劉向東，劉習(xí)凱，馬 東，陳 亮，張 寧

（1.基本物理量測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430074；2.引力與量子物理湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430074；3.華中科技大學(xué)物理學(xué)院與精密重力測(cè)量國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施,武漢430074）

0 引言

超導(dǎo)重力儀器包括超導(dǎo)重力儀和超導(dǎo)重力梯度儀，是利用超導(dǎo)電性構(gòu)建的工作在液氦溫度條件下的精密相對(duì)重力測(cè)量?jī)x器。美國(guó)California大學(xué)率先開(kāi)展了超導(dǎo)重力儀的研制工作，于1968年發(fā)布了第一臺(tái)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果[1]，儀器成功地觀測(cè)到了地球固體潮汐，但漂移較大，為±6μGal/d。此后，該儀器由GWR公司進(jìn)行商業(yè)研發(fā)，于20世紀(jì)末趨于成熟，完成了敏感探頭的結(jié)構(gòu)定型[2]，再往后的工作主要是改進(jìn)液氦低溫系統(tǒng)，延長(zhǎng)可持續(xù)工作時(shí)間。超導(dǎo)重力儀一直由GWR公司獨(dú)家生產(chǎn)，實(shí)測(cè)噪聲水平為 0.1μGal/Hz1/2～0.3μGal/Hz1/2(1mHz～20mHz）[3]，年漂移為微伽 (μGal）量級(jí)[4]，是目前性能最好的時(shí)變重力測(cè)量?jī)x器[2，5]，已被廣泛應(yīng)用于地球動(dòng)力學(xué)研究、重大自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警等領(lǐng)域[6-7]。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)Stanford大學(xué)的Paik及其同事開(kāi)始研制超導(dǎo)重力梯度儀[8-9]，其應(yīng)用目標(biāo)為引力波探測(cè)、空間重力測(cè)量和基礎(chǔ)物理研究等。2002年，已遷移到美國(guó)Maryland大學(xué)的Paik研究組報(bào)道了低至0.02E/Hz1/2@0.5Hz的儀器噪聲本底[10]，這一結(jié)果比常溫傳統(tǒng)梯度儀低了2～3個(gè)量級(jí)，獲得了廣泛關(guān)注。正值此時(shí)，基于旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)的航空重力梯度儀在資源勘查領(lǐng)域取得了巨大成功[11]。很自然地，國(guó)際上的多家機(jī)構(gòu)，包括英國(guó)的ARkex、加拿大的Gedex和澳大利亞的力拓集團(tuán)，均開(kāi)始研制航空超導(dǎo)重力梯度儀，旨在突破旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)梯度儀的分辨率極限，獲得更大深度的資源勘查能力[12-14]。然而，航空超導(dǎo)重力梯度儀的研發(fā)并不順利，迄今沒(méi)有一家機(jī)構(gòu)研制出了與旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)梯度儀性能相當(dāng)?shù)暮娇粘瑢?dǎo)重力梯度儀，說(shuō)明其實(shí)用化仍需突破一系列難度超乎尋常的技術(shù)瓶頸。

我國(guó)超導(dǎo)重力儀器的研制歷程比較曲折。早在1970年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院地貿(mào)研究所及河北省地震大隊(duì)就開(kāi)始聯(lián)合研制超導(dǎo)重力儀[15]。遺憾的是，該項(xiàng)目沒(méi)有堅(jiān)持到實(shí)用儀器的成形。40年后，我國(guó)重新啟動(dòng)了超導(dǎo)重力儀器的研制工作，華中科技大學(xué)開(kāi)始研制航空超導(dǎo)重力梯度儀和流動(dòng)超導(dǎo)重力儀，中國(guó)科學(xué)院電工研究所則研制了超導(dǎo)重力儀。

本文首先將依照從垂向超導(dǎo)加速度計(jì)、超導(dǎo)重力儀到超導(dǎo)重力梯度儀的順序，概述超導(dǎo)重力儀器的基本工作原理，然后簡(jiǎn)要介紹本文作者所在課題組近10年來(lái)在超導(dǎo)重力儀器研制方面所取得的進(jìn)展，最后評(píng)述我國(guó)航空超導(dǎo)重力梯度儀器研制所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1 超導(dǎo)重力儀器的工作原理

