近日，精密測(cè)量院詹明生研究員團(tuán)隊(duì)研制出集成化高精度原子絕對(duì)重力梯度儀。該重力梯度儀基于垂向?qū)盈B雙原子干涉儀方案，探頭體積僅為95升，測(cè)量精度達(dá)到0.86 E（1 E = 1X10^-9 /s² = 0.1 μGal/m），是目前國(guó)際上集成度最高的亞E水平的原子重力梯度儀。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)完成了該梯度儀詳盡的系統(tǒng)誤差評(píng)估，使之成為國(guó)際上首臺(tái)原子絕對(duì)重力梯度儀。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在國(guó)際期刊《應(yīng)用物理評(píng)論》（Phys. Rev. Applied）上。

　　重力精密測(cè)量技術(shù)在計(jì)量學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)等科研領(lǐng)域和資源勘探、自主導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域都具有非常廣泛的應(yīng)用，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展乃至國(guó)家安全都具有非常重要的意義。與敏感于長(zhǎng)波重力場(chǎng)的重力儀相比，重力梯度儀對(duì)短波重力場(chǎng)更加敏感，可以更加精細(xì)地分辨出周邊環(huán)境的質(zhì)量分布（見圖一），同時(shí)重力梯度儀對(duì)震動(dòng)（加速度）噪聲具有很高的免疫性，這使得它更容易在惡劣的工作條件下實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)繪精度。因此，重力測(cè)量領(lǐng)域一直期盼有可用的高精度重力梯度儀。

　　圖一. 不同質(zhì)量源所產(chǎn)生的典型重力梯度異常

　　原子干涉重力梯度測(cè)量技術(shù)是基于量子技術(shù)的全新的重力梯度測(cè)量技術(shù)，與經(jīng)典旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)方案相比，它可實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度；而與精度相當(dāng)?shù)某瑢?dǎo)方案相比，它具有低功耗、工作在常溫等優(yōu)勢(shì)，是一種極具應(yīng)用潛力的高精度重力梯度測(cè)量技術(shù)。更重要的是，原子干涉重力梯度儀由兩個(gè)原子干涉儀組成，而每一個(gè)原子干涉儀都可以作為獨(dú)立的絕對(duì)重力儀，因此原子重力梯度儀在原理上具備成為零漂移絕對(duì)重力梯度儀的條件，可在儀器校準(zhǔn)服務(wù)、垂線偏差改正、輔助導(dǎo)航等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。然而，一方面現(xiàn)有的原子重力梯度儀的物理單元體積過大，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用場(chǎng)景以及和慣性穩(wěn)定平臺(tái)的集成；另一方面，國(guó)際上對(duì)原子重力梯度儀絕對(duì)測(cè)量值的誤差評(píng)估還處于比較粗糙的水平，限制了原子重力梯度儀作為絕對(duì)重力梯度儀的一系列重要應(yīng)用。

　　在精密測(cè)量院研究員王謹(jǐn)和高級(jí)工程師仲嘉琪的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊(duì)從“十二五”規(guī)劃期間開始致力于原子重力梯度儀技術(shù)的研究，先后承擔(dān)了高技術(shù)發(fā)展（863）計(jì)劃、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然科學(xué)基金、國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施儀器研制等一系列國(guó)家重要任務(wù)。先后研制出多臺(tái)原子重力梯度儀原理樣機(jī)和工程樣機(jī)，其中多種水平原子重力梯度儀處于國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先地位。

　　圖二. 精測(cè)院豎直原子重力梯度儀及其物理單元結(jié)構(gòu)

　　這次報(bào)道的豎直原子梯度儀如圖二所示。團(tuán)隊(duì)發(fā)展了全玻璃材料真空腔體和銣源集成技術(shù)、模塊化二維磁光阱技術(shù)，并采用獨(dú)立雙噴泉方案，實(shí)現(xiàn)了具有甚高集成度的原子重力梯度儀物理單元。單元高度為92 cm，體積僅為95升，這是目前國(guó)際上首個(gè)體積小于100升的原子重力梯度儀物理單元。通過控制探測(cè)噪聲和磁場(chǎng)噪聲及交替反轉(zhuǎn)k波矢的方法有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)儀器長(zhǎng)期漂移的抑制，在積分17000 s的條件下實(shí)現(xiàn)了0.86 E的測(cè)量精度（如圖三）。這是國(guó)際上目前在小型原子重力梯度儀中實(shí)現(xiàn)的最高測(cè)量精度，該單項(xiàng)指標(biāo)僅次于法國(guó)巴黎天文臺(tái)的大型原子重力梯度儀（高度1.8 m，體積430升，精度0.15 E）。

　　圖三. 重力場(chǎng)調(diào)制實(shí)驗(yàn)結(jié)果及阿倫方差

　　團(tuán)隊(duì)進(jìn)而通過拉曼邊載比動(dòng)態(tài)鎖定、磁場(chǎng)調(diào)制、朝向調(diào)制、有限元分析等一系列實(shí)驗(yàn)和理論分析方法，對(duì)包括波前畸變、基線誤差等10項(xiàng)誤差進(jìn)行了評(píng)估，并針對(duì)其中光頻移、橢圓擬合等5項(xiàng)誤差進(jìn)行了改正，最終得到的B類不確定度為53 E。這是迄今針對(duì)原子重力梯度儀最為系統(tǒng)、全面的誤差評(píng)估工作，這一工作開啟了原子重力梯度儀作為絕對(duì)重力梯度儀的新篇章。

　　該研究成果近日以“Compact High-Resolution Absolute-Gravity Gradiometer Based on Atom Interferometers”為題發(fā)表于國(guó)際知名期刊《應(yīng)用物理評(píng)論》上，并獲得編輯推薦。推薦文表示，該文報(bào)道了一種具有超緊致傳感頭的高分辨原子重力梯度儀，開發(fā)了一系列詳盡評(píng)估系統(tǒng)誤差的技術(shù)，這項(xiàng)工作將對(duì)重力測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)、慣性導(dǎo)航誤差的校正和直接機(jī)載高精度測(cè)繪產(chǎn)生影響。精密測(cè)量院博士呂偉為論文第一作者，高級(jí)工程師仲嘉琪和研究員王謹(jǐn)、詹明生為論文共同通訊作者。

　　文章鏈接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.054091