CN112487604A - 海洋重力仪输出数据长时间非线性漂移补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海洋重力仪输出数据长时间非线性漂移补偿方法，以船载重力仪海洋重力测量作业的重力数据为基础，依据测量重力数据的经纬度信息计算测量区域的卫星重力数据，分析海洋实测重力数据的频谱特征以及测量区域卫星重力数据的频谱特性，以卫星重力数据所处频率特征为基础建立低通滤波器，对采集的海洋实测重力数据进行滤波得到与卫星重力数据具有相同频谱特性的海洋重力数据，最终得到海洋船载重力仪实测重力数据的非线性漂移重力数据源；然后基于实测重力数据的非线性漂移重力数据源，建立基于时间变量的非线性目标方程，采用非线性高斯牛顿法进行求解，得到最终非线性补偿系数，并对船载重力仪数据进行补偿，有效提高采集重力数据的精度。

Description

海洋重力仪输出数据长时间非线性漂移补偿方法

技术领域

本发明涉及海洋重力仪输出数据处理领域，具体涉及一种基于卫星重力数据的海洋重力仪输出数据长时间非线性漂移补偿方法。

背景技术

零点漂移是指由于重力仪灵敏***主要部件的老化以及其他部件的逐渐机械疲劳而引起重力仪起始读数的零位不断改变的现象，简称零漂或掉格。零漂是相对重力仪固有的一大缺陷，几乎所有的相对重力仪都存在，但不同的重力仪个体具有不尽相同的零漂变化规律，掌握这种变化规律是十分重要而又相当困难的工作。

常规零位漂移补偿方法为通过对各个海洋动态重力仪的元器件特性，以数理统计为基础，通过长时间观测计算单位时间内的零漂率，计算不同仪器设备的零漂补偿***进行零点漂移改正。这种依据大量试验的统计方法很难满足海洋重力仪的应用需求。随着海洋动态重力仪测量技术的飞速发展，海洋动态重力仪的各项数据预处理方法已经非常成熟，厄特弗斯改正、垂直扰动加速度改正、水平扰动加速度改正、布格改正等改正手段非常成熟。

目前，困扰海洋重力数据处理核心问题就是海洋重力仪的非线性漂移问题，各项滤波手段基本上可以将外部中、高频干扰基本剔除，这部分干扰基本上不会影响重力仪的精度以及使用，而重力仪测量的重力异常信号中的低频部分难以剥离成为了主要的误差来源，严重影响海洋重力测量的精度。低频误差的分离是非常困难的，这部分噪声和有用信息基本上重叠在一起，常规的频率域手段已经不能发挥其剔除噪声的作用。

重力仪的零位漂移特性是由重力仪内部元器件的内部物理属性决定的，目前并没有十分有效的方法来降低这部分误差干扰。常规的方法都是通过对一台仪器进行长时间观测来构建相应的补偿模型，这种方法存在其自身的局限性，需要针对每一台设备进行长期观测、分析来确定这个误差补偿模型，这在很大程度上限制了重力仪的应用，同时这也无法保证重力仪实时测量的精度。

发明内容

本发明提出一种基于卫星重力数据的海洋重力仪输出数据长时间非线性漂移补偿方法，以船载重力仪随船测量的重力数据资料为基础，利用卫星重力数据无长期漂移的稳定特性对海洋重力仪输出数据进行非线性补偿，有效消除外部不稳定测量环境带来的误差影响，获得高精度的海洋重力测量成果数据。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种海洋重力仪输出数据长时间非线性漂移补偿方法，包括以下步骤：

步骤S1、以船载重力仪海洋重力测量作业的海洋实测重力数据为基础，并依据其经纬度信息计算测量区域的卫星重力数据，分析得到实测重力数据的非线性漂移重力数据源Δg_漂移，具体包括：

步骤S11、对海洋实测重力数据进行预处理，剔除外部动态环境带来的影响，得到实测重力异常数据；

步骤S12、从海洋实测重力数据中提取其经纬度信息，以卫星重力数据为基础构建全球重力场模型，计算对应经纬度信息的卫星重力异常，进而得到测量区域的卫星重力数据；

步骤S13、分析海洋实测重力数据的频谱特征以及测量区域的卫星重力数据的频谱特征，以卫星重力数据所处频率特征为基础建立低通滤波器；

步骤S14、依据低通滤波器对步骤S11得到的预处理的实测重力异常数据进行滤波处理，得到滤波后的实测重力异常数据，滤波后的实测重力异常数据与卫星重力数据具有相同的频率特征；

