航空重力梯度仪研究现状及发展趋势
舒晴;周坚鑫;尹航
【摘要】简要介绍了重力梯度仪的发展历程,重点叙述了旋转加速度计航空重力梯度仪的工作原理及研发过程,系统调研了航空重力梯度仪的仪器现状,跟踪了航空重
力梯度仪的研究动态.
【期刊名称】《物探与化探》
【年(卷),期】2007(031)006
【总页数】4页(P485-488)
【关键词】旋转加速度计重力梯度仪;航空重力梯度仪;SQUID;OQR
【作者】舒晴;周坚鑫;尹航
【作者单位】中国国土资源航空物探遥感中心,北京,100083;中国国土资源航空物
探遥感中心,北京,100083;中国国土资源航空物探遥感中心,北京,100083
【正文语种】中文
【中图分类】P631
重力梯度张量反应的是重力场(重力加速度矢量)在全空间的变化率。19世纪末，
匈牙利物理学家厄特弗斯制造出了第一台测量重力变化率的扭秤，在随后的几十年时间里，扭秤在金属矿勘查和圈定油气田构造中发挥了重要作用。20世纪30年代，美国的LaCoste海空重力仪研制成功，并逐渐取代扭秤成为地质勘探和军事
应用的主流产品，在以后的40年时间里，重力梯度仪的发展和应用几乎处于停滞。
但对于移动平台的重力测量而言，需要从测量结果中消除载体加速度影响从而得到地球重力场信息，当时较低的定位精度大大制约了重力数据质量的提高。由于重力梯度仪是测量2点间重力场的变化率，受运动载体加速度的影响较小，20世纪60年代末，美国空军提出了研制移动平台重力梯度仪的想法。1970年，Thompson 设计了微平衡重力梯度仪；1971年，Hansen设计了灵敏度为10 s-2的水平重力梯度仪；此外，还有专家设计了振动弹簧重力梯度仪。20世纪70年代中期，美国Hughes公司、Draper实验室和Bell Aerospace Textron公司分别研制出3种不同类型的实验室样机：旋转重力梯度仪、液浮重力梯度仪和旋转加速度计重力梯度仪。20世纪80年代开始，西方发达国家的多家公司及学术机构开始进行超导重力梯度仪研制，经过20多年的研究，目前超导重力梯度仪基本达到了准实用水平[1]。20世纪90年代以来，随着激光技术和量子技术的发展，国外多家研究机构开始从事原子干涉型重力梯度仪的研究，并取得了重要进展。
重力梯度测量可分为静态测量和动态测量，而动态测量主要包括：船载重力梯度测量、航空重力梯度测量和星载重力梯度测量。重力梯度仪与重力仪类似，经历了从静态到动态、从地面到海洋再到空中的发展过程。而航空重力梯度测量以其经济、高效及对小尺度地质目标体特有的高分辨率而备受青睐，但航空测量平台由于受气流、飞机振动等干扰影响较大，因此在仪器的实现上比较困难。目前，国外可进行航空重力梯度生产测量的公司屈指可数，而应用中的航空重力梯度仪均是Bell Aerospace Textron公司(后被Lockheed Martin公司收购)基于旋转加速度计测量原理设计的仪器或其改良型号。
1 旋转加速度计航空重力梯度仪研发现状
尽管国外针对航空重力梯度测量系统提出了各种各样的设计思路，但迄今为止，能够走出实验室投入实际应用的只有美国Bell Aerospace Textron公司的旋转加速度计航空重力梯度仪和法国ONERA(法国国家航天实验室)研制的静电加速度计重
力梯度仪，后者在重力场和稳态洋流探测卫星GOCE上使用，算不上真正意义上
的航空重力梯度仪。下文主要针对旋转加速度计航空重力梯度测量系统的研发历程、工作原理及应用现状进行简要介绍。
1.1 研发历程
