冷原子重力儀研究進(jìn)展綜述

白金海馬慧娟胡 棟王 宇

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)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(chǎng)的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)地的高精度測(cè)量具有重要意義和應(yīng)用［1-3］。在計(jì)量和基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，可用于建立質(zhì)量基準(zhǔn)、檢驗(yàn)后牛頓引力理論等；在地球物理領(lǐng)域，可用于地球動(dòng)力學(xué)和地震等；在地質(zhì)測(cè)繪領(lǐng)域，對(duì)重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)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(guó)防領(lǐng)域，可以用于導(dǎo)彈制導(dǎo)重力修正、無(wú)源慣性導(dǎo)航等。

重力儀可分為相對(duì)重力儀和絕對(duì)重力儀兩類。相對(duì)重力儀用于重力隨時(shí)間和空間變化的測(cè)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(cè)量精度可達(dá)1 μGal，但存在因彈性疲勞引起的零點(diǎn)漂移問(wèn)題［4］，CG5 型重力儀漂移在20 μGal／天，GT-2?？罩亓x漂移在1 mGal／月；超導(dǎo)重力儀的精度高達(dá)0.001 μGal［5］，漂移在0.5 μGal／月，因振動(dòng)會(huì)造成超導(dǎo)磁通跳躍，使其無(wú)法用于動(dòng)平臺(tái)環(huán)境。

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

與之對(duì)比，自上世紀(jì)90 年代發(fā)展起來(lái)的冷原子干涉絕對(duì)重力儀［7］，其不確定度與FG5-X 相當(dāng)，測(cè)量靈敏度更高［8］，具有測(cè)量速度快、可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)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(guò)參加重力比對(duì)，其測(cè)量性能得到驗(yàn)證；通過(guò)野外環(huán)境試驗(yàn)，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性性得以證實(shí)；通過(guò)船載、機(jī)載等動(dòng)平臺(tái)環(huán)境試驗(yàn)，其動(dòng)態(tài)測(cè)量能力得到證實(shí)。越來(lái)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(duì)重力儀，在重力基準(zhǔn)維護(hù)、地球物理、無(wú)源慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

對(duì)冷原子重力儀的原理和技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)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(jiǎn)述了冷原子重力儀的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。最后對(duì)冷原子重力儀的研究方向，特別是在動(dòng)態(tài)應(yīng)用場(chǎng)景下的要點(diǎn)進(jìn)行了分析和梳理。

2 冷原子重力儀的原理和優(yōu)勢(shì)

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(cè)量精度最高、技術(shù)最成熟的量子干涉重力測(cè)量方案。冷原子重力儀可以細(xì)分為噴泉上拋式和自由下落式兩種具體實(shí)施路徑，噴泉方案可以提升自由演化時(shí)間，同時(shí)原子運(yùn)動(dòng)路徑基本對(duì)稱，有利于抑制各項(xiàng)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(xué)研究；自由下落方案使原子在重力作用下釋放并進(jìn)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(shí)現(xiàn)1 μGal量級(jí)的重力測(cè)量精度，是目前應(yīng)用最為廣泛的測(cè)量方法。

測(cè)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(jìn)一步使原子冷卻，原子數(shù)在108量級(jí)，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(guò)程中，經(jīng)過(guò)原子的選態(tài)、干涉和探測(cè)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(guò)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(gè)拉曼子脈沖組成，使波函數(shù)發(fā)生分束、反射和合束，實(shí)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(duì)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(dá)式為：

具體實(shí)驗(yàn)上，可以通過(guò)改變?chǔ)琳{(diào)制干涉儀相位，掃描出整個(gè)干涉條紋，對(duì)條紋擬合就可以得到重力值。利用原子的量子干涉實(shí)現(xiàn)重力測(cè)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(diǎn)：

