白金海馬慧娟胡 棟王 宇

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095）

1 引言

重力加速度是描述地球重力場的關(guān)鍵參數(shù)，對其進行實時實地的高精度測量具有重要意義和應(yīng)用［1-3］。在計量和基礎(chǔ)科學領(lǐng)域，可用于建立質(zhì)量基準、檢驗后牛頓引力理論等；在地球物理領(lǐng)域，可用于地球動力學和地震等；在地質(zhì)測繪領(lǐng)域，對重力異常數(shù)據(jù)進行反演歸算，可以得到地下質(zhì)量體的密度和分布信息；在軍事國防領(lǐng)域，可以用于導(dǎo)彈制導(dǎo)重力修正、無源慣性導(dǎo)航等。

重力儀可分為相對重力儀和絕對重力儀兩類。相對重力儀用于重力隨時間和空間變化的測量，主要有彈簧重力儀和超導(dǎo)重力儀兩種。彈簧重力儀的測量精度可達1 μGal，但存在因彈性疲勞引起的零點漂移問題［4］，CG5 型重力儀漂移在20 μGal／天，GT-2海空重力儀漂移在1 mGal／月；超導(dǎo)重力儀的精度高達0.001 μGal［5］，漂移在0.5 μGal／月，因振動會造成超導(dǎo)磁通跳躍，使其無法用于動平臺環(huán)境。

絕對重力儀可以為相對重力儀提供絕對重力參考標準，是保證所有重力測量結(jié)果準確可靠的前提。目前，激光干涉絕對重力儀和冷原子干涉絕對重力儀是主要的兩種絕對重力測量儀器。其中美國Microg-Lacoste 公司生產(chǎn)的激光干涉絕對重力儀FG5-X［6］，在絕對重力測量及其相關(guān)行業(yè)占據(jù)壟斷地位，在歷次絕對重力國際比對中也占據(jù)主導(dǎo)地位。FG5-X 通過邁克爾遜干涉實時測量落體角錐自由下落時刻和位置并解算重力，在實驗室環(huán)境下，重力測量靈敏度為15 μGal／Hz1／2，不確定度為1.8 μGal（k＝1）。

與之對比，自上世紀90 年代發(fā)展起來的冷原子干涉絕對重力儀［7］，其不確定度與FG5-X 相當，測量靈敏度更高［8］，具有測量速度快、可實現(xiàn)長期連續(xù)測量等優(yōu)點。經(jīng)過發(fā)展，其在小型化、工程化、環(huán)境適應(yīng)性等方面得到改善；通過參加重力比對，其測量性能得到驗證；通過野外環(huán)境試驗，其長期穩(wěn)定性和可靠性性得以證實；通過船載、機載等動平臺環(huán)境試驗，其動態(tài)測量能力得到證實。越來越多證據(jù)表明，冷原子重力儀有望成為下一代高精度絕對重力儀，在重力基準維護、地球物理、無源慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

對冷原子重力儀的原理和技術(shù)優(yōu)勢進行了分析，介紹了冷原子重力儀的系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)，簡述了冷原子重力儀的研究進展和發(fā)展趨勢。最后對冷原子重力儀的研究方向，特別是在動態(tài)應(yīng)用場景下的要點進行了分析和梳理。

2 冷原子重力儀的原理和優(yōu)勢

Steven Chu 小組發(fā)明的拉曼脈沖干涉原理冷原子重力儀［7］，是目前為止測量精度最高、技術(shù)最成熟的量子干涉重力測量方案。冷原子重力儀可以細分為噴泉上拋式和自由下落式兩種具體實施路徑，噴泉方案可以提升自由演化時間，同時原子運動路徑基本對稱，有利于抑制各項系統(tǒng)誤差，但配套激光系統(tǒng)、真空系統(tǒng)的復(fù)雜性更高，一般應(yīng)用于原理探索和基礎(chǔ)科學研究；自由下落方案使原子在重力作用下釋放并進行干涉操控，裝置的復(fù)雜性顯著降低，原子干涉尺度為20 cm 左右，可以實現(xiàn)1 μGal量級的重力測量精度，是目前應(yīng)用最為廣泛的測量方法。