利用同频段的海洋船载滤波后的实测重力异常数据减去卫星重力数据得到实测重力数据的非线性漂移重力数据源Δg_漂移

步骤S2、基于实测重力数据的非线性漂移重力数据源，建立基于时间变量的非线性漂移方程，并对其采用非线性高斯牛顿法进行求解分析，得到最终的非线性补偿系数，进而实现对船载重力仪数据的非线性漂移补偿。

3.根据权利要求1所述的海洋重力仪输出数据长时间非线性漂移补偿方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下步骤：

步骤S21、基于步骤S1得到的非线性漂移重力数据源Δg_漂移，以时间t为自变量，以非线性漂移重力数据源Δg_漂移为因变量建立非线性漂移方程：

Δg_漂移＝f(t) (4)

步骤S22、对非线性漂移方程进行求解分析得到非线性补偿系数，然后利用得到的非线性补偿系数对非线性漂移异常进行估计，从滤波后的海洋实测重力异常数据中剔除该非线性漂移异常。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案可应用于海洋重力非线性漂移补偿研究，通过分析重力仪长时间测量输出数据的漂移特征，研究输出重力数据随时间的非线性变换特征，以重力仪输出的海洋重力数据为基础，以相同海域的卫星重力异常为依据，提取由仪器非线性特性引起的随时间变化的非线性漂移特性的重力异常，建立低频滤波尺度下的非线性漂移重力数据与时间的统计学非线性方程，通过非线性方程的反演求解得到以时间为输入信息的非线性补偿系数，从而有效解决海洋重力仪输出数据的非线性漂移问题；

同时，消除了传统直接利用卫星重力数据进行相减带来的不确定噪声，提高实测重力数据的稳定性，获得具有实际价值的高精度航次调查成果数据，对海洋地球物理调查，尤其是深远海航次海洋重力数据测量具有现实的指导意义与实际应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例所述的非线性漂移补偿方法流程示意图；

图2为本实施例中常规零漂改正后数据以及建立的非线性漂移拟合结果图；

图3为部分区域重力测量非线性漂移补偿后结果示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

本实施例公开一种海洋重力仪输出数据长时间非线性漂移补偿方法，如图1所示为其补偿原理示意图，具体的，包括以下步骤：

步骤一、以船载重力仪从码头出发为例，以实测重力测量作业的位置和时间为基准，以测量结束的位置和时间为终止，以测量区域的海洋实测重力数据和基于经纬度信息为基础卫星重力数据为基础数据源，得到最终的非线性漂移重力数据源，具体包括以下步骤：

(1)对船载重力仪实测的原始海洋实测重力数据进行预处理，剔除外部动态环境带来的影响，主要包括厄特沃什改正、运动加速度改正、正常重力场改正、仪器出厂标定的零点线性漂移改正，固体潮改正，得到最终的实测重力异常数据。

(2)从海洋实测重力数据中提取其经纬度信息，以卫星重力数据为基础构建的全球重力场模型，计算对应经纬度信息的卫星重力异常。

式中，r为地心向径，

为地心纬度，θ为余纬，

λ为经度；即外部点

GM为地球引力常数G与地球总质量M的乘积，a为参考椭球的长半轴，n和m为正整数，且m≤n，

和

为完全规格化位系数，

为n阶m级完全规格化的缔合勒让德函数。

(3)对卫星重力数据Δg_卫星进行快速傅里叶变换，得到其主要信号的频谱范围，

明确卫星重力数据在频率中的能源集中频段f₁～f₂，并以此频率范围设计相应的低通数字滤波器FIR(f₂)。

(4)利用依据低通数据滤波器FIR(f₂)，对预处理后得到的实测重力异常数据进行滤波处理，得到滤波后的实测重力异常数据，滤波后的实测重力异常数据与卫星重力数据具有相同的频率特性；

