量子重力梯度儀研究進(jìn)展

楊公鼎，翁堪興，吳 彬，程 冰，林 強(qiáng)

(1.浙江省量子精密測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310023；2.浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系，杭州 310023)

0 引言

地球重力場(chǎng)是由地球系統(tǒng)物質(zhì)屬性產(chǎn)生的一個(gè)基本物理場(chǎng)，其分布由地球內(nèi)部物質(zhì)密度決定[1]。地球重力加速度和重力梯度都會(huì)隨空間位置變化而變化。重力梯度是重力加速度隨空間的變化率，其測(cè)量值還會(huì)受到地球自轉(zhuǎn)、潮汐以及空氣阻力等因素的影響[2]。高精密重力梯度測(cè)量對(duì)資源勘探[3- 4]、地球科學(xué)研究[5-7]以及國(guó)防建設(shè)[8]等具有重要意義。在資源勘探方面：當(dāng)前我國(guó)處于對(duì)能源和礦產(chǎn)資源需求高速增長(zhǎng)的階段，通過(guò)分析重力梯度信息可以有效地計(jì)算出礦產(chǎn)分布，提高勘探效率[9-12]；在地球科學(xué)研究方面：重力梯度信息可應(yīng)用于地球內(nèi)部構(gòu)造和板塊運(yùn)動(dòng)、地殼形變、地震預(yù)報(bào)等研究領(lǐng)域[13]；在國(guó)防建設(shè)方面：重力梯度信息是非常重要的基礎(chǔ)資料，在現(xiàn)代化的武器裝備中，無(wú)論是洲際導(dǎo)彈還是中短程導(dǎo)彈，重力梯度參數(shù)都對(duì)保證目標(biāo)命中精度具有決定性的作用。高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要依賴于重力場(chǎng)模型和補(bǔ)償精度[2]，使用重力梯度儀和慣性導(dǎo)航相結(jié)合的方式是一種理想的解決方案，基于重力梯度儀實(shí)時(shí)測(cè)量重力梯度，為慣導(dǎo)系統(tǒng)提供重力補(bǔ)償信息[14-15]，從而消除垂線偏差所產(chǎn)生的水平速度誤差和姿態(tài)誤差，以滿足載體高精度長(zhǎng)航時(shí)導(dǎo)航的需求。

量子重力梯度儀是近30年快速發(fā)展起來(lái)的一種量子精密測(cè)量?jī)x器[16]。量子重力梯度儀主要可分為單磁光阱多次拉曼光脈沖[17]、單磁光阱多次上拋原子團(tuán)[18]、雙磁光阱組合梯度儀[19]三種技術(shù)方案。量子重力梯度儀可以測(cè)量絕對(duì)重力梯度，理論上不存在漂移，是進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)高精度慣性導(dǎo)航以及重力匹配輔助導(dǎo)航的最優(yōu)可選技術(shù)方式。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)已經(jīng)立項(xiàng)支持便攜式重力梯度儀方案。在2015年文獻(xiàn)中公布的研究成果顯示[20]：重力梯度測(cè)量精度可達(dá)1.2E。近期的研究結(jié)果也表明量子重力梯度儀具有極大潛力。

本文對(duì)傳統(tǒng)和量子重力梯度儀的基本原理和國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展情況進(jìn)行了綜述，并結(jié)合本課題組的研究，對(duì)新型的量子重力梯度儀樣機(jī)進(jìn)行了描述。

1 傳統(tǒng)重力梯度儀

自世界上第一臺(tái)扭秤式重力梯度儀問(wèn)世以來(lái)，重力梯度儀經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的快速發(fā)展，逐漸從扭力測(cè)量、旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)測(cè)量、靜電懸浮測(cè)量、超導(dǎo)測(cè)量、自由落體測(cè)量發(fā)展為量子技術(shù)測(cè)量。重力梯度儀是重力精密測(cè)量領(lǐng)域的一種非常有效的手段，在基礎(chǔ)物理研究[21-23]和工程應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。不同的重力梯度測(cè)量精度決定了其不同的應(yīng)用領(lǐng)域，圖1所示為不同精度重力梯度儀的應(yīng)用場(chǎng)景[24]。

