移特征及其影响因素。本文认为缓慢的正向漂移是海洋重力仪零点漂移之总体趋势，其中会出现一些正负的波动，而大的零点漂移波动往往对应着设备状态出现的大变化。建议在海洋重力仪的搬运､重新安装之后需加强监测，重力仪的恒温系统需长期保持工作状态，最后认为长期对海洋重力仪的零点漂移保持跟踪，对于海洋重力仪的维护､使用以及测量资料的精度保证十分必要。本文发表在《海洋测绘》2015年第3期上，现编发给朋友们阅读了解。廖开训，1971年出生，男，广东梅县人，工程师，广州海洋地质调查局，主要从事海洋重力、海洋磁力的数据采集、设备维护和技术方法研究。】

一、引言

海洋重力测量是海洋测绘项目的主要内容之一。高精度的海洋重力测量成果离不开工作性能稳定可靠、测量精度高的海洋重力测量技术的支持，而维护和使用好重力设备是实现高精度重力测量的技术保证。现今的海洋重力测量大多是一种相对测量方法。大多数海洋重力仪核心部件中的测量弹簧采用金属材料制造。随着重力仪设备运行时间的增加，测量弹簧的弹性系数逐渐趋于稳定。在设备运行过程中，因设备容易受到仪器本身和外界环境等各种复杂因素的影响，时常会出现一些不规则的零点漂移变化。因此，掌握海洋重力仪零点漂移的变化规律，准确推算海上观测期间的零点漂移改正，是一项十分重要和困难的工作^[1]。

　　重力仪的零点漂移系数简称零漂^[2]，它是重力测量中的一项重要技术指标，也可作为海洋重力资料质量控制的重要依据。由于海洋重力测量过程中的作业时间较长，在调查船启航前和返航后的闭合测量结果与陆地重力基准点的对比中，有时相隔时间会超过数月之久，这就要求海洋重力仪具有漂移小、线性好的技术特性。零点漂移系数直接反映了一个重力测量设备的工作性能，也影响到整个航次测量数据的质量。因而，研究分析重力仪的零点漂移系数变化规律，不仅有利于了解设备工作状态，及时制定对适当的设备维护保养措施，而且也有利于加强对重力测量资料的质量控制。有很多重力测量技术方法研究者对重力仪的零点漂移变化特征作过详细的研究和分析工作，但这些文章重点大多数是对重力仪的短、中期的零点漂移规律进行了研究和分析^[1，4-6]，还有不少与此相关海洋重力测量技术方法的研究文献^[7-10]。本文将通过对广州海洋地质调查局装备的两套德国BodenseeGravitymeterGeosysytem GmbH公司生产的KSS31海洋重力仪十多年使用维护记录中的数据分析为例，研究在长期使用过程中海洋重力仪漂移系数的变化特征，探讨海洋重力仪在使用以及维护过程中的技术要点。

二、海洋重力仪零点漂移数据的整理与分析

广州海洋地质调查局从德国引进的两套KSS31海洋重力仪，系列号分别为033、035，分别于1999年和2002年引进，这些设备在验收之后马上投入海上调查。为了便于分析对比，作者系统整理了十多年来安装重力仪的调查船在不同停泊码头、不同时间和潮差、不同吨位调查船和吃水深度的海洋重力基点比对数据，并且归算到一个固定重力测量基点上。根据«海洋调查规范»中的重力数据处理公式，具体的归算方法如下所述^[15]:

⑴针对不同的闭合重力测量基准点，将重力观测读数归算到同一点上。采用以下的公式:

S_归=S_实+(g_归-g_实) (1)

式中，g_归、g_实为归算点和实测点的绝对重力值；S^归、S^实为归算点和实测点的观测读数。

⑵针对不同潮位，测量重力传感器中心点位置与码头重力基准点的水准面之间的差值，对此高程差进行归算。采用以下的公式:

S_归=S_实-0.3086h (2)

式中，S_归、S_实为归算点和实测点的观测读数；h为重力传感器中心点位置与码头重力基准点的水准面之间的差值。

⑶针对每次海上作业时间有长有短，重力仪的月漂移计算采用以下公式:

月漂移=漂移量÷作业天数×30 (3)

根据式(1)～(3)，对这两套海洋重力仪的零点漂移数据归算和整理，所有的重力观测值都换算到同一基准值上。两套KSS31 海洋重力仪的长期零点漂移变化数据分析如下所述。

1. KSS31海洋重力仪(系列号033)

KSS31海洋重力仪(系列号033)于1999年11月在南海北部进行了海上设备验收，并于2000年4月正式投入海上使用。本文的数据统计时间段为2000年4月与2013年10月期间，近14年来(162个月)的海洋重力仪零点漂移表见表1，绘制成零点漂移曲线见图1。

从图1和表1的海洋重力仪长期零点漂移随时间变化曲线和历年来零点漂移值的数据统计表分析，可以得知以下几点。

⑴仪器自出厂的14年多时间中，系列号为033的KSS31海洋重力仪的长期零点漂移值是朝读数增加的方向缓慢变化的，呈正漂移，漂移总量约169mGal。这个基本上符合通用重力仪中测量弹簧的弹性系数的变化规律。

⑵图1中标志点①是2005年GS31传感器恒温系统出了故障，送回厂家进行修理，至2006年5月返修回来后出现了一次正漂移，漂移量达到88.8mGal，此次漂移达到了033号仪器13年来漂移总量的二分之一左右。倘若没有出现此次故障的话，长期漂移的曲线为图1的标志点②黑色虚线部分。见图1、表1。如果扣除2006年这次的数据突跳，该重力仪的长期漂移表现良好，仪器的线性度较好。这次设备故障的主要原因是由于在年底，重力仪搬动次数频繁而导致了设备故障的出现。