測量裝置示意圖如圖1 所示［9］：使用二維磁光阱技術(shù)提供冷原子源，并輸送到三維磁光阱中，進一步使原子冷卻，原子數(shù)在108量級，溫度在2 μK左右；之后關(guān)閉磁光阱使原子自由釋放，在原子下落過程中，經(jīng)過原子的選態(tài)、干涉和探測后，原子布居數(shù)分布信息用條紋表征，從中可以推算出重力值。

圖1 冷原子重力儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of cold atomic gravimeter

原子干涉操控過程構(gòu)成了馬赫-曾德爾干涉儀，干涉序列由π／2 -π -π／2 三個拉曼子脈沖組成，使波函數(shù)發(fā)生分束、反射和合束，實現(xiàn)原子的物質(zhì)波干涉。原子末態(tài)布居數(shù)比例P為：

式中：C——干涉條紋對比度；ΔΦ——干涉儀相移。

如果不考慮重力梯度的影響，相移ΔΦ 的表達式為：

具體實驗上，可以通過改變α調(diào)制干涉儀相位，掃描出整個干涉條紋，對條紋擬合就可以得到重力值。利用原子的量子干涉實現(xiàn)重力測量，相比于使用宏觀質(zhì)量體作為敏感單元的方法，具有如下優(yōu)點：

1）溯源性好。利用原子能級躍遷頻率與被測物理量對應(yīng)關(guān)系進行重力測量，具有自校準、易復(fù)現(xiàn)等特性。操控激光始終與原子譜線鎖定，不會隨設(shè)備的工作而漂移；

2）分辨力高。由于冷原子物質(zhì)波波長短，可以達到極高干涉測量精度，目前冷原子重力測量技術(shù)在實驗室實現(xiàn)的分辨力最高可達10-12量級，遠超現(xiàn)有重力最高計量標準；

3）小型化潛力大。原子尺度微小，可實現(xiàn)高度集成化。原子芯片、新型磁光阱真空等技術(shù)的發(fā)展使背包級原子干涉系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能；

4）具備動態(tài)測量能力。近幾年來，冷原子絕對重力儀的動平臺測量可行性得到驗證，其在測量精度、準確度以及動態(tài)測量方面推進重力測量技術(shù)的提升，將對傳統(tǒng)?？罩亓y量技術(shù)體系產(chǎn)生顛覆性變革，具有廣泛應(yīng)用。

3 冷原子重力儀的系統(tǒng)組成和發(fā)展趨勢

冷原子重力儀是量子精密測量技術(shù)領(lǐng)域的代表，涉及諸多關(guān)鍵技術(shù)，包含激光產(chǎn)生和控制、超高真空制備與維護、磁場精密控制、精密電子電路等。冷原子重力測量系統(tǒng)的框架和組成如圖2 所示［10，11］：冷原子的產(chǎn)生、操控和探測均需在超高真空環(huán)境中進行，對真空度和剩磁提出要求；原子制備操控均需要用激光實現(xiàn)，對激光的波長、功率、偏振、光斑以及開關(guān)速度和關(guān)斷比等提出要求［12］；控制系統(tǒng)用于提供各個子系統(tǒng)、儀器、外設(shè)的運轉(zhuǎn)和通信，以期實現(xiàn)無人值守測量；振動抑制系統(tǒng)是核心部分，用來抑制外界環(huán)境振動噪音對高精度重力測量的影響，是決定重力測量性能的關(guān)鍵；最后，為了修正系統(tǒng)誤差，保證測量準確性，并監(jiān)測系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，還需要用到氣壓計、傾斜儀等多種輔助設(shè)備。

3.1 真空系統(tǒng)

冷原子重力儀的測量在真空系統(tǒng)中實現(xiàn)，真空系統(tǒng)由主真空腔、磁屏蔽、線圈等組成。真空度要達到10-7Pa 甚至10-9Pa 的超高真空，以減小對原子壽命和拉曼光波前的影響。實驗室冷原子重力儀的代表是斯坦福大學［13］和中科院數(shù)物所［14］的10 m噴泉冷原子測量裝置，斯坦福大學研制的裝置如圖3 所示，最大自由演化時間達秒量級，慣性物理量測量精度得到數(shù)量級的提升。