圖1 重力梯度儀的應(yīng)用[24]Fig.1 Applications of gravity gradiometers

1.1 扭秤式重力梯度儀

19世紀(jì)90年代初，匈牙利物理學(xué)家和工程師厄特沃什·羅蘭(Loránd E?tv?s, 1848—1919)研制出了扭秤式重力梯度儀，自此開(kāi)創(chuàng)了重力梯度測(cè)量的先河。同時(shí)，為了紀(jì)念厄特沃什在重力梯度測(cè)量工作上的偉大貢獻(xiàn)，通常使用E或者Eo(1E=10-9/s2)作為重力梯度測(cè)量的常用單位。

扭秤式重力梯度儀(見(jiàn)圖2)由2個(gè)質(zhì)量相同高度不同的質(zhì)量塊(稱為檢驗(yàn)質(zhì)量)組成，這2個(gè)質(zhì)量塊由細(xì)絲懸掛在水平橫梁上。如果作用在質(zhì)量塊上的重力不相同，2個(gè)質(zhì)量塊感受到的重力差會(huì)在橫梁上施加扭矩，從而引起橫梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后通過(guò)單獨(dú)的刻度尺和望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行讀數(shù)[25]，可以高精度測(cè)量重力梯度。

(a) 示意圖[26-27]

(b) 實(shí)物圖圖2 扭秤式重力梯度儀Fig.2 Torsional gravity gradiometers

扭秤式重力梯度儀的測(cè)量精度可達(dá)1E，但其測(cè)量操作非常繁瑣，一個(gè)測(cè)量點(diǎn)往往需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)，而且每次測(cè)量至少需要在不同的方向上測(cè)出5個(gè)獨(dú)立的偏轉(zhuǎn)角才能計(jì)算重力梯度分量，使得整個(gè)測(cè)量周期會(huì)非常長(zhǎng)。

1.2 旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)式重力梯度儀

1982年，美國(guó)Bell Aerospace公司研制出了旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)式重力梯度儀，并實(shí)現(xiàn)了全張量重力梯度(Full-Tensor Gravity Gradients, FTG)測(cè)量。其基本結(jié)構(gòu)是由電子匹配的加速度計(jì)對(duì)組成，利用差分信號(hào)輸出，得出重力梯度信息。FTG系統(tǒng)在20世紀(jì)90年代末被公開(kāi)，并允許用于特定區(qū)域的航空重力測(cè)量[25]。澳大利亞必和必拓公司(BHP Billi-ton)和美國(guó)洛克希德·馬丁公司(Lockheed Mar-tin)合作研制了含有8個(gè)加速度計(jì)的FALCON航空重力梯度儀(見(jiàn)圖3)，其測(cè)量精度為10E。

圖3 FALCON重力梯度儀[25]Fig.3 FALCON gravity gradiometer

機(jī)載全張量重力梯度儀(見(jiàn)圖4)是由3個(gè)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)組成的傘形結(jié)構(gòu)作為核心，每個(gè)圓盤(pán)被稱為重力梯度儀(Gravity Gradient Instrument, GGI)，安裝在陀螺穩(wěn)定平臺(tái)上。

(a)結(jié)構(gòu)示意圖[28]

(b)實(shí)物圖圖4 機(jī)載全張量重力梯度儀 Fig.4 Airborne full tensor gravity gradiometer

1.3 靜電懸浮式重力梯度儀

靜電懸浮式重力梯度儀能夠檢測(cè)單點(diǎn)多自由度非保守力，且可以實(shí)現(xiàn)高精度重力梯度測(cè)量。該類(lèi)型重力梯度儀是在每個(gè)矢量方向放置一個(gè)靜電懸浮加速度計(jì)，運(yùn)用差分原理測(cè)量每個(gè)矢量方向上的重力梯度張量。該梯度儀的探頭包含外殼和慣性傳感質(zhì)量?jī)刹糠郑瑧T性質(zhì)量通過(guò)靜電力懸浮在探頭中心，與外殼沒(méi)有任何機(jī)械連接，采用差分電容方式輸出檢驗(yàn)質(zhì)量的位移，最終獲得極高的測(cè)量精度，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。高精度靜電懸浮式重力梯度儀在航空重力及重力梯度測(cè)量中都有重要應(yīng)用[29]。

(a)差分電容靜電懸浮加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

(b)靜電懸浮加速度計(jì)實(shí)物[30]圖5 靜電懸浮式重力梯度儀Fig.5 Electrostatic suspended gravity gradiometer

