重力仪零点位移

定义

重力仪零点位移[drift gravimeter ]：又称“零点掉格”。在客观条件完全相同的情况下，重力仪经过一段时间后再重新回到某点读数时，出现读数差的现象称为重力仪零点位移。它的大小及其规律取决于仪器制造时的工艺水平和操作者的精心程度。产生零点位移的原因主要是仪器灵敏系统弹簧的永久形变、温度变化以及仪器各部件连结点有规律的移动等。

重力观测数据的整理中消除重力仪零点位移对观测重力值影响的计算过程。重力仪在同一测点上不同时间的观测值（消除重力固体潮影响后）发生变化的现象称为重力仪零点位移，简称零漂。产生零漂的主要原因是仪器弹性元件因弹性疲劳而产生的蠕变，这种影响与时间大致呈线性关系。外界因素，尤其是温度对重力仪的影响（或重力仪温度补偿不完全）往往也混在其中，习惯上称其为混合零点位移。

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图1 单次观测

野外观测中，要根据仪器混合零点位移的大小、规律和设计精度要求采用相应的观测方法和校正计算方法。在普通点观测中，一般采用单次观测，仪器的零点位移可视为线性（图1），相应的校正值计算公式为

式中：δg_零为校正值；为校正系数（此处Δg′_BA为普通点观测时B点与A点的观测重力差，Δg_BA为基点B与基点A的已知重力差）；t_A、t_B与t_i分别为在A、B和第i测点上的观测时间。

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图2 重复观测

在基点网测量中，一般采用重复观测的方式。图2a为往返重复观测，图2b为三程循环重复观测。往返重复观测的零点位移校正计算公式为

式中：为校正系数（此处Δg_i为第i点前后两次观测值之差，Δ_i为第i点前后两次观测时间差，n为重复观测点数）。在三程循环重复观测情况下，可采用下式直接计算经零点位移校正后的B、A两点间的重力差2100433B

零漂改正研究背景

众所周知，地面相对重力仪的核心测量单元弹性元件(弹簧)均存在零点漂移，这是重力测量中不可避免的现象。他受温度、气压、电磁力、弹性元件蠕变和弹性疲劳等不稳定因素的影响，消除零漂保证重力仪的测量精度是一个复杂的问题。为了使弹簧减少非线性移动和降低漂移率，主要采取的措施：一方面研制和选用高质量的弹簧，提高重力仪整体制造的工艺水平；另一方面采用恒温和自动温度补偿装置，提供稳定的内在测量环境。通过这些改进，使弹簧的零漂变小并努力做到使它与时间保持线性关系，就可以使用前、后校数据对中间的测量数据做零漂校正，最后实现提高重力仪的测量精度水平。GT航空重力仪结构、重力传感器设计以及测量实现过程虽然不同，但航空重力仪的敏感单元与弹簧类似，同样也存在这种零漂现象。我国资源型航空重力测量使用的是引进俄罗斯GT-1A航空重力仪，但由于GT-1A航空重力仪量程小、抗颠簸能力差等原因，造成飞行生产效率低下。中国国土资源航空物探遥感中心通过与GT公司合作，将现有的GT-1A型升级到GT-2A型，升级后的航空重力仪具有更大的动态范围(±1g)和更低的噪声水平。GT航空重力仪均设计了二级温控系统，温控精度不大于0．01°C，重力传感器处在一个精度更高的恒温环境中，24h漂移不大于5mGal/day。GT航空重力仪通过重力传感器精密设计和高精度温控系统的使用，控制了传感器大部分的非线性漂移，使通用零漂改正方法在航空重力测量中变得可行。

航空重力仪内部温控精度虽然很高，但是传感器单元受外界环境温度变化还是比较敏感，尤其在夏、冬两季，外界极端的高、低温度和剧烈的温差变化下，温控温度发生细微的变化，就会连锁反应到重力传感器敏感元件的测量中。发现这种重力值变化与外界温度以及仪器内部多级温控之间都存在一定的规律。笔者对传感器静态测量数据进行固体潮改正和零漂改正后，使用一元线性回归方法对初步改正过的静态数据和仪器温控数据建立回归方程进行处理。这种方法研究了传感器测量值和温度之间的关系，提高了处理航空重力仪静态数据的精度水平。笔者探讨了影响传感器测量精度的关键因素并改进了零漂改正方法，对下一步实际应用拟合方法进行动态测量中的零漂改正建模研究，具有很好的借鉴意义。

零漂改正最小二乘零漂改正

静态数据经固体潮改正后，数据零漂特征几乎没有被改变，为了与仪器腔体内的温度做相关性分析，还需要去除零漂现象。此处的零漂改正方法使用常规公式，根据i和j已知点，推算n=1，2，…，N，所有点的零漂改正值，公式如下:

如果直接进行首、尾点零漂改正的精度为0.42 mGal，改正后也会使首、尾数据点相等而拉成水平走势。使用最小二乘零漂改正的精度略有改善，但这不是主要的，最终目的是为了使这组数据与仪器腔体温度变化呈现出更好的一致性。假如静态数据做完固体潮改正后，与温度走势吻合度较好，也可以跳过最小二乘零漂改正这一步。

零漂改正研究结论

笔者采用相关性分析方法对航空重力仪静态数据中的扰动量与仪器腔体内温度数据进行了研究，获得两者之间具有较强的相关性，并建立了合理可靠的回归方程，最终改正后的重力静态数据标准差精度有了很大的提高。这对深入理解传感器零漂改正处理方法和应用于动态测量数据中的零漂改正预测研究具有实际意义。

航空重力仪结构复杂，实际的测量环境也是变化无常。一方面二级温控系统控制了传感器大部分的非线性漂移，但也不排除偶发的非线性突变现象；另一方面，重力传感器的零漂现象不仅受温度影响，还可能受气压、机载振动等因素的干扰。如何建立一个更加合理的多元线性回归模型或者非线性回归模型，还有待于进一步开展深入研究。 2100433B

零点误差是指在参比工作条件下，仪表示数误差的一种表现形式。比如一个电流表，零点没有校准，就是不通电时，它的指针就不指零。当通电时再去测电流当然会有误差，这样的误差就是零点误差。