1）溯源性好。利用原子能級(jí)躍遷頻率與被測(cè)物理量對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行重力測(cè)量，具有自校準(zhǔn)、易復(fù)現(xiàn)等特性。操控激光始終與原子譜線鎖定，不會(huì)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(zhǎng)短，可以達(dá)到極高干涉測(cè)量精度，目前冷原子重力測(cè)量技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的分辨力最高可達(dá)10-12量級(jí)，遠(yuǎn)超現(xiàn)有重力最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)；

3）小型化潛力大。原子尺度微小，可實(shí)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(jí)原子干涉系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能；

4）具備動(dòng)態(tài)測(cè)量能力。近幾年來(lái)，冷原子絕對(duì)重力儀的動(dòng)平臺(tái)測(cè)量可行性得到驗(yàn)證，其在測(cè)量精度、準(zhǔn)確度以及動(dòng)態(tài)測(cè)量方面推進(jìn)重力測(cè)量技術(shù)的提升，將對(duì)傳統(tǒng)?？罩亓y(cè)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(shì)

冷原子重力儀是量子精密測(cè)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(hù)、磁場(chǎng)精密控制、精密電子電路等。冷原子重力測(cè)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(cè)均需在超高真空環(huán)境中進(jìn)行，對(duì)真空度和剩磁提出要求；原子制備操控均需要用激光實(shí)現(xiàn)，對(duì)激光的波長(zhǎng)、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(gè)子系統(tǒng)、儀器、外設(shè)的運(yùn)轉(zhuǎn)和通信，以期實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守測(cè)量；振動(dòng)抑制系統(tǒng)是核心部分，用來(lái)抑制外界環(huán)境振動(dòng)噪音對(duì)高精度重力測(cè)量的影響，是決定重力測(cè)量性能的關(guān)鍵；最后，為了修正系統(tǒng)誤差，保證測(cè)量準(zhǔn)確性，并監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，還需要用到氣壓計(jì)、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(cè)量在真空系統(tǒng)中實(shí)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(dá)到10-7Pa 甚至10-9Pa 的超高真空，以減小對(duì)原子壽命和拉曼光波前的影響。實(shí)驗(yàn)室冷原子重力儀的代表是斯坦福大學(xué)［13］和中科院數(shù)物所［14］的10 m噴泉冷原子測(cè)量裝置，斯坦福大學(xué)研制的裝置如圖3 所示，最大自由演化時(shí)間達(dá)秒量級(jí)，慣性物理量測(cè)量精度得到數(shù)量級(jí)的提升。

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

之后，為滿足可搬運(yùn)測(cè)量需求，各個(gè)研究小組開展集成化真空系統(tǒng)研究，里程碑工作有兩個(gè)：第一個(gè)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(shí)激光功率要求最高的冷卻激光可以由同一個(gè)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(jiǎn)化。

第二個(gè)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(guò)巧妙設(shè)計(jì)使激光偏振自動(dòng)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(tái)240 mW 的DBR 激光器提供了全部激光，對(duì)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(jìn)真空腔中，構(gòu)成“單激光束”冷原子重力儀［18］，Landragin 小組實(shí)現(xiàn)了6 μGal 的重力測(cè)量分辨率，受限于環(huán)境振動(dòng)。

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(zhǎng)。針對(duì)此，美國(guó)斯坦福大學(xué)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(jī)加工，使周期顯著縮短，具有重要實(shí)用價(jià)值。斯坦福大學(xué)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(shí)現(xiàn)的，真空度達(dá)到10-7Pa，加工周期短至1 個(gè)月，相比于傳統(tǒng)真空腔技術(shù)，還具有無(wú)渦流、光學(xué)通道豐富、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 激光系統(tǒng)

利用冷原子的量子干涉實(shí)現(xiàn)重力測(cè)量，對(duì)激光性能要求極高，比如激光功率波動(dòng)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(jì)和高超手段配合實(shí)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(tái)激光器和放大器實(shí)現(xiàn)，利用空間光分束合束、平臺(tái)耦合等方式完成功率分配、開關(guān)控制和頻率調(diào)諧，整個(gè)系統(tǒng)平鋪在10 m2大小、一兩噸重的光學(xué)平臺(tái)上，基本上沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的能力。