圖6 GOCE搭載的靜電懸浮加速度計(jì)重力梯度儀[32]Fig.6 Electrostatic suspended accelerometer gravity gradiometer on GOCE

1.4 超導(dǎo)重力梯度儀

超導(dǎo)重力梯度儀本身具有高靈敏度、高分辨率、低噪聲、高機(jī)械穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[33-35]，適用于船載、航空等測(cè)量場(chǎng)景。

超導(dǎo)重力梯度儀是基于超導(dǎo)加速度計(jì)進(jìn)行差分測(cè)量以獲取重力梯度信息。超導(dǎo)加速度計(jì)的原理是：超導(dǎo)檢測(cè)質(zhì)量受加速度影響會(huì)產(chǎn)生位移，利用邁斯納效應(yīng)結(jié)合超導(dǎo)量子干涉儀(Superconduct Quantum Interferometer Device，SQUID)可以實(shí)現(xiàn)加速度高精度測(cè)量[37]。超導(dǎo)檢驗(yàn)質(zhì)量與機(jī)械彈簧連接，感應(yīng)線圈在檢驗(yàn)質(zhì)量對(duì)面。重力加速度的改變會(huì)引起感應(yīng)線圈和檢驗(yàn)質(zhì)量的間距發(fā)生變化，從而導(dǎo)致感應(yīng)線圈的有效電感發(fā)生變化，即可獲得重力加速度的變化量[38]。圖7所示為超導(dǎo)加速度計(jì)的原理示意圖。

圖7 Maryland大學(xué)研制的超導(dǎo)加速度計(jì)簡(jiǎn)化原理圖[36]Fig.7 Simplified schematic diagram of superconducting accelerometer developed by Maryland University

將6個(gè)完全相同的超導(dǎo)加速度計(jì)安裝在正六面體上，相對(duì)面上的2個(gè)超導(dǎo)加速度計(jì)就組成一個(gè)梯度儀，其敏感軸正交于正六面體的表面，從而構(gòu)成三軸超導(dǎo)重力梯度儀(Superconducting Gravity Gradiometer, SGG)。圖8所示為Maryland大學(xué)研制的三軸超導(dǎo)重力梯度儀[39]。

圖8 Maryland大學(xué)研制的三軸超導(dǎo)重力梯度儀[39]Fig.8 Three-axis superconducting gravity gradiometer developed by Maryland University

2 量子重力梯度儀的基本原理

量子重力梯度儀是利用超低溫原子團(tuán)代替慣性質(zhì)量來(lái)感應(yīng)重力作用，并結(jié)合激光與原子團(tuán)的相互作用，使原子所處疊加態(tài)的相位與運(yùn)動(dòng)路徑中受到的重力加速度相關(guān)，通過(guò)探測(cè)原子的內(nèi)態(tài)布居數(shù)來(lái)獲得重力加速度信息[13]。

量子重力梯度儀可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)重力梯度測(cè)量，并且不易受測(cè)量區(qū)域環(huán)境的影響。量子重力梯度儀可應(yīng)用于航空重力梯度測(cè)量、引力常數(shù)G測(cè)量，以及補(bǔ)償由重力異常造成的慣導(dǎo)系統(tǒng)偏差等場(chǎng)景[20]。

2.1 激光冷卻

激光冷卻是指利用光場(chǎng)與原子之間的相互作用力實(shí)現(xiàn)原子減速。1975年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)的Wineland和Dehmel[43]與美國(guó)斯坦福大學(xué)的H?nsch和Schawlow[44]分別提出了利用對(duì)射激光束對(duì)中性原子和束縛在電磁阱中的離子進(jìn)行多普勒冷卻的方案[45]。多普勒冷卻的基本原理是：當(dāng)一束反向傳輸?shù)募す庹丈涞匠跛俣葹関0的原子時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，原子實(shí)際感受到的激光頻率會(huì)比激光本身的頻率高，因此冷卻光的頻率相對(duì)原子躍遷頻率需要存在紅失諧(負(fù)失諧)以補(bǔ)償多普勒效應(yīng)帶來(lái)的頻差。當(dāng)原子吸收了反向光子的動(dòng)量之后，原子的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)減慢，同時(shí)由于原子自發(fā)輻射光子的方向是各向等概率的，所以在多次循環(huán)之后自發(fā)輻射的合力為零。

