倾斜改正在连续重力数据预处理中的应用

徐志辉 钱 庚 王建伟

（1、中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），湖北 武汉 430071 2、湖北省地震局，湖北 武汉 430071 3、恩施地震台，湖北 恩施 445000）

1 概述

重力仪是获取地球重力信息的最直接和最重要的仪器之一[1]，20 世纪30 年代，国外就已经着手研发地面相对观测重力仪[2]。LaCoste-Romberg 重力仪的问世，标志着地面连续重力观测精度进入微伽级，早期的LaCoste-Romberg 重力仪分为G 型和D型两种，其中G 型重力仪的量程约为7000mGal，精度达到了10微伽，由于其广泛的量程，因此可以不需要调整测程便可在全球范围内使用，而D 型重力仪在G 型的基础上进行改进，使仪器量程缩减到200mGal，从而使得测量精度从10 微伽减小到了5 微伽。

然而随着科学技术的发展和对地震监测预报要求的减小，人们对重力仪观测精度的要求越来越高，为了减小仪器观测精度，U.Casten 等[3]给D 型重力仪安装一个电子反馈系统，用以减小仪器的观测精度，但是并未取得预期中的效果，他们将改进集中于用电子水准器来替代传统的标准液体水准器。不同于电子反馈系统，刘冬至等[4]对G 型重力仪加装静电反馈系统，不仅改善了弹性系统的流变性，同时还削弱了灵敏度对倾斜的依赖程度。然而这些改进都无法完全消除倾斜对重力仪器在观测过程中的影响，由于技术水平的限制，倾斜改正一直难以实现，gPhone 重力仪的出现使得倾斜改正成为了可能。

本文通过对不同地区不同噪声水平的gPhone 重力仪原始数据进行倾斜改正，然后进行预处理和调和分析计算其潮汐因子，对比分析倾斜改正前后振幅因子标准偏差。

2 倾斜改正及数据处理

2.1 倾斜改正

进行重力观测时，如果仪器不处于水平状态，那么仪器测量的重力值并不是真实的重力值，包含着一个偏移量[5]，而以往的弹簧重力仪其水平参数的输出多为模拟信号，无法对仪器的倾斜参数进行改正，这对观测数据的精度有着一定的影响。gPhone重力仪在其基础上进行了改进，将水平参数输出的模拟信号进行数字化记录[6]，因此可以利用数字化记录的纵水准（long level）和横水准（cross level）对gPhone 重力仪进行倾斜改正，以减小其观测精度。

2.2 数据处理

本文选取林芝和北京这2 个台站的重力原始采样率数据，首先对原始观测数据进行倾斜改正，得到倾斜改正后的重力观测数据，然后分别对原始数据和倾斜改正后的数据进行预处理。预处理软件为Tsoft，它是1997 年比利时皇家天文台Vauterin 研制出的一种用于重力潮汐数据预处理的软件，该软件采用图形交互处理的方式，利用计算机的图形处理能力，直接对重力观测数据中的各种干扰进行修正，使得预处理更加的直观明了，而且预处理的效果也具有很高的可信度[7-8]。

重力观测过程中，难免会将地震等信息记录下来，除此之外，观测过程中，由于仪器自身的原因，数据会出现尖峰和突跳（又称阶跃）信号，如果仪器断电，甚至会导致数据的缺失，由于gPhone 是秒采样，数据的缺失更为明显，这些干扰都会影响数据处理结果的精度。因此在对数据处理之前，首先要对数据进行预处理，在不影响观测分析结果精度的条件下，尽可能的将这些干扰去除。

3 结果分析

重力调和分析方法就是对重力潮汐观测信号进行修正，去除各种非重力信号最大限度的得到准确的重力信号。目前国际上广泛应用的调和分析方法主要有Baytap-G[9]调和分析方法，ETERNA[10]分析方法以及VAV[11,12]调和分析软件。本文利用VAV调和分析软件分别对林芝地震台和北京地震台倾斜改正前后的重力值进行调和分析。标准偏差可以作为判断改正前后潮汐因子的精度，标准偏差越小，表明精度越高，反之，则越低。

林芝地震台原始重力值和倾斜改正后重力值的调和分析结果如表1，在周日波Q1、O1、NO1、K1、J1、OO1 以及半日波2N2、N2、M2、L2、S2，倾斜改正后振幅因子标准偏差都有所降低，其中Q1 标准偏差从0.00648 减小到了0.00622，O1 标准偏差从0.00182 减小到了0.00175，NO1 标准偏差从0.02587 减小到了0.02481，K1 标准偏差从0.00254 减小到了0.00244，J1 标准偏差从0.01563 减小到了0.01500，OO1 标准偏差从0.02864 减小到了0.02750；2N2 标准偏差从0.00500 减小到了0.00456，N2 标准偏差从0.00126 减小到了0.00115，M2 标准偏差从0.00029 减小到了0.00027，L2 标准偏差从0.00902 减小到了0.00803，S2 标准偏差从0.00073 减小到了0.00066，M4 从0.45887 减小到了0.45845，M3 标准偏差从0.00856 增加到了0.00878。

表1 林芝地震台VAV 调和分析结果

北京地震台原始重力值和倾斜改正后重力值的调和分析结果如表2，在周日波Q1、O1、NO1、K1、J1、OO1 以及半日波2N2、N2、M2、L2、S2，倾斜改正后振幅因子标准偏差都有所减小，其中Q1 标准偏差从0.04909 减小到了0.04908，O1 标准偏差从0.01251 减小到了0.01250，NO1 标准偏差从0.20261 减小到了0.20197，K1 标准偏差从0.00470 减小到了0.00469，J1 标准偏差从0.08181 减 小 到 了0.08177，OO1 从0.30034 减 小 到 了0.30008；2N2 标准偏差从0.05863 减小到了0.05850，N2 标准偏差从0.01311 减小到了0.01308，M2 标准偏差从0.00267 减小到了0.00266，L2 标准偏差从0.07546 减小到了0.07529，S2 标准偏差从0.00702 减小到了0.00701；M4 从4.31408 减小到了4.28511，M3 标准偏差从0.09679 增加到了0.09745。

表2 北京地震台VAV 调和分析结果

4 结论

从林芝地震台和北京地震台2 个地震台站的重力仪倾斜改正后预处理结果可以得知，倾斜改正可以减小重力观测数据的精度，无论是周日波还是半日波，倾斜改正后的标准偏差均要小于倾斜改正之前的标准偏差，然而不同台站其精度减小各不相同，其中林芝地震台改正后的精度要高于北京地震台。

然而，结果显示林芝台和北京台同时出现了倾斜改正后M3波振幅因子标准偏差有所增大的现象，其具体原因尚不明确，需要进一步的分析和讨论。

总体而言，倾斜改正确实能够提高连续重力数据预处理中的精度，但是由于选取的台站数据量太小，其他的重力台站数据是否能够提高精度尚需进一步分析。