国外开展航空重力测量先于我国,大规模高精度航空重力测量始于21世纪初。经过近20年的快速发展,已经形成了成熟的航空重力勘查系统集成技术及基于地球物理测量的通用航空重力测量方法和数据处理技术,推动了航空重力测量技术的进步和事业的发展。笔者系统总结和研究了国外航空重力勘查系统集成、测量方法和数据处理等3个方面的方法技术,向读者详细介绍了该领域国外发展的最新技术,供借鉴和进一步研究,以此来促进我国航空重力测量技术的快速发展,赶超国外先进水平,为地球系统科学研究提供高精度的基础数据。

图1 安装AIRGrav重力仪的DA-42飞机

图2 安装航空重(磁、放)的BN-2T飞机

图3 GT-2A直升机航空重力勘查系统
作为2OO7年春的死海综合调查项目(DE-SIRE),沿着和垂直于死海盆地的Aquaba和死海之间的断裂进行了直升机航空重力测量。测量飞机为德国Sikorsky S-76B型直升机,CMG公司提供GT-1A航空重力仪。死海谷位于海平面下方400多m,山脊高度高于1500m。考虑到死海盆地地形高差大,采用低速和沿地形起伏飞行的直升机航空重力测量,获得了尽可能好的测量质量和高的分辨率。

图4 Podolsky区直升机航空布格重力异常
AIRGrav和GT-1/2A航空重力测量工作量占据目前世界上的80%以上,为最先进、主流的航空重力测量系统。表1中的技术指标分别代表着2套测量系统目前的技术水平。
表1 国外航空重力测量各技术参数汇总

发展高空间分辨率的航空重力测量技术,除了在测量高度降低和测量比例尺加大等测量技术做出努力外,更需要发展新型航空重力测量技术装备,比如:航空重力梯度测量系统,甚至是航空重力全张量梯度测量系统,有效地提高航空重力异常的空间分辨能力,才能充分发挥航空重力在地球探测中的应用能力。
通常采用差分GPS的载波相位观测数据来解算载体的位置、速度和加速度,并利用双频(L1、L2)、单频(L1)对载波相位解算结果进行相互检查。在确定速度和加速度时也常常用到差分多普勒数据,多普勒方法是满足载波相位解算的初始逼近。
航空重力通常采用GPS/惯性组合的方式进行解算,取长补短,使组合后两者的精度高于两个系统单独工作的精度。一方面通过惯导系统的定位数据来修复GPS的跳点和错误点,对GPS数据的完整性进行检测,提高GPS数据质量;另一方面利用GPS数据对惯性系统中的惯性传感器漂移等参数进行修正,减小稳定平台姿态角的误差,以提高航空重力水平加速度改正的精度。
GT系列航空重力数据处理采用了自适应卡尔曼滤波方式进行平滑滤波,差分GPS高度作为观测量建立观测方程,利用卡尔曼平滑理论进行重力异常解算,在压制干扰信号的同时更好地保留有效重力测量信息,形成航空重力自由空间重力异常,通常采用半波长50s进行滤波,重力异常空间分辨率1.5~3km(飞行速度110~218km/h)。
AIRGrav航空重力数据处理使用余弦锥形低通滤波器按时间序列对原始测线数据进行滤波来去除统计噪声,测线滤波的程度取决于数据的噪声和分辨率的要求,测线滤波的程度总是要小于网格化滤波,以避免网格化时数据畸变,通常采用半波长50s的滤波器对航空重力数据进行滤波处理,重力异常空间分辨率1.5~3km(飞行速度110~218km/h)。
国外还有一些公司采用FIR低通滤波技术,但解算效果远不如GT和AIRGrav系统,尤其是在比较颠簸的飞行条件下或起伏飞行时。
⑴控制线法调平处理
采用统计估算方法对航空重力测量控制线和测线交叉点的重力场作最大随机校正,以补偿主要由定位误差、飞行高度变化和零漂等引起的随机水平误差。
⑵微调平处理
对控制线法调平后的航空重力数据进行微调平,即将每条测线的噪声值从控制线法调平后航空重力数据中去除,获得了微调平处理后的航空重力异常,目的是进一步减小重力异常中的随机噪声。
SGL公司地形改正使用Galgary大学大地测量开发的软件,地形改正算法使用的是同密度的2DFFT方法。CMG公司利用OasisMontaj地形改正模块进行布格改正和地形改正,地形改正值采用Nagy(1966)方形域地形改正方法(中区)和Kane(1962)扇形分区地形改正方法(远区)描述的组合方法计算得来。一般选用密度2.67g/cm3,湖泊和海水采用密度1.00 g/cm3。计算出地形与布格重力改正数据后,需采用与获得航空自由空间重力异常相同滤波方式、相同滤波尺度对改正数据进行滤波,然后进行地形与布格改正,形成全测区的航空布格重力异常数据。航空重力布格改正的流程如图5。

图5 航空重力布格改正流程
⑴全面地介绍了多类型成熟的航空重力勘查系统。本文介绍了国外基于固定翼飞机和直升机2类飞行平台所集成的航空重力、重(磁)、重(磁、放)等各类型的先进勘查系统,多达30种飞行平台几乎涵盖了目前世界上所有类型在用的航空重力勘查系统,为读者提供了更宽广、成熟的集成技术,以满足多样化测量和应用的需要。
⑵系统地介绍了多样化发展的航空重力测量方法。本文在介绍常规的同一高度平飞开展中比例尺测量的基础上,系统介绍了国外利于提高航空重力测量效果的起伏飞行测量方法,还介绍了国外发展大比例尺航空重力测量技术的最新进展,以及国外公司制定的航空重力测量内部技术要求,为读者提高航空重力测量质量和应用效果提供了相关的方法技术。
⑶详细地介绍了多途径的航空重力数据处理技术。本文介绍了差分GPS的解算技术,并通过与惯性系统的组合解算技术,减小系统误差,提高定位精度;在数据滤波处理方面,介绍了强干扰条件下提取微弱重力异常的卡尔曼滤波和余弦锥形低通滤波技术,均为目前航空重力异常解算精度最高的技术。这些技术的介绍,有助于提升我国航空重力数据处理水平,同时为我国研发高精度航空重力数据处理软件提供了重要的技术支撑。
总之,本文通过国外先进的航空重力系统集成、测量方法和数据处理技术的介绍,以期帮助读者消化吸收和深度引用国外的先进技术,提升我国航空重力的测量效果和应用能力,促进我国自主研制航空重力测量技术的发展,对充分发挥航空重力在基础地质研究、油气资源调查、固体矿产勘探、环境地质调查等领域的作用,均有十分重要的意义和实用价值。
2021-1-12智邦网
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