圖3 斯坦福大學10 m 噴泉原子干涉測量裝置圖Fig.3 Stanford University's 10 m fountain atomic interference measuring device

之后，為滿足可搬運測量需求，各個研究小組開展集成化真空系統(tǒng)研究，里程碑工作有兩個：第一個工作是從噴泉式冷原子重力儀發(fā)展到自由下落式［15］，真空腔體積得以縮小，重力敏感探頭尺寸降低，儀器可靠性和穩(wěn)定性得以提升。同時激光功率要求最高的冷卻激光可以由同一個聲光調(diào)制器產(chǎn)生，相應(yīng)激光光路系統(tǒng)和配套電控系統(tǒng)得以簡化。

第二個工作是使用新型磁光阱技術(shù)研制小型真空腔。為替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)磁光阱，發(fā)明了金字塔磁光阱技術(shù)［16］和光柵磁光阱技術(shù)［17］。金字塔磁光阱僅使用一束冷卻光就可以構(gòu)成三維冷卻激光束縛配置，且通過巧妙設(shè)計使激光偏振自動滿足要求，使真空腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜性顯著降低。另外，由于提升了激光利用率，激光功率需求降低，Berkely 使用一臺240 mW 的DBR 激光器提供了全部激光，對工程應(yīng)用極為有利。金字塔重力儀如圖4 所示，冷卻光、回泵光和拉曼光用同一根光纖傳輸進真空腔中，構(gòu)成“單激光束”冷原子重力儀［18］，Landragin 小組實現(xiàn)了6 μGal 的重力測量分辨率，受限于環(huán)境振動。

圖4 金字塔重力儀示意圖Fig.4 Schemetic diagram of pyramid structure atomic gravimeter

真空系統(tǒng)工程應(yīng)用的最大障礙是加工周期長。針對此，美國斯坦福大學開展了微晶玻璃真空系統(tǒng)制備技術(shù)研究［19］，使用可大規(guī)模加工、成熟可靠的微晶玻璃材料替代傳統(tǒng)金屬材料，用膠黏方法替代傳統(tǒng)機加工，使周期顯著縮短，具有重要實用價值。斯坦福大學研發(fā)的多軸冷原子干涉儀就是用微晶玻璃結(jié)合特別的膠黏工藝實現(xiàn)的，真空度達到10-7Pa，加工周期短至1 個月，相比于傳統(tǒng)真空腔技術(shù)，還具有無渦流、光學通道豐富、低成本等優(yōu)點。

3.2 激光系統(tǒng)

利用冷原子的量子干涉實現(xiàn)重力測量，對激光性能要求極高，比如激光功率波動小于0.5%，頻率穩(wěn)定性好于10-9、具備頻率功率快速調(diào)諧能力，超低激光相噪以及同步控制等，這需要巧妙設(shè)計和高超手段配合實現(xiàn)。

受大功率激光技術(shù)和光電器件發(fā)展水平限制，在早期研究階段，激光系統(tǒng)一般使用多臺激光器和放大器實現(xiàn)，利用空間光分束合束、平臺耦合等方式完成功率分配、開關(guān)控制和頻率調(diào)諧，整個系統(tǒng)平鋪在10 m2大小、一兩噸重的光學平臺上，基本上沒有現(xiàn)場測量的能力。

激光系統(tǒng)的第一個突破是從平臺光路升級到小型化“平板式”光路，整個光路被集成在一個可搬運光學平板上。綜合考慮激光移頻、鎖頻及激光傳輸分配方案，并利用激光分時復(fù)用技術(shù)，使激光器和光纖數(shù)量減少；研發(fā)小型器件替代傳統(tǒng)光學器件；光路結(jié)構(gòu)緊湊以減小系統(tǒng)尺寸。中科院數(shù)物所冷原子干涉測量裝置的平板式激光系統(tǒng)如圖5 所示［20，21］，整個激光光路安裝在0.4 m2的光學平板上，光電控制機柜總重100 kg。這種小型化平板光路使冷原子重力儀的體積、重量等指標得以有效提升，但是沒有脫離傳統(tǒng)光路的范疇，仍存在易受外界振動和溫漂等因素影響導(dǎo)致無法長期測量問題，需要定期維護，不利于冷原子重力儀的實際應(yīng)用。