1985年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的朱棣文研究組利用三對(duì)正交的激光束照射鈉蒸氣室，在這三對(duì)激光交匯處產(chǎn)生一種稱為光學(xué)黏團(tuán)(Optical molasses)[46]的原子狀態(tài)，原子的溫度低至240μK，達(dá)到了激光冷卻的理論極限溫度(多普勒極限溫度)。但是很快這個(gè)理論極限溫度就被NIST的Phillips研究小組打破，他們利用光學(xué)阻尼將鈉原子冷卻至43μK[47]，成功地突破了多普勒理論極限溫度。此后，原子冷卻極限溫度被不斷打破，到1996年，Cohen-Tannodji研究組利用速度選擇相干布局囚禁(Velocity-Selective Coherent Population Trapping，VSCPT)將銫原子一維溫度冷卻到3nK[48]。激光冷卻和囚禁原子的發(fā)展歷程如圖9所示。

圖9 激光冷卻和囚禁原子的發(fā)展歷程[45]Fig.9 History of laser cooling and confinement of atoms

利用光學(xué)黏團(tuán)可以有效地對(duì)原子進(jìn)行減速與冷卻，但要想實(shí)現(xiàn)原子的捕獲還需要指向原子團(tuán)中心的回復(fù)力。1987年，朱棣文研究小組和美國(guó)麻省理工學(xué)院的Pritchard研究小組合作，采用了Dali-bard提出的梯度靜磁場(chǎng)和光學(xué)黏團(tuán)組合方式，實(shí)現(xiàn)了原子的冷卻與捕獲。后來(lái)把這種組合了梯度靜磁場(chǎng)和光學(xué)黏團(tuán)的原子冷卻與捕獲技術(shù)稱為磁光阱(Magneto-Optic Trap, MOT)技術(shù)， 磁光阱模型如圖10所示。

MOT由六束兩兩對(duì)射并且相互垂直的圓偏振激光和梯度靜磁場(chǎng)組成。梯度靜磁場(chǎng)則由一對(duì)反亥姆霍茲線圈提供，在六束激光的交匯處磁場(chǎng)強(qiáng)度為零，梯度磁場(chǎng)與激光的偏振相結(jié)合產(chǎn)生對(duì)原子的回復(fù)力。因此，原子在磁場(chǎng)和光場(chǎng)的相互作用下受到指向坐標(biāo)原點(diǎn)的輻射壓力[45]，最終能夠在MOT的中心實(shí)現(xiàn)原子的三維冷卻和捕獲。

(a) MOT中的原子能級(jí)

(b) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖圖10 磁光阱模型Fig.10 Magneto-optical trap model

2.2 原子干涉

原子干涉的理念最早可以追溯到量子力學(xué)的形成初期。1924年，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出了物質(zhì)波的概念：具有質(zhì)量的粒子也可以具有波動(dòng)性質(zhì)，其波長(zhǎng)λ由普朗克常量h和粒子的動(dòng)量p決定，即λ=h/p。目前，實(shí)驗(yàn)上采用最多的是三脈沖受激拉曼原子干涉儀。

圖11 三脈沖原子干涉儀脈沖時(shí)序Fig.11 Pulse sequence of three pulse atomic interferometer

三脈沖受激拉曼原子干涉儀由3個(gè)拉曼脈沖π/2-π-π/2構(gòu)成(見(jiàn)圖11)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，囚禁的原子團(tuán)在初始時(shí)刻都在|a,p〉原子態(tài)，此時(shí)原子具有的動(dòng)量為p。在t=0時(shí),作用第一束拉曼π/2脈沖，作用時(shí)間為τ。在這里π/2脈沖的作用相當(dāng)于Mach-Zehender干涉儀中的分光鏡，將原子均分到|a,p〉和|b,p+?keff〉態(tài)上，其中keff是拉曼光的有效波矢。在2個(gè)態(tài)上的原子動(dòng)量不同，被均分的兩團(tuán)原子沿著不同的路徑進(jìn)行演化。在t=T時(shí)，對(duì)原子團(tuán)作用一束π脈沖，作用時(shí)間為2τ。在該脈沖的作用下，原子演化路徑和能態(tài)會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，|a,p〉態(tài)上的原子躍遷到|b,p+?keff〉態(tài)上，而|b,p+?keff〉態(tài)上的原子躍遷到|a,p〉態(tài)上，其作用相當(dāng)于光學(xué)干涉儀中的反射鏡。在t=2T時(shí)，作用第三束π/2脈沖，以實(shí)現(xiàn)原子團(tuán)的合束，將沿著不同路徑演化的2個(gè)態(tài)上的原子相干疊加起來(lái)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生原子的內(nèi)態(tài)干涉。