⑶系列号033的重力仪长期漂移总体上呈震荡向上变化，但从表1的历次漂移统计表可看出，仪器的短期漂移则规律性不强，有时正漂移，有时负漂移，每次海上测量中动掉格均较小，作业前后漂移量不大，月漂移小于3mGal的作业次数达到了94.3%。

2. KSS31M海洋重力仪(系列号035)

KSS31M海洋重力仪(系列号035)于2002年3月在南海北部进行了设备的海上验收，验收后当月就投入了海上调查工作。本文中的数据统计时间段为2002年3月与2013年9月期间，近12年来(139个月)的海洋重力仪零点漂移表见表2，绘制成零点漂移曲线见图2。

从图2和表2的海洋重力仪的长期零点漂移随时间变化曲线和历年来的零点漂移值的数据统计表分析，可以获得以下几个认识。

⑴自2002 年出厂至2013年9月的近12年的时间段中，系列号为035的KSS31M海洋重力仪的长期零点漂移也是向读数增加的方向变化，呈正漂移。这与系列号033号重力仪相同，但零点漂移总量约66mGal。

⑵与系列号033的海洋重力仪不同，系列号035号重力仪安装相对固定。长期安装在一条综合地球物理勘探船上，大部分的重力测量时间和长排列、大容量震源的多道地震勘探同步作业。在2002～2006年期间，漂移曲线呈震荡向上变化，但起伏较大。尤其是该船的地震作业过程中，压力为2000PSI，容量为5080立方英寸震源系统的多道地震作业已经成为常规作业参数。每当触发震源，空气枪阵在放炮时，调查船船体感受到明显的震动，这对035号海洋重力仪带来了诸多的不良影响。从图2中可看出，035号仪器在2006～2008年的时段，零点漂移呈明显的负漂移，并且幅度变化剧烈。2008年，笔者所在工作团队对035号仪器进行了系统的测试之后，在陀螺平台的底部加装了减震弹簧垫，以减少地震作业对重力仪的影响。自2008年下半年之后，该重力仪的零点漂移曲线基本回到了原来的趋势上，并且变化规律明显比2002～2006年期间更为平缓。从图中可见，如果剔除2006～2008 年段的剧烈变化，035号重力仪的长期漂移和线性度还是较好的。

⑶与系列号033海洋重力仪一样，035号重力仪的长期零点漂移变化基本上呈正漂移趋势，其中也有正漂移和负漂移的震荡变化。但从表2的历次漂移统计表可看出，仪器的短期漂移规律性也不强，呈现时正时负的漂移状态，每次海上测量中动掉格均较小，作业前后漂移量不大，由于安装环境的影响作用，该设备的月漂移小于3mGal的作业次数比例比033号仪器要差一些，只为81.8%。

另外，海洋重力仪普遍采用金属弹簧作为传感器原件，为克服温度变化造成的测量误差，重力仪均配备了恒温系统。由于每年的年底至次年年初段，西太平洋海区处于海况恶劣时段，不便开展海上重力测量。又因为广州海洋地质调查局的海洋重力仪固定安装在调查船上，通常在冬季设备随船进厂大修，早期曾多次关闭重力测量设备的恒温系统。比如从图2零点漂移曲线的标志点①～⑥可知，该时间段前后都会有一个不小的零点漂移。这是由于海洋重力仪的传感器中金属弹簧因温度频繁变化造成弹性系数的改变所致。发现问题后，在设备的维护使用和管理中采取了措施，后期没有再发生此类现象。

三､结束语

从严格意义上而言，对安装在船上的海洋重力仪所测定得到的零点漂移值是一种“混合”零点漂移值。该零点漂移值包括了其它的次要影响因素成分在内，总体上了反映了海洋重力仪长期的自身技术性能变化情况。本文通过对两套KSS31海洋重力仪在近十多年来的长期零点漂移规律的分析研究、相关的影响因素､管理使用经验以及故障排除方法讨论，总结出以下几点认识。

(1)通过长期对海洋重力仪零点漂移值的监测，认识到了KSS31海洋重力仪在多年的运行过程中总体上呈正向漂移，但其中会有一些不规则的波动。重力仪漂移量大的波动往往对应着设备状况出现的大变化，需要加强观测､原因分析并及时采取适当的措施。

(2)由于海洋重力仪是一台集电子和机械部件于一体的精密仪器，从这两套设备十多年的维护使用经验来看，频繁的搬动设备､不安静的工作环境会严重影响重力仪的工作状态；并且是导致重力仪的测量精度下降、工作性能不稳定性的主要因素。建议在设备搬运与重新安装过程中多加注意。

(3)在调查船上选择海洋重力仪安装位置时，建议选择在船的中轴线附近、与船的吃水线基本持平的相对稳定的位置上；加强防震缓冲措施；尽量减少陀螺平台的摆动幅度，仪器室应配备恒温空调；此外，还应该远离振动源、热源、电磁干扰源等。同时，为了避免海洋重力仪的金属测量弹簧受温度频繁变化而造成的弹性系数改变，建议长期开启重力仪的恒温系统。

(4)长期对海洋重力仪的零点漂移进行监测，研究分析重力仪的零点漂移系数变化规律，不仅有利于了解设备工作状态，及时制定对适当的设备维护保养措施，而且于加强对重力测量资料的质量控制也有所帮助。

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