超導(dǎo)重力儀器本質(zhì)上仍然是基于彈簧振子的相對(duì)重力儀器，其測(cè)量的是重力加速度或重力梯度隨時(shí)間的變化值，儀器不能給出絕對(duì)值。在儀器的構(gòu)建中，應(yīng)用了超導(dǎo)體的兩個(gè)基本性質(zhì)，即零電阻效應(yīng)與Meisner效應(yīng)。Meisner效應(yīng)要求處在磁場(chǎng)中的超導(dǎo)體自發(fā)地在其表面形成屏蔽電流，屏蔽電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)可抵消外磁場(chǎng)，使超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)恒為0。超導(dǎo)重力儀器以低溫超導(dǎo)體金屬鈮（Tc=9.2K，Hc1=0.14T）為檢驗(yàn)質(zhì)量，利用超導(dǎo)載流線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，利用線圈與檢驗(yàn)質(zhì)量表面屏蔽電流之間的磁相互作用力構(gòu)建超導(dǎo)磁力彈簧振子。而超導(dǎo)線圈所在超導(dǎo)回路的零電阻特性及其所派生出的類磁通守恒特性，決定了磁力彈簧振子具有獨(dú)一無(wú)二的穩(wěn)定性。

為超導(dǎo)磁力彈簧振子配置微位移檢測(cè)單元，即可構(gòu)成超導(dǎo)加速度計(jì)。原則上而言，將兩個(gè)參數(shù)相同的超導(dǎo)彈簧振子分開(kāi)一個(gè)基線長(zhǎng)度放置，對(duì)振子位移進(jìn)行差分測(cè)量，即可得到重力梯度張量中一個(gè)分量的時(shí)變值。

1.1 超導(dǎo)加速度計(jì)與超導(dǎo)重力儀的工作原理

以課題組研制的垂向超導(dǎo)加速度計(jì)為例，說(shuō)明其工作原理。加速度計(jì)由磁力彈簧振子和位移檢測(cè)超導(dǎo)電路兩個(gè)功能模塊組成，圖1是其結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 垂向超導(dǎo)加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure illustration of vertical superconducting accelerometer

在超導(dǎo)檢驗(yàn)質(zhì)量的底端安置超導(dǎo)線圈，注入持久電流將檢驗(yàn)質(zhì)量懸浮，即構(gòu)成了垂向磁力彈簧振子。通常，將檢驗(yàn)質(zhì)量與懸浮線圈設(shè)計(jì)為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)兩者共軸，對(duì)稱軸與鉛錘線重合，因此檢驗(yàn)質(zhì)量與懸浮線圈之間的磁作用力方向也在鉛垂方向。借助有效電感的概念，磁作用力可表示為

式（1）中，Leff為懸浮線圈的有效電感，其定義為線圈的磁通量與其電流的比值，線圈磁通量包括本身電流產(chǎn)生的磁通與外部磁場(chǎng)的磁通。在這里，外部磁通指的是超導(dǎo)檢驗(yàn)質(zhì)量屏蔽電流產(chǎn)生的磁通。Leff是檢驗(yàn)質(zhì)量垂向位移x的函數(shù)，其包含了檢驗(yàn)質(zhì)量與懸浮線圈磁相互作用的信息，Leff（x）曲線可通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)量的方法給出。在超導(dǎo)重力儀器中，與檢驗(yàn)質(zhì)量相互作用的超導(dǎo)線圈通常與一些不與檢驗(yàn)質(zhì)量相互作用、電感值恒定的超導(dǎo)線圈串聯(lián)為一個(gè)閉合回路，再在回路中注入超導(dǎo)電流。超導(dǎo)電流一經(jīng)注入，便可無(wú)需外加電源而永久存在。超導(dǎo)回路具有磁通守恒的性質(zhì)，即有