圖5 小型化激光系統(tǒng)實物圖Fig.5 Physical picture of miniaturized laser system

第二個突破是光纖激光技術(shù)的使用。得益于光纖激光器和光纖器件的發(fā)展，目前利用光纖激光器倍頻產(chǎn)生大功率780 nm 激光輸出的技術(shù)趨于成熟，并在冷原子重力儀中得到應(yīng)用［22］。具體方案如下：使用光纖激光器輸出種子光，具有調(diào)諧范圍大、抗干擾能力強等優(yōu)點，且其波長反饋模型單一，利于自動化鎖頻技術(shù)的應(yīng)用，有助于無人值守重力測量的實現(xiàn)；種子光經(jīng)過多級光纖放大后，用倍頻晶體倍頻，效率在30%左右，激光輸出功率在2 W 以上，單臺激光器即可滿足整個重力儀使用。配合成熟的光纖器件，包括光纖調(diào)制器、光纖開關(guān)、光纖耦合器等，有望實現(xiàn)基于全光纖器件的激光系統(tǒng)，這將大幅度提升系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，加速冷原子重力儀的實際應(yīng)用進程。

4 冷原子重力儀的研究現(xiàn)狀

4.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1991 年，美國斯坦福大學Steven Chu 團隊利用鈉原子作為測量介質(zhì)進行絕對重力測量，實現(xiàn)了第一臺冷原子重力儀。1999 年，Peters 等人使重力測量精度大幅提升［28］，并與FG5 進行比對，表明原子系統(tǒng)的測量不確定度可達到7 μGal。冷原子干涉技術(shù)也拓展到重力梯度測量領(lǐng)域，于2008 年實現(xiàn)了測量樣機，重力梯度測量靈敏度達到30 E／Hz1／2，是目前冷原子重力梯度儀的最高水平。

國際上眾多研究機構(gòu)也積極開展冷原子重力測量技術(shù)研究，包括德國洪堡大學、法國LNESYRTE、法國宇航局、美國Berkeley 等。

作為BNM 瓦特天平計劃的一部分，LNESYRTE 小組基于其已有的原子鐘技術(shù)，利用自由下落Rb 原子進行絕對重力測量［29］。2009 年，第八屆國際絕對重力關(guān)鍵比對中，LNE-SYRTE 的CAG-1是第一個參加重力國際對比的冷原子重力儀，開啟了冷原子重力計量領(lǐng)域的先河。德國洪堡大學研制的GAIN，控制系統(tǒng)集成在19 英寸機柜中［30］，可以裝載在小型卡車上，運輸?shù)讲煌臏y量位，實現(xiàn)可搬運測量。美國Berkely 的Müller 小組研制的冷原子重力儀采用了新型單激光金字塔結(jié)構(gòu)［18，31］，同時研制了小型化光路，僅使用一臺激光器就提供全部激光。

2004 年，美國斯坦福大學成立了AOSense 公司，研發(fā)并銷售冷原子重力儀及相關(guān)器件，其在2010 年交付國際上第一臺商業(yè)冷原子重力儀，因AOSense 主要服務(wù)于美國軍方，其儀器指標不公開。法國Muquans 公司于2011 年成立，并在2018 年交付重力儀產(chǎn)品，采用金字塔真空腔以及光纖光路設(shè)計，并使用補償隔振技術(shù)抑制環(huán)境振動，在實驗室環(huán)境實現(xiàn)了50 μGal／Hz1／2的重力測量靈敏度，測量穩(wěn)定性達到微伽量級，裝置總體積約為0.5 m3，總重量120 kg，是目前成熟度最高的冷原子重力儀，儀器由光電控制系統(tǒng)和重力測量探頭組成，如圖7 所示。最近，Muquans 公司利用最新產(chǎn)品展示了量子重力儀在世界上第一個用于監(jiān)測和研究火山的應(yīng)用，進行了為期四個月的連續(xù)測量。

