基本介紹
- 中文名：海洋重力儀
- 外文名：marine gravimeter
- 釋義：測量海洋重力加速度的儀器
- 條件：在海洋中勻速直線航行條件
- 套用：船艦上、潛水艇
- 組成：重力感測器、陀羅平台等
發展,分類,特點,
發展
海洋重力測量的發展
海洋占據地球表面積的70%，要獲取地球表面的重力分布數據，海洋重力測量是一個重大課題。海洋重力測量較陸地重力測量發展起來較晚，因為海洋重力測量是在運動狀態下測量重力加速度的，理論和技術上都有較大的難度。海洋重力測量會受到各種干擾，概括起來有以下六個方面：徑向加速度影響、航行加速度影響、周期性水平加速度影響、周期性垂直加速度影響、旋轉影響、厄特弗斯效應，這些影響可以歸結為水平加速度和垂直加速度的影響，這些干擾因素對重力測量造成相當大的影響，一般陸地重力儀是不可能完成測量任務的因此，可用於海洋測量的重力儀逐漸發展起來。
海洋重力測量起始於上世紀20年代，經歷了三個發展階段。第一階段使用的是海洋擺儀。1923年，荷蘭科學家費寧梅內斯首次成功地在潛水艇上使用擺儀對海域重力進行測量。1937年，布朗對其進行改進，消除了二階水平加速度和垂直加速度的影響，測量精度提高了5 ~ 15毫伽。但是擺儀操作複雜、測量效率低、費用高等弊病，走航式海洋重力儀逐漸發展起來。海洋重力儀發展的第二個階段是擺桿型海洋重力儀，它促成了重力測量由水下的、離散點測量到水面的、連續線測量的轉變。代表性的儀器為德國格拉夫阿斯卡尼亞公司生產的GSS-2型重力儀和美國拉科斯特隆貝格公司生產的L&R型重力儀，同時我國也研製出ZYZY型擺桿型海洋重力儀。該種海洋重力儀存在交叉揭合(CC)效應.海洋重力儀發展的第三階段是軸對稱型海洋重力儀，它不受水平加速度的影響，也從根本上消除了交叉禍合效應。軸對稱型重力儀的精度、解析度及可靠性優勢明顯，正逐步取代擺桿型重力儀。代表型儀器為德國產的KSS-30型海洋重力儀和美國產的BGM-3型海洋重力儀。
分類
海洋重力儀可分為：擺儀、擺桿型海洋重力儀、軸對稱型海洋重力儀和振弦型重力儀。擺儀由於其操作複雜、計算繁瑣、測量時間長等原因已經停止使用，這裡不再介紹。
擺桿型海洋重力儀
擺桿型海洋重力儀的感測器為近似水平安裝的橫桿，該桿只能在垂直方向擺動，用空氣或磁阻尼方式對擺桿施加強阻尼，以消除由於波浪等的運動引起的垂直加速度。通過光學裝置測量擺桿位移的速率從而得到重力變化的信息。這種儀器交叉耦合效應引起的誤差較大，通常要附加測量垂直和水平加速度分量的裝置，並要有交叉耦合效應改正數專用計算機。
擺桿型海洋重力儀為第二代海洋重力儀，它完成由水下到水面、由離散點到連續線測量這一歷史性演變。典型代表為德國的Graf-Askania公司生產的GSS-2型重力儀(後改稱KSSS型)和美國Lacoste&Romberg公司生產的L&R型重力儀。這兩種海洋重力儀都安裝於陀螺穩定平台上工作，抗外界干擾能力強，可在中等海況下工作，測量精度達1 meal。此類型的重力儀存在的主要問題是由交叉禍合(CC)效應引起的測量誤差較大。因此，此類重力儀通常帶有附加裝置，用於測量作用在重力儀感測器上的擾動加速度，並由專用的CC計算機計算CC改正值。
對稱型海洋重力儀
軸對稱型海洋重力儀，其感測器有兩種：弦振型加速度計通過測量弦的諧振頻率得到重力變化值；力平衡加速度計通過測量感測器在力平衡時反饋電流的變化得到重力變化值。它克服了擺桿型交叉耦合效應的影響(見海洋重力測量)，是從20世紀60年代開始研製，到80年代趨於成熟的新一代儀器。