激光系統(tǒng)的第一個(gè)突破是從平臺(tái)光路升級(jí)到小型化“平板式”光路，整個(gè)光路被集成在一個(gè)可搬運(yùn)光學(xué)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(shí)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(xué)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(cè)量裝置的平板式激光系統(tǒng)如圖5 所示［20，21］，整個(gè)激光光路安裝在0.4 m2的光學(xué)平板上，光電控制機(jī)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(biāo)得以有效提升，但是沒(méi)有脫離傳統(tǒng)光路的范疇，仍存在易受外界振動(dòng)和溫漂等因素影響導(dǎo)致無(wú)法長(zhǎng)期測(cè)量問(wèn)題，需要定期維護(hù)，不利于冷原子重力儀的實(shí)際應(yīng)用。

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

第二個(gè)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且其波長(zhǎng)反饋模型單一，利于自動(dòng)化鎖頻技術(shù)的應(yīng)用，有助于無(wú)人值守重力測(cè)量的實(shí)現(xiàn)；種子光經(jīng)過(guò)多級(jí)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(tái)激光器即可滿足整個(gè)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(shí)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(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。

4 冷原子重力儀的研究現(xiàn)狀

4.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

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

國(guó)際上眾多研究機(jī)構(gòu)也積極開展冷原子重力測(cè)量技術(shù)研究，包括德國(guó)洪堡大學(xué)、法國(guó)LNESYRTE、法國(guó)宇航局、美國(guó)Berkeley 等。

作為BNM 瓦特天平計(jì)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(jìn)行絕對(duì)重力測(cè)量［29］。2009 年，第八屆國(guó)際絕對(duì)重力關(guān)鍵比對(duì)中，LNE-SYRTE 的CAG-1是第一個(gè)參加重力國(guó)際對(duì)比的冷原子重力儀，開啟了冷原子重力計(jì)量領(lǐng)域的先河。德國(guó)洪堡大學(xué)研制的GAIN，控制系統(tǒng)集成在19 英寸機(jī)柜中［30］，可以裝載在小型卡車上，運(yùn)輸?shù)讲煌臏y(cè)量位，實(shí)現(xiàn)可搬運(yùn)測(cè)量。美國(guó)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(shí)研制了小型化光路，僅使用一臺(tái)激光器就提供全部激光。

2004 年，美國(guó)斯坦福大學(xué)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(guó)際上第一臺(tái)商業(yè)冷原子重力儀，因AOSense 主要服務(wù)于美國(guó)軍方，其儀器指標(biāo)不公開。法國(guó)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(jì)，并使用補(bǔ)償隔振技術(shù)抑制環(huán)境振動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)現(xiàn)了50 μGal／Hz1／2的重力測(cè)量靈敏度，測(cè)量穩(wěn)定性達(dá)到微伽量級(jí)，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(cè)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(gè)用于監(jiān)測(cè)和研究火山的應(yīng)用，進(jìn)行了為期四個(gè)月的連續(xù)測(cè)量。