圖7 Muquans 公司重力儀裝置圖Fig.7 Atomic gravimeter device diagram developed by Muquans

國內(nèi)冷原子重力儀主要研究機構(gòu)有華中科技大學、中國計量院、浙江工業(yè)大學、中科院武漢數(shù)物所、國防科技大學、船舶集團717 所、北京長城計量測試技術(shù)研究所等。其中，華科采用原子上拋方案［8］，使用性能優(yōu)異的隔振系統(tǒng)，重力測量靈敏度達到4.2 μGal／Hz1／2，測量不確定度達到3 μGal。計量院重力基準實驗室的NIM-AGRb-1［9，32］，采用原子下落方案，測量靈敏度達到44 μGal／Hz1／2，測量不確定度達到5.2 μGal。浙工大更注重工程化應(yīng)用和動態(tài)測量領(lǐng)域［33］，是國內(nèi)首次開展船載動態(tài)重力儀驗證試驗的單位，該小組的原子重力儀先后多次進行搬運實驗，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，測量不確定度達到19 μGal。數(shù)物所比較注重系統(tǒng)的小型化和集成化［34］，其抽屜式光學系統(tǒng)集成度較高，重力測量不確定度達到7.6 μGal。國防科大采用原子噴泉方案搭建樣機［35］，測量靈敏度達到51 μGal／Hz1／2，其在自動鎖頻和拉曼光強比控制等方面開展了實驗研究。船舶集團717 所采用自由下落方案，使用補償隔振技術(shù)抑制振動噪音的影響，其在工程化、環(huán)境適應(yīng)性等方面具有優(yōu)勢。航空工業(yè)計量所研制了CIMM-G1 噴泉式冷原子重力儀樣機，長期穩(wěn)定性測量結(jié)果如圖8 所示，黑色曲線為潮汐引起的重力變化，紅色曲線為修正重力值，同時注重小型化和工程化技術(shù)積累，研制了可搬運重力儀樣機，并已經(jīng)服務(wù)于重力計量。

圖8 長期穩(wěn)定性測量數(shù)據(jù)圖Fig.8 Long term stability measurement data graph

國內(nèi)外主要研究機構(gòu)冷原子重力儀技術(shù)指標進行了對比，如表1 所示。與國際最高水平相比，國內(nèi)存在的問題和差距如下：

表1 國內(nèi)外主要研究機構(gòu)的冷原子重力儀指標對比Tab.1 Comparison of indicators of cold atomic gravimeters from major research institutions

1）重要設(shè)備依賴進口，制約了基礎(chǔ)學科發(fā)展，還有受制于人的可能；

2）關(guān)鍵技術(shù)諸如基于單光源的重力探頭設(shè)計制作、全光纖器件光路集成技術(shù)等掌握不足，目前已有的小型化樣機與國外先進技術(shù)差距較大；

3）技術(shù)創(chuàng)新能力不足，雖然在具體技術(shù)應(yīng)用和重力測量精度上取得了較大進展，但在測量技術(shù)路線和測量方案上，相比國外缺乏大的創(chuàng)新。

國內(nèi)的冷原子重力測量技術(shù)研究相比于歐美主流發(fā)達國家起步較晚，面向?qū)嶋H應(yīng)用研究的發(fā)展也較為落后，目前工程化樣機離國際最高水平尚有較大差距，但是冷原子重力儀整體水平和技術(shù)指標已經(jīng)處于世界第一梯隊，需要在加強國產(chǎn)化設(shè)備應(yīng)用、加快關(guān)鍵技術(shù)突破、加速工程技術(shù)積累、加強方案創(chuàng)新等多方面發(fā)展，為實現(xiàn)國際最高水平的冷原子重力儀奠定基礎(chǔ)。

4.2 動態(tài)絕對重力儀現(xiàn)狀

4.2.1 車載絕對重力儀

Müller 小組［31］和林強小組［36］開展了車載冷原子重力測量試驗。Müller 小組的冷原子重力儀的靜態(tài)穩(wěn)定性為2 μGal 左右，車載實驗測量路線全長約7.6 km、高度變化約400 m。林強小組的車載平坦測量路線如圖9（a）所示，單次測線約2 km，內(nèi)符合精度約30 μGal，重力測量現(xiàn)場如圖9（b）所示。遺憾的是，Berkeley 和浙工大的車載重力測量實驗均采用間斷測量方式，并未給出移動測量時的性能指標。2021 年，林強小組將重力儀安裝在穩(wěn)定平臺上，模擬車載動態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)了動態(tài)重力測量［37］，分析了垂向振動對條紋對比度的影響，在最大牽引速度5.5 cm／s、最大振動幅度0.1 m／s2情況下，仍能恢復(fù)原子干涉條紋。