式（2）中，Li為回路中不與檢驗(yàn)質(zhì)量相互作用的線圈的電感，互感Mj和電流Ij的乘積為其他超導(dǎo)回路通過(guò)互感線圈耦合到所考慮回路中的磁通。因此，當(dāng)檢驗(yàn)質(zhì)量發(fā)生位移時(shí)，懸浮線圈的有效電感會(huì)發(fā)生變化，而線圈中的超導(dǎo)電流I（x）也會(huì)跟隨其發(fā)生變化，以保持回路的磁通恒定。將式（1）對(duì)位移求導(dǎo)，可給出彈簧振子的剛度

式（3）中，L0為磁通守恒電感，其表達(dá)式由所有與懸浮線圈有耦合的超導(dǎo)電路回路的磁通守恒方程聯(lián)立給出，反映了磁通守恒所決定的懸浮線圈電流隨檢驗(yàn)質(zhì)量位移變化這一因素對(duì)剛度的影響。在通常情況下，懸浮線圈有效Leff（x）是凹函數(shù)，其二階導(dǎo)數(shù)是負(fù)值，式（3）的第二項(xiàng)反映了懸浮線圈與檢驗(yàn)質(zhì)量之間磁作用力的幾何位置依賴性對(duì)振子剛度的貢獻(xiàn)。振子剛度是影響加速度計(jì)性能的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計(jì)剛度滿足應(yīng)用需求的超導(dǎo)磁力彈簧振子一般包括三方面的工作：檢驗(yàn)質(zhì)量和懸浮線圈的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)、懸浮線圈的電磁參數(shù)及其相關(guān)超導(dǎo)電路設(shè)計(jì)以及懸浮電流大小的設(shè)定。各方面的設(shè)計(jì)相互關(guān)聯(lián)影響，需要做大量的數(shù)值計(jì)算，采用歸納總結(jié)的方法獲得合適的設(shè)計(jì)參數(shù)。

在圖1所示的超導(dǎo)加速度計(jì)中，彈簧振子的位移檢測(cè)是通過(guò)超導(dǎo)電路將位移轉(zhuǎn)化為磁通變化量，再由超導(dǎo)量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）將其轉(zhuǎn)化為電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。懸浮線圈同時(shí)也是位移檢測(cè)的探測(cè)線圈，當(dāng)檢驗(yàn)質(zhì)量有位移時(shí)，線圈的有效電感將發(fā)生變化，線圈所在超導(dǎo)回路的超導(dǎo)電流也隨之變化。這一變化通過(guò)超導(dǎo)互感線圈傳遞到SQUID輸入線圈所在回路，該回路相應(yīng)的電流變化由SQUID轉(zhuǎn)化為電壓輸出。求解兩個(gè)回路的磁通守恒方程，可得到SQUID輸入線圈電流變化量與檢驗(yàn)質(zhì)量位移之間的關(guān)系

式（4）中，I0為檢驗(yàn)質(zhì)量在平衡位置時(shí)的探測(cè)線圈電流，為此時(shí)探測(cè)線圈的有效電感，LA和LB分別是超導(dǎo)互感線圈的初級(jí)與次級(jí)自感，MAB是其互感，LC是SQUID輸入線圈的電感（如圖1所示）。式（4）乘以SQUID的傳遞函數(shù)即為加速度計(jì)的位移檢測(cè)傳函。

基于SQUID的位移傳感技術(shù)能充分利用超導(dǎo)重力儀器的低溫環(huán)境，噪聲水平比傳感電容位移傳感低1～2個(gè)量級(jí)，可與構(gòu)建彈簧振子的超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)高度兼容，特別適合于構(gòu)建高分辨和寬頻帶的超導(dǎo)重力儀器。

為了穩(wěn)定檢驗(yàn)質(zhì)量的姿態(tài)，需要圍繞檢驗(yàn)質(zhì)量設(shè)置非敏感自由度約束線圈。懸浮檢驗(yàn)質(zhì)量與這些線圈相互作用，形成非敏感自由度彈簧振子。非敏感自由度振子的剛度要設(shè)計(jì)得盡可能大，以減小加速度計(jì)的交叉耦合效應(yīng)。如果在動(dòng)態(tài)環(huán)境下使用（如航空重力梯度儀），還需使用反饋控制的方法進(jìn)一步提高其剛度。