由于2個(gè)態(tài)上的原子經(jīng)歷了不同的演化路徑，會(huì)存在一定的相位差。原子和光子相互作用后，光的位相疊加到原子態(tài)上。原子干涉儀的相位一般分為兩部分：受激拉曼躍遷過(guò)程中由激光和原子相互作用引入的相位ΔΦlaser；原子在重力場(chǎng)中自由演化引入的相位ΔΦevolution。原子干涉條紋的相位表示為

ΔΦ=ΔΦlaser+ΔΦevolution=keff·gT2

(1)

其中，keff是拉曼光的有效波矢;g是重力加速度；T是兩束拉曼脈沖的時(shí)間間隔。通過(guò)改變拉曼光失諧可以得到干涉條紋，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)啁啾掃描拉曼光頻率的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，式(1)可以寫(xiě)為

ΔΦ=(keff·g-2πα)T2

(2)

對(duì)于雙態(tài)原子干涉儀來(lái)說(shuō)，任一態(tài)的原子躍遷概率P可以表示為

(3)

式(2)中，α為拉曼光的啁啾率，其測(cè)量精度可以很高，通過(guò)這種方式將重力的測(cè)量轉(zhuǎn)換成頻率的測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度的重力加速度測(cè)量。由式(2)可知，若keff·g-2πα=0，則無(wú)論T取什么值，所有的干涉條紋都會(huì)交于一點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量這一點(diǎn)的α值就可以得到絕對(duì)重力加速度值g=2πα/keff。對(duì)α值進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控就能夠測(cè)量相對(duì)重力值。式(3)中，A表示干涉條紋的偏移量，C表示干涉條紋的對(duì)比度，通過(guò)式(2)和式(3)計(jì)算原子的躍遷概率可測(cè)量出重力加速度g。

2.3 梯度測(cè)量

在地球表面，重力加速度由地球的引力決定，按牛頓引力理論，地球的引力場(chǎng)可以表示為

(4)

其中，G為萬(wàn)有引力常數(shù)；r′為體積元的位置；ρ(r′)為r′處的地球物質(zhì)密度；r表示空間某一點(diǎn)的位置；積分區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)地球。地球表面的重力加速度為

(5)

重力梯度張量是重力加速度g的導(dǎo)數(shù)，由3×3的矩陣表示

(6)

Txx+Tyy+Tzz=0

(7)

則在9個(gè)重力梯度張量中有5個(gè)是獨(dú)立分量。對(duì)于豎直方向的分量?zgz，將地球視為球體，其質(zhì)量分布均勻，形狀規(guī)則，赤道半徑視作該球體半徑Re=6.37814×106m，地球引力常數(shù)按GMe=3.986005×1014m3/s2計(jì)算，則地球表面的重力加速度和重力梯度分別為[13]

(8)

(9)

地球表面的重力梯度約為3072E。

重力梯度測(cè)量的是重力加速度的空間變化率，最直接的方法是測(cè)量出空間兩點(diǎn)的重力加速度差和它們的距離差，如圖12所示，則對(duì)應(yīng)的重力梯度可以表示為

Tzz=(g1-g2)/l

(10)

其中，g1和g2為相同檢驗(yàn)質(zhì)量在豎直方向感受到的重力加速度;l為2個(gè)質(zhì)量塊在豎直方向上的距離差，也叫作重力梯度儀的基線。

圖12 重力梯度測(cè)量示意圖Fig.12 Gravity gradient measurement diagram

量子重力梯度儀的原理是：將2個(gè)原子干涉儀在空間上相隔一定距離放置，2個(gè)原子干涉儀分別囚禁原子團(tuán)后同時(shí)釋放，由于2個(gè)原子團(tuán)在空間位置上具有一定的垂直距離差，通過(guò)差分測(cè)量可以得到兩團(tuán)原子感受到的重力差。由式(5)可知，重力值是通過(guò)相位計(jì)算得出，式(5)也適用于單個(gè)原子干涉儀，每個(gè)原子干涉儀的相移為