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

國(guó)內(nèi)冷原子重力儀主要研究機(jī)構(gòu)有華中科技大學(xué)、中國(guó)計(jì)量院、浙江工業(yè)大學(xué)、中科院武漢數(shù)物所、國(guó)防科技大學(xué)、船舶集團(tuán)717 所、北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)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(cè)量靈敏度達(dá)到4.2 μGal／Hz1／2，測(cè)量不確定度達(dá)到3 μGal。計(jì)量院重力基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的NIM-AGRb-1［9，32］，采用原子下落方案，測(cè)量靈敏度達(dá)到44 μGal／Hz1／2，測(cè)量不確定度達(dá)到5.2 μGal。浙工大更注重工程化應(yīng)用和動(dòng)態(tài)測(cè)量領(lǐng)域［33］，是國(guó)內(nèi)首次開展船載動(dòng)態(tài)重力儀驗(yàn)證試驗(yàn)的單位，該小組的原子重力儀先后多次進(jìn)行搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，測(cè)量不確定度達(dá)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(xué)系統(tǒng)集成度較高，重力測(cè)量不確定度達(dá)到7.6 μGal。國(guó)防科大采用原子噴泉方案搭建樣機(jī)［35］，測(cè)量靈敏度達(dá)到51 μGal／Hz1／2，其在自動(dòng)鎖頻和拉曼光強(qiáng)比控制等方面開展了實(shí)驗(yàn)研究。船舶集團(tuán)717 所采用自由下落方案，使用補(bǔ)償隔振技術(shù)抑制振動(dòng)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(shì)。航空工業(yè)計(jì)量所研制了CIMM-G1 噴泉式冷原子重力儀樣機(jī)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)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(shí)注重小型化和工程化技術(shù)積累，研制了可搬運(yùn)重力儀樣機(jī)，并已經(jīng)服務(wù)于重力計(jì)量。

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

國(guó)內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)冷原子重力儀技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，如表1 所示。與國(guó)際最高水平相比，國(guó)內(nèi)存在的問(wèn)題和差距如下：

表1 國(guó)內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)的冷原子重力儀指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of indicators of cold atomic gravimeters from major research institutions

1）重要設(shè)備依賴進(jìn)口，制約了基礎(chǔ)學(xué)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(jì)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(jī)與國(guó)外先進(jìn)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(cè)量精度上取得了較大進(jìn)展，但在測(cè)量技術(shù)路線和測(cè)量方案上，相比國(guó)外缺乏大的創(chuàng)新。

國(guó)內(nèi)的冷原子重力測(cè)量技術(shù)研究相比于歐美主流發(fā)達(dá)國(guó)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(jī)離國(guó)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(biāo)已經(jīng)處于世界第一梯隊(duì)，需要在加強(qiáng)國(guó)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(qiáng)方案創(chuàng)新等多方面發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)國(guó)際最高水平的冷原子重力儀奠定基礎(chǔ)。

4.2 動(dòng)態(tài)絕對(duì)重力儀現(xiàn)狀

4.2.1 車載絕對(duì)重力儀

Müller 小組［31］和林強(qiáng)小組［36］開展了車載冷原子重力測(cè)量試驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)測(cè)量路線全長(zhǎng)約7.6 km、高度變化約400 m。林強(qiáng)小組的車載平坦測(cè)量路線如圖9（a）所示，單次測(cè)線約2 km，內(nèi)符合精度約30 μGal，重力測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)如圖9（b）所示。遺憾的是，Berkeley 和浙工大的車載重力測(cè)量實(shí)驗(yàn)均采用間斷測(cè)量方式，并未給出移動(dòng)測(cè)量時(shí)的性能指標(biāo)。2021 年，林強(qiáng)小組將重力儀安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上，模擬車載動(dòng)態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)重力測(cè)量［37］，分析了垂向振動(dòng)對(duì)條紋對(duì)比度的影響，在最大牽引速度5.5 cm／s、最大振動(dòng)幅度0.1 m／s2情況下，仍能恢復(fù)原子干涉條紋。

圖9 林強(qiáng)小組車載重力測(cè)量試驗(yàn)圖Fig.9 Lin Qiang group's in vehicle gravity measurement experiment