以垂向超導(dǎo)加速度計(jì)為敏感探頭，配備可長(zhǎng)期持續(xù)工作的液氦低溫系統(tǒng)、高精度的敏感探頭溫度穩(wěn)定反饋控制系統(tǒng)以及可穩(wěn)定安裝基座的傾斜反饋控制系統(tǒng)，即可構(gòu)成超導(dǎo)重力儀。

1.2 超導(dǎo)重力梯度儀的工作原理

以課題組在研的Γzz單軸超導(dǎo)重力梯度儀為例，說(shuō)明其工作原理，如圖2所示。該梯度儀測(cè)量信號(hào)最大、信息量最豐富的垂向?qū)欠至?，即不同高度處的重力加速度差值。但在儀器構(gòu)建上，并不是將兩個(gè)垂向加速度計(jì)在垂向分開(kāi)放置，將其測(cè)量結(jié)果做差給出重力梯度，而是用超導(dǎo)電路將兩個(gè)垂向分開(kāi)放置的垂向超導(dǎo)磁力彈簧振子連接耦合成一個(gè)2自由度彈簧振子，測(cè)量其差模位移。其中的原因是，前者難以將兩個(gè)加速度計(jì)的標(biāo)度因子、對(duì)外部擾動(dòng)的響應(yīng)做得高度一致，在技術(shù)上無(wú)法滿足高分辨梯度測(cè)量的需求；而后者在抑制外部噪聲上有許多便利之處，這一結(jié)論在下文中會(huì)詳細(xì)提及。

圖2 超導(dǎo)重力梯度儀的工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of working principle of superconducting gravity gradiometer

不考慮阻尼，并認(rèn)為兩個(gè)彈簧振子的參數(shù)理想匹配，則在安裝平臺(tái)坐標(biāo)系中的動(dòng)力學(xué)方程可寫為

式（5）中，m為質(zhì)量；xi為檢驗(yàn)質(zhì)量位移；kij為剛度矩陣，耦合超導(dǎo)電流通常被設(shè)計(jì)為對(duì)稱形式，此時(shí)，kij=kji；ai是第i個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量慣性加速度與重力加速度的合成加速度；ω為角頻率。令ad（ω）=a1（ω）-a2（ω），ac（ω）=[a1（ω）+a2（ω）]/2，xd（ω）=x1（ω）-x2（ω），xc（ω）=[x1（ω）+x2（ω）]/2，求解動(dòng)力學(xué)方程可得

式（6）表明，2自由度耦合振子的差模剛度為k11-k12，共模剛度為k11+k12。以超導(dǎo)電路耦合的彈簧振子具有k11和k12為正值、且k11＞k12的性質(zhì)，因而共模剛度總是比差模剛度要大。精心設(shè)計(jì)耦合超導(dǎo)電路，可以使共模剛度比差模剛度大數(shù)十倍，這意味著振子對(duì)重力梯度信號(hào)敏感，但對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的共模加速度響應(yīng)較小，有利于提高儀器的共模抑制比，這一點(diǎn)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境測(cè)量的意義重大。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)耦合超導(dǎo)電路中的電流，還可以方便地補(bǔ)償兩個(gè)振子參數(shù)失配，進(jìn)一步提高共模抑制比。

在超導(dǎo)重力梯度儀中，差模位移由超導(dǎo)電路直接測(cè)出，圖3給出了一種典型的超導(dǎo)電路。在彈簧振子發(fā)生共模位移時(shí)，SQUID輸入線圈的電流為0。在彈簧振子發(fā)生差模位移xd時(shí)，SQUID輸入線圈的電流為