軸對稱型海洋重力儀為第三代海洋重力儀，它不受水平加速度的影響，從根本上消除了CC效應誤差，可在較惡劣的海況下工作。軸對稱重力感測絡以力平衡型加速度計代替了擺桿，通過測量感測器在力平衡時反饋輸出的泡流的變化得到重力的變化。目前比較有代表性的軸對稱型海洋重力儀是德國Bedenseewerk公司生產的KSS-30型和美國Bell航空公司生產的BGM-3型兩種海洋重力儀。KSS30型海洋重力儀的感測器為“重塊－彈簧”結構，重塊約30克，它被約束在只能作垂直方向運動。通過“電容－位移換能器”產生的電壓，可測出重塊的位移，從而獲得重力信息。在非常惡劣的海況下測量精度為0．8～2．0毫伽，在平靜海況下為0．2～0．5毫伽。BGM3型海洋重力儀的感測器很小，探頭由一個在兩塊永久性磁鐵之間作垂直運動的線圈組成，線圈中包著一重塊，當作用於重塊的重力和線圈中感應的電磁力之間存在平衡關係時，重塊處於零位上；當作用在重塊上的垂直加速度變化時，線圈中的電流成比例變化，從觀測電流的變化得到重力的變化。該型儀器在平靜海況下測量精度為0．38毫伽，惡劣海況下為0．7毫伽。
這種重力儀可自動計算正常重力值、空間尋常和布格異常值，有實時處理能力。實時處理後的重力資料仍然允許使用青確的導航數據和實際的零點漂移速率進一步修正。
振弦型重力儀
振弦型重力儀通過測量弦的諧振頻率來獲得重力的變化，最具代表性的是日本東京大學地球物理研究所研製的東京海面船載重力儀(TSSG)和美國的MIT型海洋重力儀。此種重力儀存在一個嚴重的缺點:當受到船隻在垂直方向附加加速度影響時，它測得的平均垂直加速度誤差較大，這種誤差稱為非線性調整誤差。
特點
一般來講，海洋重力儀與陸地重力儀在原理結構上並沒有根本區別。但海洋重力儀是在航行的載體上工作，經常受到由海浪引起的垂直和水平加速度的擾動。由於海洋重力儀測量值為當地重力與重力基準點的偏差，其數值變化幅度並不十分巨大，而海浪運動造成的垂直方向上加速度可能非常大，這就造成擾動加速度的幅度可能比儀器所要測量的重力加速度大幾萬倍甚至幾十萬倍。因此，海洋重力儀感測器必須具有良好的抗擾動能力。
海洋重力儀感測器的測量原理為牛頓第二定律，即通過測量一個採樣質量的重量變化而得到相對重力值。根據海洋重力儀的特性，海洋重力儀必須滿足以下幾點要求：
（1）對採樣質量的運動必須加以約束，使之只有一個運動自由度。這是所有海洋重力儀都必須遵循的一條原則，否則，水平擾動加速度將導致採樣質量偏離地垂線，而無法在海上進行重力測量。
（2）對採樣質量必須施加強阻尼。所謂強阻尼，是指超過系統臨界振動的阻尼，使系統在外力作用下受迫運動時不能完成周期性的振動。衡量阻尼效果的主要標誌通常使用“線性化”這一概念。即重力儀在同一點上靜止時的輸出和在動態受垂直加速度玄和水平加速度方和獷作用下的輸出應該具有相同的重力觀測值。顯而易見，儀器的線性化程度越高越好。
（3）系統必須有高度的穩定性、重複性和一致性。具體地說，要求儀器的刻度因數格值穩定，零點漂移小並且有規律。
（4）系統要有足夠的測量範圍，尤其是要有足夠的直接測量範圍。從赤道到兩極，正常重力增量約6000mGa1。系統應滿足它本身使用時所需的測量範圍。
（5）重力儀配用陀螺穩定平台。目前各國都在研製專用的平台系統，將重力儀和平台作為一體來考慮，以更好地滿足重力測量的特殊需要，提高儀器的測量精度。
（6）海洋重力儀的精度。一般來說，精度就是測量某一物理量的準確度。重力儀的精度和用重力儀進行海上測量的精度不同。儀器的精度指的是讀數裝置最小刻度值的精確程度，觀測精度是指海上某一測點單次觀測所具有的精度。在海洋上進行重力觀測時，影響儀器觀測的因素除儀器自身因素(如材料的老化、零點漂移)外，還有陀螺平台和船隻的因素(如CC效應等)以及導航定位系統精度、水深測量精度等純外界的因素。在這眾多的因素中，有一些對結果的影響遠遠超過儀器的測量精度。不考慮這些方面的影響，不在進行海洋重力測量時提供消除這些不利因素的條件，要求高精度的測量結果是決然辦不到的。在《海洋重力測量規範》中規定“測點的誤差一般近海不大於士3 meal，遠洋不大於士5 meal "。目前儀器本身的精度遠高於測量精度，所以要提高海洋重力測量精度，與其說是提高儀器精度，還不如說是提高測量方法本身的精度。