Φ1=keff·g1T2

(11)

Φ2=keff·g2T2

(12)

兩原子團(tuán)感受到的重力差Δg是通過(guò)提取兩團(tuán)原子相位差ΔΦ得到

Δg=g2-g1=(Φ2-Φ1)/keffT2=ΔΦ/keffT2

(13)

量子重力梯度儀測(cè)得的重力梯度γ為

(14)

3 量子重力梯度儀國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

圖13 耶魯大學(xué)的量子重力梯度儀[49]Fig.13 Quantum gravity gradiometer at Yale University

圖14 Kasevich小組的水平量子重力梯度儀[19]Fig.14 Kasevich group horizontal quantum gravity gradiometer

圖15 Tino小組重力梯度儀結(jié)構(gòu)示意圖[50]Fig.15 Tino group quantum gravity gradiometer structure diagram

圖16 法國(guó)巴黎天文臺(tái)Franck小組量子重力梯度儀[54]Fig.16 Franck group quantum gravity gradiometer, Paris Observatory

(a )原理圖

(b)拉曼脈沖時(shí)序圖[55]圖17 ONERA的量子重力梯度儀Fig.17 ONERA quantum gravity gradiometer

目前，國(guó)內(nèi)研制量子重力梯度儀的主要單位有：浙江工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、華中科技大學(xué)和浙江大學(xué)等單位。

浙江工業(yè)大學(xué)林強(qiáng)研究小組的組合式量子重力梯度儀是基于差分測(cè)量方法研發(fā)的，其結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物組裝圖如圖18所示。該量子重力梯度儀由兩套獨(dú)立的原子干涉儀組合而成，每個(gè)原子干涉儀通過(guò)各自的MOT囚禁87Rb冷原子團(tuán)，2個(gè)冷原子團(tuán)同時(shí)釋放后，通過(guò)作用時(shí)間間隔相同的三束拉曼脈沖(π-π/2-π)進(jìn)行原子干涉。通過(guò)分析原子干涉的相位變化來(lái)提取每套的重力加速度信息，然后基于差分測(cè)量原理(詳見(jiàn)3.3節(jié)梯度測(cè)量原理部分)并結(jié)合橢圓擬合方法獲取重力梯度信息，從而實(shí)現(xiàn)重力梯度的高精度測(cè)量。整個(gè)量子重力梯度儀安裝在六軸位姿平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)野外車(chē)載重力梯度測(cè)量。

圖18 浙江工業(yè)大學(xué)研發(fā)的組合式量子重力梯度儀原理及實(shí)物組裝圖Fig.18 Principle and physical assembly drawing of combined quantum gravity gradiometer developed by Zhejiang University of Technology

圖19 中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院的水平重力梯度儀示意圖Fig.19 Schematic diagram of horizontal gravity gradiometer of the Institute of Precision Surveying Science and Technology Innovation, Chinese Academy of Sciences

圖20 華中科技大學(xué)的量子重力梯度儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.20 Structure diagram of quantum gravity gradiometer of Huazhong University of Science and Technology

4 總結(jié)與展望

本文對(duì)重力梯度儀的發(fā)展歷程、基本原理和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。近年來(lái)，量子重力梯度儀發(fā)展迅速。目前，量子重力梯度儀的靈敏度主要受限于測(cè)量過(guò)程中的各項(xiàng)噪聲，包括測(cè)量點(diǎn)的地面振動(dòng)噪聲、拉曼光的相位噪聲以及原子探測(cè)噪聲等。有效地抑制這些測(cè)量噪聲，是當(dāng)前提升量子重力梯度儀靈敏度的主要研究方向。

未來(lái)，量子重力梯度儀會(huì)向著小型化、實(shí)用化并且可移動(dòng)的方向發(fā)展?？梢詫?duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：1)設(shè)計(jì)更為緊湊的真空系統(tǒng)；2)體積和質(zhì)量更小的電控系統(tǒng)；3)效果更好的隔振裝置；4)更穩(wěn)定的光路系統(tǒng)。量子重力梯度儀將來(lái)有望在資源勘探、慣性導(dǎo)航和基礎(chǔ)科學(xué)研究等方面發(fā)揮更大作用。