這一結(jié)果也是由超導(dǎo)回路的磁通守恒定律給出的。 在式（7）中，Leff（x）為兩個(gè)懸浮線圈有效電感隨檢驗(yàn)質(zhì)量垂向位移x的變化函數(shù)，這里認(rèn)為兩個(gè)線圈的相關(guān)參數(shù)理想匹配，不需要進(jìn)行區(qū)分；Leff（x）為檢驗(yàn)質(zhì)量處于平衡位置時(shí)線圈的有效電感；LA和LB是超導(dǎo)互感線圈的初級(jí)與次級(jí)自感，MAB是其互感，Ls是SQUID輸入線圈的電感（如圖3所示）。

圖3 一種典型的差分位移探測(cè)超導(dǎo)電路Fig.3 A typical superconducting circuit for the detection of the differential displacement

借助圖3所示電路，再簡(jiǎn)要說(shuō)明通過(guò)超導(dǎo)電路形成2自由度耦合振子的原理。該電路中的2個(gè)超導(dǎo)線圈分別與2個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量相互作用，當(dāng)一個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量運(yùn)動(dòng)時(shí)，與其相互作用線圈的有效電感亦發(fā)生變化，超導(dǎo)回路的磁通守恒性質(zhì)使得與另一個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量相互作用的超導(dǎo)線圈的電流也發(fā)生變化，進(jìn)而改變了這一個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量的受力。這樣，兩個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)就相互耦合了。使用前文描述的方法，可推導(dǎo)出2自由度振子的剛度矩陣為

梯度儀還配備有數(shù)套非敏感自由度超導(dǎo)電路，可通過(guò)這些電路對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量姿態(tài)進(jìn)行反饋控制，同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)振子敏感軸的取向。非敏感自由度超導(dǎo)電路在交叉耦合噪聲抑制方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其重要性絲毫不亞于敏感軸電路。

2 課題組超導(dǎo)重力儀器研制進(jìn)展

本文作者所在課題組（華中科技大學(xué)引力中心）從2011年開(kāi)始研制超導(dǎo)重力梯度儀，其最終目標(biāo)是將超導(dǎo)重力梯度儀應(yīng)用于航空資源勘查。“十二五”期間的主要工作是跟蹤研究，其間突破了超導(dǎo)重力儀的設(shè)計(jì)、制作、集成和測(cè)試等關(guān)鍵技術(shù)，研制出了原理樣機(jī)。受限于外部振動(dòng)的耦合干擾，實(shí)驗(yàn)室的噪聲水平為7.2E/Hz1/2?！笆濉遍_(kāi)局后，面對(duì)國(guó)際航空超導(dǎo)重力梯度儀的研制受制于外部噪聲抑制的技術(shù)瓶頸而面臨停滯的狀況，課題組一方面深化相關(guān)的理論研究，以理論創(chuàng)新引導(dǎo)技術(shù)突破，另一方面開(kāi)闊視野，密切關(guān)注相關(guān)學(xué)科的最新進(jìn)展，尋找新技術(shù)、新方法，以集成創(chuàng)新解決技術(shù)難題。課題研究從此走向了自主攻關(guān)階段，并在單元技術(shù)攻關(guān)方面取得了重要進(jìn)展。值得一提的是，課題組突破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，研制了具有國(guó)際領(lǐng)先水平的梯度儀敏感探頭[16]，如圖4所示。在交叉耦合系數(shù)不變的情況下，其梯度探測(cè)靈敏度提高了1個(gè)量級(jí)，共模差模剛度比增大了6倍，溫度漲落耦合系數(shù)降低了1個(gè)量級(jí)，為后期抑制動(dòng)態(tài)環(huán)境下的外部噪聲、提高測(cè)量分辨率奠定了良好的基礎(chǔ)。此外，課題組在細(xì)致的理論分析基礎(chǔ)上，提出了全頻帶電流調(diào)節(jié)共模平衡的實(shí)用判據(jù)[17]，解決了敏感探頭原則上可以調(diào)節(jié)由超導(dǎo)電流補(bǔ)償加工制作造成的參數(shù)不匹配效應(yīng)、但因缺乏判據(jù)而無(wú)法實(shí)際操作的難題。應(yīng)用此技術(shù)，梯度儀的共模抑制比提高到了90dB，儀器實(shí)驗(yàn)室的噪聲水平下降到了2E/Hz1/2（0.1Hz）。當(dāng)前的主導(dǎo)噪聲也由原來(lái)的共模耦合噪聲轉(zhuǎn)換成為交叉耦合噪聲。

