海洋重力▏水下重力测量技术进展 -海洋重力仪

莱发包装 · 发表于仪器应用 2024-4-6 02:48:14

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地球重力场是地球重要的基本物理特征之一，地球重力场测量对推动地球物理学、地球动力学、大地测量学、海洋测量学、空间科学等学科的发展具有重要作用。海洋占据了地球表面的71%，是地球重力场测量的重要对象，海洋重力测量是地球重力场建模的主要数据来源。目前广泛采用的海洋重力测量技术为船载重力测量技术，具有一定的局限性：根据谐波分析，海底重力信号强度按照e＝2πΔz/λ的衰减规律向海面传播，其中，Δz为观测距离，即重力场源与重力测量设备之间的距离，λ为重力信号各傅里叶分量的波长。因此，在船载重力测量中，水层像一个巨大的低通滤波器，随着观测距离的增加，海底重力信号中的高频(短波)分量会迅速衰减并率先消失，故而水面并不是理想的观测位置。如果将观测位置从水面移到水下，在近海底甚至是海底进行重力测量，就可以避免高频分量的衰减，还能够获得更高强度的重力信号，这就是水下重力测量。根据重力仪的运动状态，又可分为水下静态重力测量和水下动态重力测量。

重力信号中的低频分量主要受地球深部质量影响，反映地壳深处地质特征；高频分量主要受地球浅部质量影响，反映地壳表层地质特征。船测重力数据无法探测到海底重力信号中的高频信息且其测得的信号强度较弱，只能用于研究有关地壳深处地质特征的理论，无法满足洋底地壳表层研究需求。在军事领域，潜艇的水下长航时潜航需要高精度的水下导航系统，其核心是高性能惯性导航系统，随着惯性器件精度的提高，由惯性器件误差引起的定位误差所占比重逐渐减小，重力异常将成为制约高性能惯导精度的主要因素。为进一步提高惯导精度，需要进行重力异常补偿，重力异常补偿有两种途径：一是潜艇搭载重力仪进行实时重力测量，二是利用先验重力海图进行补偿，以上两种方法都需要发展水下重力测量技术。地球重力场还可以用于水下重力匹配导航，如采用船测重力海图作匹配参考，需将船测重力数据向下延拓至潜航器工作深度，这一过程是发散的，会引入很大误差，甚至可能导致匹配失败，水下重力测量则可直接构建水下近海底重力场模型，重力辅助导航可直接使用测量深度附近的重力场数据作为参考或采用向上延拓算法延拓至工作深度，免除了向下延拓计算存在的发散问题，提高了重力匹配导航的精度。

一、技术概述

水下重力测量是较早开展的海洋重力测量，1923年，有关文献指出Vening Meinesz首次在潜艇上使用海洋摆仪进行水下静态重力测量实验，并取得了比较满意的效果，但潜艇重力测量存在耗时长、成本高、下潜深度有限、推广困难等问题。为了解决这些问题，科学家们采取了很多措施对陆地重力仪进行水下适应性改进：起初，陆地重力仪被安装在舷侧三脚架或小型载人潜水钟中，采用人工调平和读数，入水深度很小；随后，科学家们设计出远程操作和读数系统，将重力仪装入水下承压舱中，使重力仪的测量深度达到几百米量级。目前，水下静态重力测量精度可与地面重力测量精度相媲美，测量深度可达到千米量级，但这种逐点测量方式单点测量时间长、单次下潜测量点数有限，不能进行大面积重力测量。20世纪60年代，陀螺稳定平台的出现和高阻尼传感器的发展有效消除了水面舰船船体所受干扰加速度的影响，船载走航式重力测量逐渐取代水下静态重力测量，发展至今已成为海洋重力测量的中流砥柱，是海洋重力场数据的重要来源。到20世纪90年代，船测数据已不能满足人类探索海洋日益增长的需求，潜入水中、贴近海底、获得更丰富的重力信息再一次成为研究热点，但不再是简单的回归，为解决水下静态重力测量成本高、效率低、覆盖面积小等问题，人们开始开展水下动态重力测量研究，并发展出两种主流测量方案：分别采用ROV和AUV作为水下测量平台，两种方案各有优缺点，表 1进行了详细对比。

