CG-5 重力仪测量时的振动干扰由不同读数标准差反映, 研究CG-5 重力仪测量时读数可靠性问题, 可通过研究不同读数标准差时读数回归值来分析。
为了说明CG-5 重力仪一般工作条件下的读数可靠性问题, 对某地区重力水准加密点测量项目数据进行数据处理。该项目沿国道或街道施工, 其设计规定, 采集数据时, 对于读数时标准差小于0.2×10-5m/s2的读数设置读数时间为60s, 大于该标准差的读数时间为30s, 连续3个读数相互差值小于0.005×10-5m/s2 的视作满足读数要求。为了研究读数受振动环境干扰影响问题, 对该项目数据作以下处理:连续3个读数相互差值小于0.005×10-5m/s2的直接进行统计, 不满足连续3个读数相互差值小于0.005×10-5m/s2的, 每一测点上踢除跳点, 选择相互差值小于0.005×10-5m/s2的3个读数计算均值, 再计算该均值与该测点其它值的差值,该差值小于0.005×10-5m/s2的视同是满足读数精度, 否则视为不满足读数精度, 然后统计不同读数标准差环境下偏离视同满足读数精度的偏离率。共对467 个测点共1918 个数据进行整理,其规律显示读数标准差小于0.2×10-5m/s2时,读数时偏离0.005×10-5m/s2的数据占比小于15.7%, 分析认为该种现象主要由偶然因素引起,工作中注意就可。标准差约大于0.2×10-5m/s2时,偏离0.005×10-5m/s2的数据占比大于30%, 该环境下读数明显存在背景干扰因素, 读数应引入数组处理方可能读取有效数据。相关统计结果见表3､图2。
图2 某地区重力水准加密点测量项目不同标准差背景读数精度规律统计图
Fig.2 Statistical chart of background reading accuracy with different standard deviations of gravity leveling encryption point measurement items in a certain area
表3 某地区重力水准加密点测量项目不同标准差背景读数精度规律统计表
Table 3 Statistical table of background reading accuracy with different standard deviations of gravity level encryption point measurement items in a certain area
同样, 为了研究CG-5 重力仪读数问题, 选择某汽车站及某城市大街附近找场地进行25~60 s不同采样时长读数测试试验。经分析发现:
某汽车站旁仪器的读数标准差在0.080~0.110×10-5m/s2间, 对比其读数经做直线拟合后的剩余值的离差, 发现30s､35s两个读数间隔的曲线离差在0.005×10-5m/s2以内,而25s读数间隔的曲线总体线性与30s､35s两个读数间隔的曲线相近, 并多见局部跳动。某大街旁仪器的读数标准差在0.060~0.085×10-5m/s2间, 其读数经做直线拟合后的剩余值的离差均在0.005×10-5m/s2以内。详见表4､表5及图3~图7。
实验证明:在轻微震动的地方, 只要读数标准差不大, 则重力仪的读数精度是可靠的。重力仪在低背景干扰的情况下, 读数稳定, 干扰背景越高, 读取到真值就越困难, 并不以重复时间长短成正比。
表4 某汽车站 25~60 s读数标准差与离差统计表
Table 4 Statistics table of standard deviation and deviation of readings from 25 to 60 seconds at a bus station
表5 某大道 25~60 s读数标准差与离差统计表
Table 5 Statistics table of standard deviation and deviation of readings from 25 to 60 seconds for a certain avenue
图3 某汽车站旁读数间隔 25~35 s读数偏差曲线图
Fig.3 Curve of reading deviation at a reading interval of 25~35 seconds at a bus station
图4 某汽车站读数间隔 40~60 s读数偏差曲线图
Fig.4 Curve of reading deviation at a reading interval of 40~60 seconds at a bus station
图5 某大道读数间隔 25~35 s读数偏差曲线图
Fig.5 Curve of reading deviation at a reading interval of 25~35 seconds for a certain avenue
图6 某大道读数间隔 40~50 s读数偏差曲线图
Fig.6 Curve of reading deviation at a reading interval of 40~50 seconds for a certain avenue
图7 某大道读数间隔 50~60 s读数偏差曲线图
Fig.7 Curve of reading deviation at a reading interval of 50~60 seconds for a certain avenue
为了更好的说明振动干扰环境下的读数取值问题 ,在某高速公路的出口处进行了 2 h的读数间隔 30 s及 60 s连续静态观测 ,结果详见图8。该数据表明 ,经 CG-5重力仪取值后 ,读数间隔 30 s和 60 s的两条曲线 ,其曲线响应的干扰不存在简单的时点对应关系。对该数据进行零点位移改正后 ,再对其偏离进行统计 ,结果发现 ,60 s间隔进行读数时 ,其偏离0.005×10-5m/s2的数据量比例比 30 s间隔进行取数的比例大(见表6~表7)。在此基础上 ,进行标准差按0.05×10-5m/s2间隔分类 ,大于 0.3×10-5m/s2的直接归一类,并分类统计生成表8~表9,其结果发现,运用 30秒间隔进行取数时 ,其不同标准差区段的平均数与线性回归值接近的出现率更高 ,取数时标准差的标准离差也相对较小。
由此说明 ,在高干扰背景下 ,较短的取数间隔多次取数 ,更有利于重力值的取值。
图8 某高速出口干扰环境不同观测时长重力读数曲线图
Fig.8 Gravity reading curve of a highway exit with different observation duration
表6 某高速路口60s读数不同标准差段统计表
Table 6 Statistical table of different standard deviation of 60 seconds readings at a highway exit
表7 某高速路口30s读数不同标准差段统计表
Table 7 Statistical table with different standard deviation of 30 seconds readings at a highway exit
工作中,由于重力仪在一个测点的读数用时相对较短,其零点位移可以不与考虑[7] ,基于该设想,用某高速出口零改后的数据 ,用时距作横坐标,就可以研究不同标准差背景下 ,重力仪读取数值的最终取值问题。该研究曲线可以发现,该本已零点位移改正的重力静态曲线,其不同标准差段的趋势线是不一的,但经统计表8~9发现,其Y值是全部回到原零点位移后的趋势值附近 ,其偏差均小于5×(10-8m/s2)。并且 30秒间隔读数的 Y值偏差均好于 60秒间隔读数。
通过以上研究说明,重力仪读数是基于背景弹性干扰下求取,当干扰背景的标准差小于0.150×10-5m/s2时,读数时窗长度与最终的读数真值无多大关系,但在有不定期振动干扰的情况下,较短的读数时窗长度更有利于读数的求取,并且该值有附合趋势回归的特征 ,在振动干扰背景下,不应简单利用相邻读数不超过5×10-8m/s2求取,应增加读数量,利用回归分析求取。
当然,该结果是在有限的数据下分析的结果,至于在干扰背景下 ,应读取多少读数方可求取,与不同干扰背景有否关系还有待进一步研究。
表8 某高速路口 30 s读数不同标准差段对距曲线统计表
Table 8 Statistical table of distance curves with different standard deviations of 30-second readings at a highway exit
表9 某高速路口 60 s读数不同标准差段对距曲线统计表
Table 9 Statistical table of distance curves with different standard deviations of 60-second readings at a highway exit