圖9 林強小組車載重力測量試驗圖Fig.9 Lin Qiang group's in vehicle gravity measurement experiment

4.2.2 船載絕對重力儀

2015 年，法國Bidel 小組率先使用六維位移臺模擬了海況，隨后在真實海上航行環(huán)境開展了絕對重力測量試驗，這是冷原子重力儀邁向?qū)嶋H工程應(yīng)用的里程碑突破［38］。其在實驗室條件的測量靈敏度為0.8 mGal／Hz1／2，主要受振動補償石英加速度計性能限制，測量分辨率可以達到60 μGal，利用玻璃真空腔豐富的光學通道、快速裝載技術(shù)等，使單次測量時間縮短到0.1 s。測繪船航速為8～11 海里／h，將冷原子重力儀與航海重力儀KSS-32M 進行對比，發(fā)現(xiàn)即使在惡劣的6 級海況條件下，二者的差異也小于1 mGal，試驗裝置如圖10 所示。2020 年，浙工大林強小組開展了船載系泊條件下的動態(tài)重力測量試驗［39］，整個系統(tǒng)安裝在集裝箱內(nèi)部，方便運輸、并提供適宜環(huán)境。將集裝箱吊裝到輪船上，船只處于系泊狀態(tài)，重力測量靈敏度為16.6 mGal／Hz1／2，2 周連續(xù)測量的重力值變化在0.5 mGal。2022 年，林強小組開展了海上航行條件下的動態(tài)絕對重力測量試驗［40］，最大航速為22.6 km／h，瞬時最大振動噪音接近0.2 m／s2，為了抑制惡劣環(huán)境對測量的影響，引入擴展卡爾曼濾波算法，使測量靈敏度相比于傳統(tǒng)方法獲得成倍提高。

圖10 法國的船載原子重力測量試驗圖Fig.10 Shipborne atomic gravity measurement experiment in France

4.2.3 機載絕對重力儀

2011 年，法國將冷原子加速度計裝載到Airbus飛機上，如圖11 所示，在標準重力和微重力兩種狀態(tài)進行了原子加速度測量試驗，是冷原子干涉儀首次在機載動態(tài)條件下開展研究的工作［26］，受限于機載強振動條件，原子加速度測量靈敏度為20 mGal／Hz1／2。2020 年，Bidel 小組在北大西洋冰島使用雙水獺飛機完成了國際上首次機載冷原子絕對重力測量試驗［41］，重力探頭高約半米，安裝在慣性穩(wěn)定平臺上，并安裝減震器以降低高頻振動、轉(zhuǎn)動。飛行速度為76 m／s 以減小振動和E?tv?s 誤差，通過多次重復(fù)測繪飛行，并與地面重力數(shù)據(jù)對比，內(nèi)符合精度為3.9 mGal，外符合精度為6.2 mGal。法國的機載動態(tài)測量試驗表明了其替代航空相對重力儀的潛力。機載絕對重力儀的實現(xiàn)難度很高，到目前，法國仍然是唯一掌握機載冷原子絕對重力測量技術(shù)的國家。

圖11 法國機載冷原子絕對重力測量試驗現(xiàn)場圖Fig.11 Airborne atomic interference measurement experiment in France

4.2.4 星載絕對重力儀的可能性

目前，常用的重力測量方法有地面固定基站、船載、機載以及星載等。其中衛(wèi)星重力探測是近年來發(fā)展起來的新型重力探測技術(shù)，其發(fā)展和應(yīng)用是大地測量領(lǐng)域繼全球定位系統(tǒng)發(fā)明后的巨大成功。NASA 和DLR 聯(lián)合研制的GRACE 地球重力衛(wèi)星的主要研究課題之一是檢測出全球海洋及其環(huán)流等伴隨質(zhì)量隨時間變化對重力場的影響，基于這種思想，地球上發(fā)生的任何質(zhì)量遷移所產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象，原則上都可以通過重力變化檢測出來，這對地球科學將帶來革命性影響［42］。