表 1 ROV和AUV在水下重力测量中的优缺点对比

ROV

AUV

姿态易受牵引测量船影响，速度取决于船速

具有推进系统，自主控姿，定速定深巡航

采用脐带电缆与母船通信，能够保证通信质量

采用声学通信系统与测量船通信，通信时间和质量会受深度和声速限制

母船供电，续航能力强

AUV供电，续航能力差

成本较低

成本较高

二、国外水下重力测量技术进展

目前，国外利用水下静态重力仪监测海底重力异常随时间的变化，据此分析和预测海底地壳变动的时间变化规律。Glenn S Sasagawa团队设计了用于监测海底气田海水侵入情况的水下静态重力仪ROVDOG，他们将安装在常平架上的CG-3M陆地重力仪装入水下承压舱中，搭载在ROV上，通过船载操控系统远程监控、读取数据，根据ROVDOG在海底的同一地点测得的随时间变化的重力数据来推断海水侵入气田的情况。1998年7月，他们进行了第一次海试，在32个站点进行了75次测量，重力异常重复测量精度达到0.026mGal；随后他们在原来的基础上又增加了两个重力传感器，能同时采集3组数据，然后输出平均值作为测量结果；2000年8月的海试中，在68个站点进行了159次测量，重力异常重复测量精度达到0.019 mGal。此外，他们还设计了一个深度上限达4500m的承压舱，2000年11月搭载在Alvin载人潜航器上在2700m的深度进行了水下测量实验。

国外水下动态重力测量现在仍处在实验阶段，还未达到商业化实用水平。1995年加州大学的Mark A Zumberge等在圣迭戈海沟开展了基于二级拖体的水下近海底重力测量实验，核心部件为L&RS型海空重力仪，平均入水深度935 m，测量位置接近海底，航速1～2节，其水下拖体结构如图 1所示。两个球形压力箱分别保护电气系统和传感器系统，玻璃浮球和复合泡沫材料为拖体提供浮力，上升把手便于母船吊装，稳定尾有利于拖体保持平衡，拖曳索连接处可以自由旋转，能够有效减小外部晃动作用在拖体上的干扰加速度。图 2展示了其二级拖体结构，一级拖体安装有深度计、下探声呐等设备，便于母船根据反馈信息收放拖缆，防止重力仪与海底发生碰撞，此外，它还起到配重作用，可以有效隔离母船的干扰加速度，使重力仪大致处于悬浮状态，提供平稳的重力测量环境。

图 1 加州大学海空重力仪水下拖体结构

图 2 水下拖曳装置示意图

加州大学的实验探索了新的重力测量模式，但其对重力仪的测速定姿定位并不精确，在重力解算中进行了一系列的近似：一是通过母船位置和拖曳装置的直角三角形几何关系估算重力仪的位置并通过声呐进行修正；二是忽略水平加速度引起的重力测量误差；三是重力仪的速度由母船的速度和绞车收放线缆的速度计算所得；四是近似认为重力仪的航向与母船航向相同。有关文献将测量结果用于建立简单的洋底地理特征模型，但由于没有精确的位置信息，这些测量结果不能进行重力场建模或其他需要精确重力数据的应用场合。

1995年James R Cochran等将一台BGM-3航空重力仪安装在DSV Alvin载人潜航器上，在东太平洋一处海底山附近进行了近海底水下动态重力测量实验，单条测线长达8 km，重复测线间的侧向偏差控制在20～30 m之内，航速为1～2节，距离海底3～7m。通过设置重力异常固定参考点，测得同一位置不同航次的内符合精度优于0.3mGal，测线上重力异常的分辨率为130～160m。他们采用3个水声应答器进行水下导航，导航过程中出现的短暂丢帧采用插值法补齐位置数据。与加州大学的工作相比，他们实现了视距范围内测量，可以同步观测海底地形地貌信息，将重力数据与其他地球物理信息进行联合研究。在2000年的改进型实验中，他们为潜航器添加了DVL辅助导航，将测线上重力异常的分辨率提高到100m。

日本东京大学的Hiromi Fujimoto等在AUV水下动态重力测量领域做了大量的工作。2000年，他们将一台改造的CG-3M重力仪安装在一艘名为R-ONE Robot的AUV上进行实验：重力仪被安装在光学陀螺稳定平台上，温控系统将温度保持在60℃，并为其配备了减震系统，更重要的是，AUV配备了INS/DVL组合导航系统，并用水声定位作为补充，用于进行精确的导航定位和厄特沃斯修正。他们在实验室进行了水箱实验，又在港口进行了船载系泊实验，精度可达1 mGal。由于陀螺性能和系统机械原因，水下航行试验并未成功。2009年，他们重启项目，在原来的基础上进行改进和完善，换用了Micro-G Lacoste公司新式的重力仪L&RS-174，这是从Lacoste海空重力仪改造而来的版本：量程缩小为原来的1/10，即±20 Gal，去除温控和磁屏蔽，尽可能减小重力仪体积，然后将重力仪安装在陀螺稳定平台上，在稳定平台外加温控和磁屏蔽，光纤陀螺稳定平台通过PID控制器在静态条件下能将重力仪垂向精度稳定在0.000 4°以内，温控系统将温度精确地控制在60.4℃，用坡莫合金包裹住重力仪和稳定平台的直流伺服电机，将磁场影响由0.2mGal降低到0.001mGal；承压舱为直径50cm的钛合金球体，最大能够承受4200m的水深压力。AUV对系统进行供电，测量船通过与AUV之间的声学通信链路实现水下系统的控制与监测，测量得到的原始数据经过低通滤波后以100 Hz存储滤波后结果，AUV水下动态重力测量示意图如图 3所示。