20世纪70年代初，美国军方提出要研制精度为1 s-2的移动平台航空重力梯度仪。1982年，经过12年的研发，Bell Aerospace Textron公司完成了第一台海洋重
力梯度仪的设计、制造和测试，并于同年提交美国海军使用。20世纪90年代初，澳大利亚BHP Billiton公司与Bell Aerospace Textron公司合作，基于其
GGI(gravity gradiometer instrument)技术开发用于地质勘探的部分张量航空重
力梯度测量系统。1997年，BHP Billiton公司完成了仪器的设计和制造，并将其
命名为FalconTM AGG(airborne gravity gradiometer)，在进行了2年的试验飞行后，于1999年正式投入生产。从1982年第一台海洋重力梯度仪研制成功，到1999年第一台航空重力梯度仪投入生产，西方国家用了17年的时间完成了海洋
重力梯度仪到航空重力梯度仪的飞跃。2002年，Lockheed Martin公司将其全张量海洋重力梯度测量系统升级为全张量航空重力梯度测量系统(图1)，命名为Air-FTGTM。
图1 Air-FTGTM航空重力梯度系统
1.2 工作原理
地球重力梯度信号通常非常微弱，1 s-2的概念相当于在一个10 cm间距上重力
差为10-11 g，试图通过提高材料稳定性、尺寸稳定性和机加工精度来将加速度计的性能提高几个数量级以达到重力梯度仪的设计精度，当时和现在的技术和工艺水平均无法达到[2]。Bell Aerospace Textron公司采用旋转加速度计的设计理念，
通过系统技术来突破单个灵敏元件性能极限，达到探测重力梯度微弱信号的目的。旋转加速度计重力梯度仪的4个加速度计均匀分布在1个低速转盘上，加速度计
敏感轴方向沿转盘切线方向且与旋转轴垂直，加速度计到转盘中心的距离相等，位置相对的2个加速度计敏感轴方向相反，2对加速度计连线正交(图2)。这样，2
个相对的加速度计输出求和(a1+a2)和(a3+a4)就可以消除共模线加速度影响，将
2对加速度计输出的和信号进行求差[(a1+a2)-(a3+a4)]又可以消除加速度和角速
度影响。通过这样精巧的设计,大大缩小了仪器输出的动态范围，使得重力梯度仪
的电子元件可以对很小范围内的重力梯度信号进行充分放大以达到仪器的设计精度。4个加速度计输出之和与重力梯度张量的关系为
[(a1+a2)-(a3+a4)]=
2R(Txx-Tyy)sin(2Ωt)+4RTxycos(2Ωt)
其中,R为加速度计检测质量中心到转盘中心的距离，Ω转盘转速[3]。
1.3 应用现状
航空重力梯度仪在地质方面主要用于：作为辅助手段，优化地震勘探数据，寻找油气田；在勘探程度不高的地区直接寻找金属矿产和油气构造；在勘探程度较高的地区利用重力梯度数据的高分辨率优势，研究地质构造细节，寻找规模较小的金伯利岩和稀有贵重金属。
图2 GGI中加速度计的平面分布(左)及全张量重力梯度仪中3个GGI的空间排列(右)示意
目前，从事使用旋转加速度计航空重力梯度系统进行地质勘探的主要有3家公司。
(1)美国Bell Geospace公司。该公司是冷战后成立的一家私人公司，其公司总部
位于休斯敦。1994年该公司从美国海军租用3D-FTG海上全张量重力梯度仪在墨西哥湾采集重力梯度资料，提供给一些石油公司用于概念研究。1998年，Bell Geospace公司从Lockheed Martin公司购买了两套全张量重力梯度仪：FTG-1、FTG-2，同年该公司在苏格兰阿伯丁成立一个分公司。美国本土公司主要负责美洲地区的地球物理勘探项目，苏格兰公司负责欧洲、非洲、亚洲和澳大利亚地区的勘