從技術(shù)發(fā)展趨勢上看，衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星（SST）星間測距系統(tǒng)是衛(wèi)星重力探測的主要方向。SST 根據(jù)衛(wèi)星的星間距離、距離變化速度和加速度，并使用高精度靜電加速度計排除非重力加速度，就可以解算出兩個衛(wèi)星所處位置重力勢的差而獲得重力圖。當前限制SST 重力衛(wèi)星的最重要因素是加速度計載荷的性能，靜電加速度計雖然有較高的短程靈敏度，并能適應(yīng)發(fā)射和太空環(huán)境，但它是一種相對測量方式，存在不可控的熱漂移和標度因子變化，限制了重力信號探測精度［43］。

冷原子重力儀已經(jīng)實現(xiàn)了地表和機載條件下的高精度重力測量，地面測量靈敏度已達到0.1 μGal／Hz1／2。當應(yīng)用于空間微重力環(huán)境，對應(yīng)測量靈敏度可提升100 倍以上。冷原子干涉儀是一種絕對測量方式，可以避免傳統(tǒng)加速度計的熱漂移和標度因子變化問題，是未來重力衛(wèi)星發(fā)展的重要方向。2019 年，德國Petro 小組探討了冷原子傳感器在GRACE 式重力衛(wèi)星上的應(yīng)用方案并對其性能進行仿真評估［44］，采用冷原子加速度計對靜電加速度計進行校準，具有不隨時間漂移的觀測穩(wěn)定性，對GRACE 和Bender 衛(wèi)星重力平臺情形進行了噪聲分析評估，結(jié)果表明，使用混合加速度計，可以大幅度降低重力的解算誤差。

4.2.5 發(fā)展分析

實時實地的進行動態(tài)重力測量對地球物理和慣性導(dǎo)航都有著重要意義，目前占主導(dǎo)地位的動態(tài)重力儀是相對重力儀，存在長期漂移，需要定期在靜態(tài)條件下使用絕對重力儀校準維護，并規(guī)劃復(fù)雜的交疊航路歸算系統(tǒng)漂移，以確保測量信號可信，這對測量效率和測量準確性造成嚴重限制。為解決上述問題，基于冷原子干涉原理的動態(tài)絕對重力測量技術(shù)逐漸發(fā)展起來。

冷原子動態(tài)重力測量的早期工作主要是可搬運靜態(tài)測量或者準動態(tài)測量，比如最早的車載試驗采用‘stop go’測量方式，即運輸時不測量，停車靜止后測量，或者使用極低的車速進行準動態(tài)測量［45］。對于航空或者海洋應(yīng)用［46］，機艙或船艙內(nèi)的振動噪聲可到（1～5）m／s2，其中機載環(huán)境下的位移和角度變化如圖12 所示，氣流、海浪等環(huán)境因素導(dǎo)致載體姿態(tài)變化高達5（°）／s，在惡劣海況下，海浪高度高達幾米，而載體的高度、姿態(tài)和運動狀態(tài)會造成顯著的E?tv?s 效應(yīng)，導(dǎo)致高達100 mGal 量級的重力測量偏差，此外，載體環(huán)境對電磁兼容性的要求更高，且溫濕度條件一般不能保證，比如冬季機載環(huán)境溫度可低至-20 ℃，海洋高濕度環(huán)境可能會對儀器造成腐蝕等，這些因素均對冷原子重力儀由實驗室環(huán)境邁向動態(tài)應(yīng)用造成極大障礙。

圖12 機載環(huán)境下位移和角度變化曲線圖Fig.12 Translations and rotations magnitude under airborne conditions

對載體動態(tài)環(huán)境下的振動噪聲處理是動態(tài)重力測量的難點和重點。在實驗室靜態(tài)條件，可采用主被動隔振技術(shù)抑制地面振動影響，但是都難以推廣到動態(tài)測量。對此，法國巴黎天文臺研究組提出了一種振動噪音修正技術(shù)，可以滿足動態(tài)環(huán)境使用需求，機載冷原子重力測量使用了此技術(shù)：首先對原子干涉信號測量結(jié)果進行分析，解算出條紋的偏振和幅度信息，后根據(jù)傳統(tǒng)加速度計粗測拉曼反射鏡的加速度，得到原子中心相位大??；最后根據(jù)加速度計測量結(jié)果的積分和傳函變換，對外界振動干擾相位進行修正，形成傳統(tǒng)加速度計和原子加速度相結(jié)合的“混合”測量，此時載體的運動加速度從復(fù)合測量結(jié)果中可以直接導(dǎo)出。