圖4 課題組近2年為驗(yàn)證新設(shè)計(jì)、新技術(shù)而研發(fā)的敏感探頭Fig.4 Sensitive probes developed in the recent two years for tests of new designs and new technologies

作為航空超導(dǎo)重力梯度儀研制過(guò)程的副產(chǎn)物，課題組研發(fā)了性能優(yōu)良的垂向超導(dǎo)加速度計(jì)。其設(shè)計(jì)噪聲全頻帶低于新地球低噪聲模型，實(shí)測(cè)噪聲為0.3μGal/Hz1/2@40mHz。在未做任何溫度與傾斜控制的情況下，即可記錄高信噪比的固體地球潮汐，具有優(yōu)良的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。垂向超導(dǎo)加速度計(jì)是超導(dǎo)重力儀的核心部件，其成功研制表明課題組已具備研制超導(dǎo)重力儀的能力。課題組正在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 “流動(dòng)超導(dǎo)重力儀研制”課題的支持下，研發(fā)超導(dǎo)重力儀的低溫、傾斜穩(wěn)定控制和溫度穩(wěn)定控制等外圍系統(tǒng)，并有望在不久的將來(lái)，打破美國(guó)公司的長(zhǎng)期壟斷，實(shí)現(xiàn)在重大自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域具有迫切需求的超導(dǎo)重力儀的國(guó)產(chǎn)化。需要指出的是，課題組研制的垂向超導(dǎo)加速度計(jì)采用了與美國(guó)儀器完全不同的技術(shù)路線，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。加速度計(jì)采用超導(dǎo)位移傳感代替了電容位移傳感，具有更高的靈敏度，設(shè)計(jì)噪聲水平低于美國(guó)儀器，且頻帶寬一個(gè)量級(jí)，覆蓋了地球本征模和背景噪聲頻段，并附加了地震學(xué)精密監(jiān)測(cè)的功能。加速度計(jì)應(yīng)用了航空超導(dǎo)重力梯度儀研制的部分技術(shù)，具有更高的交叉耦合抑制能力，適合流動(dòng)觀測(cè)。目前，第一臺(tái)超導(dǎo)重力儀原型機(jī)已進(jìn)入測(cè)試階段，如圖5所示。

圖5 測(cè)試中的超導(dǎo)重力儀Fig.5 Superconducting gravimeter in test

3 航空超導(dǎo)重力梯度儀研制的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

航空超導(dǎo)重力梯度儀是超導(dǎo)重力儀器研制領(lǐng)域的制高點(diǎn)，對(duì)其的研制具有國(guó)家層面的戰(zhàn)略意義。本文結(jié)合課題組近10年的研究成果和體會(huì)，對(duì)我國(guó)航空超導(dǎo)重力梯度儀的研發(fā)前景做出了展望。

本世紀(jì)初，西方發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研發(fā)航空超導(dǎo)重力梯度儀，其看重的是其內(nèi)稟儀器噪聲低，能夠突破傳統(tǒng)梯度儀分辨率的物理極限。如果要研制新一代、更高分辨率的重力梯度測(cè)量?jī)x器，超導(dǎo)重力梯度儀是最佳的技術(shù)路線，這一屬性至今沒(méi)有改變。在沒(méi)有任何基礎(chǔ)的情況下，科技部在“十二五”果斷啟動(dòng)了超導(dǎo)重力梯度儀研制項(xiàng)目，這是一個(gè)具有科學(xué)前瞻性的布局，已故地球物理學(xué)家黃大年先生在這之中做出了重要貢獻(xiàn)。這些年來(lái)，西方國(guó)家在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)過(guò)渡到實(shí)用工程樣機(jī)的瓶頸技術(shù)攻關(guān)方面并未取得實(shí)際進(jìn)展，而課題組在這一間隙時(shí)間內(nèi)，完成了實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)研制，形成了人才隊(duì)伍，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力，研究工作已進(jìn)入工程樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，并在部分單元技術(shù)上取得了突破?？梢哉f(shuō)，我國(guó)航空超導(dǎo)重力梯度儀的研制迎來(lái)了彎道超車的機(jī)遇。