4.2.2 船載絕對(duì)重力儀

2015 年，法國(guó)Bidel 小組率先使用六維位移臺(tái)模擬了海況，隨后在真實(shí)海上航行環(huán)境開展了絕對(duì)重力測(cè)量試驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)室條件的測(cè)量靈敏度為0.8 mGal／Hz1／2，主要受振動(dòng)補(bǔ)償石英加速度計(jì)性能限制，測(cè)量分辨率可以達(dá)到60 μGal，利用玻璃真空腔豐富的光學(xué)通道、快速裝載技術(shù)等，使單次測(cè)量時(shí)間縮短到0.1 s。測(cè)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(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)即使在惡劣的6 級(jí)海況條件下，二者的差異也小于1 mGal，試驗(yàn)裝置如圖10 所示。2020 年，浙工大林強(qiáng)小組開展了船載系泊條件下的動(dòng)態(tài)重力測(cè)量試驗(yàn)［39］，整個(gè)系統(tǒng)安裝在集裝箱內(nèi)部，方便運(yùn)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(cè)量靈敏度為16.6 mGal／Hz1／2，2 周連續(xù)測(cè)量的重力值變化在0.5 mGal。2022 年，林強(qiáng)小組開展了海上航行條件下的動(dòng)態(tài)絕對(duì)重力測(cè)量試驗(yàn)［40］，最大航速為22.6 km／h，瞬時(shí)最大振動(dòng)噪音接近0.2 m／s2，為了抑制惡劣環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響，引入擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，使測(cè)量靈敏度相比于傳統(tǒng)方法獲得成倍提高。

圖10 法國(guó)的船載原子重力測(cè)量試驗(yàn)圖Fig.10 Shipborne atomic gravity measurement experiment in France

4.2.3 機(jī)載絕對(duì)重力儀

2011 年，法國(guó)將冷原子加速度計(jì)裝載到Airbus飛機(jī)上，如圖11 所示，在標(biāo)準(zhǔn)重力和微重力兩種狀態(tài)進(jìn)行了原子加速度測(cè)量試驗(yàn)，是冷原子干涉儀首次在機(jī)載動(dòng)態(tài)條件下開展研究的工作［26］，受限于機(jī)載強(qiáng)振動(dòng)條件，原子加速度測(cè)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(jī)完成了國(guó)際上首次機(jī)載冷原子絕對(duì)重力測(cè)量試驗(yàn)［41］，重力探頭高約半米，安裝在慣性穩(wěn)定平臺(tái)上，并安裝減震器以降低高頻振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)。飛行速度為76 m／s 以減小振動(dòng)和E?tv?s 誤差，通過(guò)多次重復(fù)測(cè)繪飛行，并與地面重力數(shù)據(jù)對(duì)比，內(nèi)符合精度為3.9 mGal，外符合精度為6.2 mGal。法國(guó)的機(jī)載動(dòng)態(tài)測(cè)量試驗(yàn)表明了其替代航空相對(duì)重力儀的潛力。機(jī)載絕對(duì)重力儀的實(shí)現(xiàn)難度很高，到目前，法國(guó)仍然是唯一掌握機(jī)載冷原子絕對(duì)重力測(cè)量技術(shù)的國(guó)家。

圖11 法國(guó)機(jī)載冷原子絕對(duì)重力測(cè)量試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.11 Airborne atomic interference measurement experiment in France

4.2.4 星載絕對(duì)重力儀的可能性

目前，常用的重力測(cè)量方法有地面固定基站、船載、機(jī)載以及星載等。其中衛(wèi)星重力探測(cè)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型重力探測(cè)技術(shù)，其發(fā)展和應(yīng)用是大地測(cè)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(cè)出全球海洋及其環(huán)流等伴隨質(zhì)量隨時(shí)間變化對(duì)重力場(chǎng)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(guò)重力變化檢測(cè)出來(lái)，這對(duì)地球科學(xué)將帶來(lái)革命性影響［42］。

從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)上看，衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星（SST）星間測(cè)距系統(tǒng)是衛(wèi)星重力探測(cè)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(jì)排除非重力加速度，就可以解算出兩個(gè)衛(wèi)星所處位置重力勢(shì)的差而獲得重力圖。當(dāng)前限制SST 重力衛(wèi)星的最重要因素是加速度計(jì)載荷的性能，靜電加速度計(jì)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(duì)測(cè)量方式，存在不可控的熱漂移和標(biāo)度因子變化，限制了重力信號(hào)探測(cè)精度［43］。

