精密测量院研制出精度优于1E的原子绝对重力梯度仪

　　近日，精密测量院詹明生研究员团队研制出集成化高精度原子绝对重力梯度仪。该重力梯度仪基于垂向层叠双原子干涉仪方案，探头体积仅为95升，测量精度达到0.86 E（1 E = 1X10^-9 /s² = 0.1 μGal/m），是目前国际上集成度最高的亚E水平的原子重力梯度仪。同时，团队完成了该梯度仪详尽的系统误差评估，使之成为国际上首台原子绝对重力梯度仪。相关研究成果近日发表在国际期刊《应用物理评论》（Phys. Rev. Applied）上。

　　重力精密测量技术在计量学、地质学、地球物理学等科研领域和资源勘探、自主导航等应用领域都具有非常广泛的应用，对国民经济发展乃至国家安全都具有非常重要的意义。与敏感于长波重力场的重力仪相比，重力梯度仪对短波重力场更加敏感，可以更加精细地分辨出周边环境的质量分布（见图一），同时重力梯度仪对震动（加速度）噪声具有很高的免疫性，这使得它更容易在恶劣的工作条件下实现较高的测绘精度。因此，重力测量领域一直期盼有可用的高精度重力梯度仪。

　　图一. 不同质量源所产生的典型重力梯度异常

　　原子干涉重力梯度测量技术是基于量子技术的全新的重力梯度测量技术，与经典旋转加速度计方案相比，它可实现更高的测量精度；而与精度相当的超导方案相比，它具有低功耗、工作在常温等优势，是一种极具应用潜力的高精度重力梯度测量技术。更重要的是，原子干涉重力梯度仪由两个原子干涉仪组成，而每一个原子干涉仪都可以作为独立的绝对重力仪，因此原子重力梯度仪在原理上具备成为零漂移绝对重力梯度仪的条件，可在仪器校准服务、垂线偏差改正、辅助导航等领域发挥重要作用。然而，一方面现有的原子重力梯度仪的物理单元体积过大，严重限制了其应用场景以及和惯性稳定平台的集成；另一方面，国际上对原子重力梯度仪绝对测量值的误差评估还处于比较粗糙的水平，限制了原子重力梯度仪作为绝对重力梯度仪的一系列重要应用。

　　在精密测量院研究员王谨和高级工程师仲嘉琪的带领下，该团队从“十二五”规划期间开始致力于原子重力梯度仪技术的研究，先后承担了高技术发展（863）计划、重点研发计划、自然科学基金、国家重大科技基础设施仪器研制等一系列国家重要任务。先后研制出多台原子重力梯度仪原理样机和工程样机，其中多种水平原子重力梯度仪处于国内外领先地位。

　　图二. 精测院竖直原子重力梯度仪及其物理单元结构

　　这次报道的竖直原子梯度仪如图二所示。团队发展了全玻璃材料真空腔体和铷源集成技术、模块化二维磁光阱技术，并采用独立双喷泉方案，实现了具有甚高集成度的原子重力梯度仪物理单元。单元高度为92 cm，体积仅为95升，这是目前国际上首个体积小于100升的原子重力梯度仪物理单元。通过控制探测噪声和磁场噪声及交替反转k波矢的方法有效实现了对仪器长期漂移的抑制，在积分17000 s的条件下实现了0.86 E的测量精度（如图三）。这是国际上目前在小型原子重力梯度仪中实现的最高测量精度，该单项指标仅次于法国巴黎天文台的大型原子重力梯度仪（高度1.8 m，体积430升，精度0.15 E）。

　　图三. 重力场调制实验结果及阿伦方差

　　团队进而通过拉曼边载比动态锁定、磁场调制、朝向调制、有限元分析等一系列实验和理论分析方法，对包括波前畸变、基线误差等10项误差进行了评估，并针对其中光频移、椭圆拟合等5项误差进行了改正，最终得到的B类不确定度为53 E。这是迄今针对原子重力梯度仪最为系统、全面的误差评估工作，这一工作开启了原子重力梯度仪作为绝对重力梯度仪的新篇章。

　　该研究成果近日以“Compact High-Resolution Absolute-Gravity Gradiometer Based on Atom Interferometers”为题发表于国际知名期刊《应用物理评论》上，并获得编辑推荐。推荐文表示，该文报道了一种具有超紧致传感头的高分辨原子重力梯度仪，开发了一系列详尽评估系统误差的技术，这项工作将对重力测量仪器的校准、惯性导航误差的校正和直接机载高精度测绘产生影响。精密测量院博士吕伟为论文第一作者，高级工程师仲嘉琪和研究员王谨、詹明生为论文共同通讯作者。

　　文章链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.054091