提升儀器的測量頻率也是實現(xiàn)動態(tài)絕對重力測量難點和重點，可以用冷原子重力儀與傳統(tǒng)加計結(jié)合的方式減少測量死區(qū)；通過優(yōu)化磁光阱參數(shù)等降低原子俘獲時間；設(shè)計合理的真空腔和線圈結(jié)構(gòu)，降低磁場關(guān)斷延遲的影響；使用豎直探測替代水平探測，降低探測時間等。此外，測量單次循環(huán)極限時間為2 倍自由演化時間，為了應(yīng)對載體振動和轉(zhuǎn)動對干涉條紋的影響，還需要在測量精度和單次測量時間兩個方面進行取舍。

目前已經(jīng)實現(xiàn)了亞毫伽精度的船載、機載冷原子絕對重力測量，已經(jīng)優(yōu)于常用的相對重力儀，但還未實現(xiàn)真正的車載冷原子絕對重力測量，這與人們認為車載環(huán)境更好、動態(tài)試驗驗證更容易的直覺相違背。已有的車載動態(tài)試驗僅在1 cm／s 的極低速度下取得了可用測量數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)文獻，車載、船載、機載條件下的振動大小分別在0.01 m／s2，0.1 m／s2，1 m／s2量級，機載振動環(huán)境最為惡劣，船載次之，所以振動噪音不是導(dǎo)致車載動態(tài)試驗難以實現(xiàn)的主因。航空工業(yè)計量所使用組合慣導(dǎo)系統(tǒng)測量了車載條件下的振動大小和姿態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)車載姿態(tài)變化頻率較高，而現(xiàn)有姿態(tài)穩(wěn)定平臺不容易滿足車載條件下姿態(tài)維持需求，根據(jù)文獻中的分析［47］，原子干涉儀感受到的角速度變化會導(dǎo)致物質(zhì)波干涉的退相干，使干涉條紋對比度降低，所以車載環(huán)境下的劇烈姿態(tài)變化可能是導(dǎo)致車載動態(tài)重力測量無法實現(xiàn)的主要因素，需要進一步探索。

4 結(jié)束語

在使用激光冷卻與陷俘技術(shù)實現(xiàn)冷原子后，先后有兩次諾貝爾物理學獎授予在冷原子物理研究領(lǐng)域，基于冷原子物理的基礎(chǔ)科學和應(yīng)用研究飛速發(fā)展，其中冷原子重力儀是最具代表意義的工作之一。冷原子重力儀是一種基于量子干涉原理的新型絕對重力儀，具有自校準和精度高的特性，相比于傳統(tǒng)激光干涉絕對重力儀具有測量速度快、無機械磨損等優(yōu)點，經(jīng)過30 余年的理論創(chuàng)新和技術(shù)積累，冷原子重力儀已經(jīng)從原理樣機研制邁入到實際工程應(yīng)用階段，測量方案、激光產(chǎn)生和操控、電子電路和自動化控制、真空制備和維護、姿態(tài)穩(wěn)定和控制等相關(guān)技術(shù)方法的成熟度逐漸提高，目前已經(jīng)開展了大量的可搬運測量試驗，參加了國際絕對重力比對，并在動平臺條件下實現(xiàn)了應(yīng)用。

冷原子重力儀是一種絕對重力測量裝置，基于冷原子干涉原理方案的靈活性，以及小型化真空技術(shù)、全光纖激光技術(shù)和嵌入式控制技術(shù)的發(fā)展，冷原子重力儀在測量精度、空間分辨力、環(huán)境適應(yīng)性、動態(tài)測量等方面的測量性能穩(wěn)步提升，有望成為下一代高精度絕對重力測量儀器，變革當前重力測量技術(shù)體系，在重力基準維護、地球物理研究、資源勘探、軍事偵查、無源慣性導(dǎo)航等多個領(lǐng)域，在研究實驗室、重力臺站、車載、船載、機載乃至星載等多個場景得到廣泛應(yīng)用。