采用趋势分析方法，分析原始卫星重力数据和滤波后海洋重力数据的趋势分布特性，剥离***差，从滤波和***差剥离后的重力异常数据中去除卫星重力数据得到非线性漂移重力异常误差源，即：

Δg_{非线性漂移异常}＝Δg_{重力异常-滤波}-Δg_卫星； (3)

步骤二、以实测重力异常非线性漂移重力数据源为基础，建立非线性漂移补偿模型，降低非有效信号噪声影响，解决非线性漂移带来的影响，具体包括：

(5)按照步骤(3)和步骤(4)计算得到由仪器设备非线性漂移引起的重力差异性变化，以时间t为自变量以及非线性漂移重力数据源为因变量建立非线性漂移方程

Δg_漂移＝f(t) (4)

具体的，以重力测量起始点时间t₁为时间起始点，以重力测量结束点t₂为时间终止点，以重力仪的数据输出频率倒数Δt为时间点距，建立相应的数据拟合方程Δg_{非线性漂移异常}＝f(nΔt)，n代表时间点数；

(6)采用最优化数学处理方法非线性高斯牛顿求解方法，对建立的非线性漂移方程进行迭代求解直到数据拟合误差小于0.01mGal满足精度需求，迭代停止，最终得到非线性补偿系数；最终利用得到的非线性补偿系数对非线性漂移异常进行估计，得出非线性漂移异常，提升实测海洋重力数据的精度。

本实施例方案考虑到重力仪在海洋测量过程中存在明显的非线性漂移问题，利用执行外业调查航次的船载重力仪实际测量得到的重力数据进行非线性漂移补偿，选择重力异常平稳区域进行数据验证。以某航次船载测量数据非线性校正为例，见附图2、图3，以卫星重力为基础，选择重力异常几乎不变的区域来验证方法的正确性。实测重力数据预处理后，进行线性零漂补偿后得出的重力异常数据，进行非线性拟合，由于该区域的重力异常几乎不变，因此这部分变化完全是由非线性漂移引起的(图2)，采用本专利提出的方法进行非线性漂移补偿后数据区域平稳(图3)与实际情况相符；通过该实验也进一步表明本发明方法可以适用于海洋船测重力数据非线性漂移补偿，且易于实现，能满足船载重力测量用户的需求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.海洋重力仪输出数据长时间非线性漂移补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、以船载重力仪海洋重力测量作业的海洋实测重力数据为基础，并依据其经纬度信息计算测量区域的卫星重力数据，分析得到实测重力数据的非线性漂移重力数据源Δg_漂移，具体包括：

步骤S11、对海洋实测重力数据进行预处理，剔除外部动态环境带来的影响，得到实测重力异常数据；

步骤S12、从海洋实测重力数据中提取其经纬度信息，以卫星重力数据为基础构建全球重力场模型，计算对应经纬度信息的卫星重力异常，进而得到测量区域的卫星重力数据；

步骤S13、分析海洋实测重力数据的频谱特征以及测量区域的卫星重力数据的频谱特征，以卫星重力数据所处频率特征为基础建立低通滤波器；

步骤S14、依据低通滤波器对步骤S11得到的预处理的实测重力异常数据进行滤波处理，得到滤波后的实测重力异常数据，滤波后的实测重力异常数据与卫星重力数据具有相同的频率特征；

利用同频段的海洋船载滤波后的实测重力异常数据减去卫星重力数据得到实测重力数据的非线性漂移重力数据源Δg_漂移

步骤S2、基于实测重力数据的非线性漂移重力数据源，建立基于时间变量的非线性漂移方程，并对其求解分析，得到最终的非线性补偿系数，进而实现对船载重力仪数据的非线性漂移补偿。

2.根据权利要求1所述的海洋重力仪输出数据长时间非线性漂移补偿方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下步骤：

步骤S21、基于步骤S1得到的非线性漂移重力数据源Δg_漂移，以时间t为自变量，以非线性漂移重力数据源Δg_漂移为因变量建立非线性漂移方程：

Δg_漂移＝f(t) (4)

步骤S22、对非线性漂移方程进行求解分析得到非线性补偿系数，然后利用得到的非线性补偿系数对非线性漂移异常进行估计，从滤波后的海洋实测重力异常数据中剔除该非线性漂移异常。

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