冷原子重力儀已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了地表和機(jī)載條件下的高精度重力測(cè)量，地面測(cè)量靈敏度已達(dá)到0.1 μGal／Hz1／2。當(dāng)應(yīng)用于空間微重力環(huán)境，對(duì)應(yīng)測(cè)量靈敏度可提升100 倍以上。冷原子干涉儀是一種絕對(duì)測(cè)量方式，可以避免傳統(tǒng)加速度計(jì)的熱漂移和標(biāo)度因子變化問(wèn)題，是未來(lái)重力衛(wèi)星發(fā)展的重要方向。2019 年，德國(guó)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(duì)其性能進(jìn)行仿真評(píng)估［44］，采用冷原子加速度計(jì)對(duì)靜電加速度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，具有不隨時(shí)間漂移的觀測(cè)穩(wěn)定性，對(duì)GRACE 和Bender 衛(wèi)星重力平臺(tái)情形進(jìn)行了噪聲分析評(píng)估，結(jié)果表明，使用混合加速度計(jì)，可以大幅度降低重力的解算誤差。

4.2.5 發(fā)展分析

實(shí)時(shí)實(shí)地的進(jìn)行動(dòng)態(tài)重力測(cè)量對(duì)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(dòng)態(tài)重力儀是相對(duì)重力儀，存在長(zhǎng)期漂移，需要定期在靜態(tài)條件下使用絕對(duì)重力儀校準(zhǔn)維護(hù)，并規(guī)劃復(fù)雜的交疊航路歸算系統(tǒng)漂移，以確保測(cè)量信號(hào)可信，這對(duì)測(cè)量效率和測(cè)量準(zhǔn)確性造成嚴(yán)重限制。為解決上述問(wèn)題，基于冷原子干涉原理的動(dòng)態(tài)絕對(duì)重力測(cè)量技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)。

冷原子動(dòng)態(tài)重力測(cè)量的早期工作主要是可搬運(yùn)靜態(tài)測(cè)量或者準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，比如最早的車載試驗(yàn)采用‘stop go’測(cè)量方式，即運(yùn)輸時(shí)不測(cè)量，停車靜止后測(cè)量，或者使用極低的車速進(jìn)行準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量［45］。對(duì)于航空或者海洋應(yīng)用［46］，機(jī)艙或船艙內(nèi)的振動(dòng)噪聲可到（1～5）m／s2，其中機(jī)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(dá)5（°）／s，在惡劣海況下，海浪高度高達(dá)幾米，而載體的高度、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)造成顯著的E?tv?s 效應(yīng)，導(dǎo)致高達(dá)100 mGal 量級(jí)的重力測(cè)量偏差，此外，載體環(huán)境對(duì)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(jī)載環(huán)境溫度可低至-20 ℃，海洋高濕度環(huán)境可能會(huì)對(duì)儀器造成腐蝕等，這些因素均對(duì)冷原子重力儀由實(shí)驗(yàn)室環(huán)境邁向動(dòng)態(tài)應(yīng)用造成極大障礙。

圖12 機(jī)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(duì)載體動(dòng)態(tài)環(huán)境下的振動(dòng)噪聲處理是動(dòng)態(tài)重力測(cè)量的難點(diǎn)和重點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)條件，可采用主被動(dòng)隔振技術(shù)抑制地面振動(dòng)影響，但是都難以推廣到動(dòng)態(tài)測(cè)量。對(duì)此，法國(guó)巴黎天文臺(tái)研究組提出了一種振動(dòng)噪音修正技術(shù)，可以滿足動(dòng)態(tài)環(huán)境使用需求，機(jī)載冷原子重力測(cè)量使用了此技術(shù)：首先對(duì)原子干涉信號(hào)測(cè)量結(jié)果進(jìn)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(jì)粗測(cè)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(jì)測(cè)量結(jié)果的積分和傳函變換，對(duì)外界振動(dòng)干擾相位進(jìn)行修正，形成傳統(tǒng)加速度計(jì)和原子加速度相結(jié)合的“混合”測(cè)量，此時(shí)載體的運(yùn)動(dòng)加速度從復(fù)合測(cè)量結(jié)果中可以直接導(dǎo)出。