图 3 AUV水下动态重力测量示意图

2012年，这套系统进行了第一次海试，AUV定速定深进行了两次重复测线测量实验，测试结果表明，与之前在此水域进行的水面重力测量结果相比，该系统能够探测出更精细的由地形起伏所产生的重力变化，重复线精度可达0.1mGal。在150s低通滤波、航速2节的条件下，测线上重力异常分辨率可达75 m。2014年，第二代系统进行了一次海试，下潜一次，在长约8h的时间里进行了15条测线的调查，高效地获得了高质量的数据。

三、国内水下重力测量技术进展

早期我国的海洋重力调查主要设备为自行研制的三脚架、潜水重力钟等，后来又研制成功遥控重力仪、SG型海底重力仪等设备，主要勘探区域为近海浅滩。1958～1961年，由中原和广东物探大队等单位将陆地重力仪改装为海底重力仪，在南海沿海进行了小范围重力测量。1965年石油部组成海洋地质调查一大队，使用西安石油地质仪器厂以金属弹簧重力仪改装的海底重力仪，在渤海海域进行了1:20万的海底重力测量，并据重力资料进行了含油构造的解释与研究。1981年，为了探讨渤海基底结构特征，中科院海洋研究所调查船“海燕号”用КДГ-Ⅱ型海底石英重力仪和国产ZH641型金属弹簧重力仪在渤海进行了联合观测。1995年，地质矿产部物化探研究所采用引进和自主开发相结合的方法，开发研制出我国首批用于浅海高精度重力测量的设备，用于环渤海各油田浅海高精度重力测量中，取得了丰富的信息，对这些地区的油气进一步开发提供了重要依据。此外，国内还有很多其他从事水下重力测量研究的单位，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所的卢景奇工程师曾撰文介绍其多年从事海底重力测量工作时从大量海上作业摸索总结出来的经验，并在浅海重力测量中得到了有效的应用。到目前为止，我国所开展的都是水下静态重力测量实验，且基本都在浅海海域，尚未进行水下动态重力测量实验。但已开始相关的理论研究，分别对AUV方案和ROV方案展开了论证分析，为下一步的样机研制积累了一定的基础。

四、结语

水下动态重力测量与静态重力测量相比难度更大，需要解决一系列技术问题：①高精度重力传感器是重力仪的核心部件，发展低漂移、高精度的重力传感器才能进一步提高水下动态重力测量精度；②水下无法接收GPS信号，需要设计新的多传感器数据融合方案完成重力仪的水下定位和载体的运动加速度测量；③多传感器数据融合需要数据同步的时间基准，船载和航空重力测量是依靠GPS秒脉冲信号进行数据对齐的，水下动态重力测量需要另行寻找可靠的时间基准对来自多源传感器的数据进行有效融合；④深海环境复杂，重力仪入水要进行一系列水下适应性改进，需要设计专门的水下承压舱，密封保护重力仪内部精密电子器件，防止海水侵蚀和水压破坏，还要解决设备的供电问题和水面水下通信问题；⑤为提高比力测量精度，惯导力学编排方程中的重力项应进行重力异常补偿，最好的方法是利用解算出的重力异常进行实时补偿，因此，应该提高重力解算速度，发展实时重力测量和重力异常补偿技术。

目前，国内水下动态重力测量技术理论研究已取得可喜进展，后续工作的重点是：①加快水下动态重力测量仪原理样机研制，并通过海试实验探索重力仪与ROV、AUV等水下运动载体结合的多种水下动态重力测量模式，为后续提高水下动态重力测量仪精度提供实验参考；②实现水下动态重力测量仪的定型和批量生产，尽快尽多地开展大面积水下重力测量，获得重力场数据，建立地球水下重力场模型。

【作者简介】文/潘国伟曹聚亮吴美平铁俊波，来自国防科技大学智能科学学院；潘国伟，男，硕士，主要从事水下动态重力测量相关技术研究；引文格式：潘国伟,曹聚亮,吴美平,等.水下重力测量技术进展[J].测绘通报,2019(2):1-5.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2019.0033.