在另一方面，應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到，將超導(dǎo)重力梯度儀從實(shí)驗(yàn)室搬上飛機(jī)，需要跨越巨大的技術(shù)臺(tái)階，而實(shí)用化目標(biāo)絕不可能一蹴而就。在動(dòng)態(tài)航空環(huán)境下，超導(dǎo)重力梯度儀的噪聲由內(nèi)部噪聲和外部噪聲組成。內(nèi)部噪聲由儀器的工作原理決定，是儀器分辨率的物理極限，不可超越；外部噪聲是平臺(tái)振動(dòng)等環(huán)境干擾因素的耦合噪聲，原則上可以通過(guò)技術(shù)方法對(duì)其進(jìn)行抑制。從實(shí)驗(yàn)室到航空環(huán)境，平臺(tái)振動(dòng)噪聲增大了5～6個(gè)量級(jí)，而抑制其耦合噪聲面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。舉一個(gè)例子說(shuō)明，在1E/Hz1/2的需求目標(biāo)下，要求梯度儀的兩個(gè)磁力彈簧振子的敏感軸取向偏差在動(dòng)態(tài)環(huán)境下始終小于1nrad。這不僅要求單個(gè)磁懸浮振子通過(guò)反饋控制定義的敏感軸取向必須穩(wěn)定在1nrad以內(nèi)，同時(shí)需要有精密的調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置，將1nrad取向偏差產(chǎn)生的效應(yīng)與其他誤差效應(yīng)分離檢測(cè)出來(lái)。這種高精度的調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝置只能自行研制，同樣具有技術(shù)挑戰(zhàn)性。

面對(duì)航空超導(dǎo)重力梯度儀研制的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，一方面要堅(jiān)定信心，大膽嘗試，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，融合交叉技術(shù)，尋求技術(shù)突破；另一方面要戒急戒躁，通過(guò)日積月累的踏實(shí)研究，不斷提高制作安裝、反饋控制和集成調(diào)試等環(huán)節(jié)的技術(shù)水平，補(bǔ)全短板，夯實(shí)技術(shù)突破的基礎(chǔ)。目前，缺乏高精度調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試裝置，已成為制約儀器研制的重要因素。課題組正在 “精密測(cè)量國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施”的框架內(nèi)研發(fā)多套超導(dǎo)重力梯度儀專用的調(diào)制測(cè)試裝置，希望通過(guò)邊研制邊應(yīng)用的方式，相輔相成地提高輔助測(cè)試裝置與梯度儀的技術(shù)水平。

4 結(jié)論

基于超導(dǎo)體的Meisner效應(yīng)和超導(dǎo)回路的磁通守恒特性，超導(dǎo)重力儀器利用超導(dǎo)載流線圈與超導(dǎo)檢驗(yàn)質(zhì)量之間的相互作用構(gòu)建磁力彈簧振子，還可以利用包含超導(dǎo)量子干涉器件的超導(dǎo)電路進(jìn)行微位移檢測(cè)，具有穩(wěn)定性好、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，在高分辨相對(duì)重力測(cè)量?jī)x器中具有不可替代的地位。本文課題組自 “十二五”開(kāi)始研制超導(dǎo)重力儀器，在超導(dǎo)重力儀研制領(lǐng)域已取得階段性進(jìn)展，正在為儀器實(shí)用化配置外圍輔助系統(tǒng)。在超導(dǎo)重力梯度儀方面，已完成實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)研制，并攻克了部分工程化的關(guān)鍵技術(shù)，但總體技術(shù)成熟度距航空勘查應(yīng)用還有較大的差距，需要在交叉耦合噪聲等外部抑制技術(shù)方面取得進(jìn)一步突破。