提升儀器的測(cè)量頻率也是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)絕對(duì)重力測(cè)量難點(diǎn)和重點(diǎn)，可以用冷原子重力儀與傳統(tǒng)加計(jì)結(jié)合的方式減少測(cè)量死區(qū)；通過(guò)優(yōu)化磁光阱參數(shù)等降低原子俘獲時(shí)間；設(shè)計(jì)合理的真空腔和線圈結(jié)構(gòu)，降低磁場(chǎng)關(guān)斷延遲的影響；使用豎直探測(cè)替代水平探測(cè)，降低探測(cè)時(shí)間等。此外，測(cè)量單次循環(huán)極限時(shí)間為2 倍自由演化時(shí)間，為了應(yīng)對(duì)載體振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)干涉條紋的影響，還需要在測(cè)量精度和單次測(cè)量時(shí)間兩個(gè)方面進(jìn)行取舍。

目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了亞毫伽精度的船載、機(jī)載冷原子絕對(duì)重力測(cè)量，已經(jīng)優(yōu)于常用的相對(duì)重力儀，但還未實(shí)現(xiàn)真正的車載冷原子絕對(duì)重力測(cè)量，這與人們認(rèn)為車載環(huán)境更好、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證更容易的直覺(jué)相違背。已有的車載動(dòng)態(tài)試驗(yàn)僅在1 cm／s 的極低速度下取得了可用測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，車載、船載、機(jī)載條件下的振動(dòng)大小分別在0.01 m／s2，0.1 m／s2，1 m／s2量級(jí)，機(jī)載振動(dòng)環(huán)境最為惡劣，船載次之，所以振動(dòng)噪音不是導(dǎo)致車載動(dòng)態(tài)試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的主因。航空工業(yè)計(jì)量所使用組合慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量了車載條件下的振動(dòng)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(tái)不容易滿足車載條件下姿態(tài)維持需求，根據(jù)文獻(xiàn)中的分析［47］，原子干涉儀感受到的角速度變化會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)波干涉的退相干，使干涉條紋對(duì)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(dòng)態(tài)重力測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)的主要因素，需要進(jìn)一步探索。

4 結(jié)束語(yǔ)

在使用激光冷卻與陷俘技術(shù)實(shí)現(xiàn)冷原子后，先后有兩次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(xué)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(duì)重力儀，具有自校準(zhǔn)和精度高的特性，相比于傳統(tǒng)激光干涉絕對(duì)重力儀具有測(cè)量速度快、無(wú)機(jī)械磨損等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)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(jī)研制邁入到實(shí)際工程應(yīng)用階段，測(cè)量方案、激光產(chǎn)生和操控、電子電路和自動(dòng)化控制、真空制備和維護(hù)、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(yùn)測(cè)量試驗(yàn)，參加了國(guó)際絕對(duì)重力比對(duì)，并在動(dòng)平臺(tái)條件下實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。

冷原子重力儀是一種絕對(duì)重力測(cè)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(cè)量精度、空間分辨力、環(huán)境適應(yīng)性、動(dòng)態(tài)測(cè)量等方面的測(cè)量性能穩(wěn)步提升，有望成為下一代高精度絕對(duì)重力測(cè)量?jī)x器，變革當(dāng)前重力測(cè)量技術(shù)體系，在重力基準(zhǔn)維護(hù)、地球物理研究、資源勘探、軍事偵查、無(wú)源慣性導(dǎo)航等多個(gè)領(lǐng)域，在研究實(shí)驗(yàn)室、重力臺(tái)站、車載、船載、機(jī)載乃至星載等多個(gè)場(chǎng)景得到廣泛應(yīng)用。