冷原子绝对重力仪测量技术发展展望*

吴岳洋 覃方君 朱九鹏 钱镭源

（海军工程大学电气工程学院 武汉 430033）

1 引言

根据测量物理量的不同，可分为绝对和相对重力仪，绝对重力仪可直接计算重力值，而相对重力仪则是通过电流、位移等物理量来确定重力差值，需定期使用绝对重力仪进行校准。目前，激光绝对重力仪和冷原子绝对重力仪是获取高精度绝对重力值的两种主要仪器。其中，传统激光绝对重力仪FG5/FG5X是利用自由下落棱镜来计算重力值，短期灵敏度为（1uGal=10-8m/s2），准确度可达 2uGal［1］。

朱棣文团队于1991年研发出全球首台受激拉曼跃迁冷原子绝对重力仪［2］，改进后的精度接近于当时最先进的激光绝对重力仪，可达uGal级水平［3］。此外，斯坦福大学［4］、武汉物数所［5］、汉诺威大学［6］等单位，均研发出高达10m的冷原子绝对重力仪，精度可达nGal量级。这种大型固定式高精度冷原子绝对重力仪，灵敏度可达采用冷原子团取代传统激光绝对重力仪的棱镜落体，无机械疲劳，可进行长时间持续重力测量，主要应用在引力波探测、广义相对论、等效原理检验等基础物理领域。

随着测量技术的不断发展，冷原子绝对重力仪逐渐参与到国际绝对重力仪（ICAG）评比中［8～10］，多项性能已优于主流激光绝对重力仪。斯坦福大学［11］、洪堡大学［12］、法国 ONERA［13～14］、加州大学伯克利分校［15］、法国 LNE-SYRTE［20，27］、华中科技大学［16］、浙江工业大学［17～19］等单位的研究表明，自21世纪初以来，可移动冷原子绝对重力仪已逐步走出实验室，并实现了野外静态、准动态、动态的绝对重力测量。与激光绝对重力仪相比，它具有灵敏度高、稳定性好、潜在精度高等特性，更适用于野外的环境监测、资源勘探、惯性导航等方面［15，35，46］。

从现有研究来看，复杂的野外动态环境对仪器的紧凑性、鲁棒性、长时间持续测量等方面提出了更为严格的要求。为对冷原子绝对重力测量技术开展下一步研究，先对其小型化、可移动、野外绝对重力测量等领域的发展现状进行了介绍，并在此基础上归纳了振动噪声隔除和量测死区克服的相关技术。

2 冷原子绝对重力仪的发展现状

2.1 冷原子绝对重力仪的小型化

2.1.1 真空系统的小型化

高质量真空环境能降低原子与背景气体的碰撞，延长干涉时长，并为冷原子团制备、干涉、探测等过程提供实验条件。为使探头体积更小，仪器多采取自由下落式。其中，三维磁光阱（3D-MOT）由6束激光两两对射形成，反射镜偏移会导致仪器长期稳定性和测量精度变差。针对此问题，LNESYRTE研制出中空金字塔型反射镜［20］，仅单束激光即可实现3D-MOT的功能，如图1（a）所示。此方法能有效降低仪器功耗，稳定性更强。

真空腔主要由金属、石英和玻璃等材质构成。其中，钛金属磁场均匀度好，能有效减小磁场涡流效应，但制造工艺和生产成本较高。文献［11］采用Zerodur微晶玻璃优良的加工性能，在车载小型化冷原子绝对重力仪中采用了热膨胀系数极低的玻璃真空腔。此外，林强团队提出石英真空腔结构的微型MOT来减小探头体积［21］，不到金属真空腔1/4激光功率下可获得更快的原子装载速率。石英和微晶玻璃材质具有质量轻、无剩磁、成本低、便于加工的特点，其结构优化有利于实现设备的小型化。

2.1.2 光路系统的小型化

光路系统要完成原子冷却、干涉、抽运等工作，必须提供不同偏振方向，频率、功率可快速调节的激光。早期光学系统由多台激光器、驱动器来实现其功能，移动性、集成度较差。近年来，各团队研发出可移动的紧凑光路系统，主要有自由空间光路系统和光纤光路系统。如图1（b）所示，文献［22～23］通过精密的光路设计，将微型光学器件安装在基板上形成自由光路系统来提高仪器的集成度和稳定性。

图1 系统的小型化

在自由空间中，激光束易受到机械压力、外界应力等影响发生偏移。鉴于光纤对温度和振动的低敏感性，采用保偏光纤连接光学模块可提高空间利用率、简化器件更换流程，系统的鲁棒性与稳定性得到加强。文献［24］结合相位调制、边带锁频、快速调谐等关键技术实现了小型化单激光器的光路系统。此外，基于玻色爱因斯坦凝聚体的内态干涉原子芯片［25］，可使光路系统更为紧凑、稳定。布拉格衍射型冷原子绝对重力仪的内禀优越性［26］，能有效减少环境噪声，在与拉曼型重力仪同灵敏度时体积更小。

2.2 可移动冷原子绝对重力仪

随着集成技术的发展，多家单位研发出可移动冷原子绝对重力仪，以扩大其应用范围。LNE-SYRTE是首个实现可移动冷原子绝对重力仪的单位［8］，在ICAG-2009的现场测试中，不确定度约为6uGal。与FG5X-216的比对中［27］，2000s内的稳定性可达0.2uGal，并在130min持续测试中取得了更好的噪声抗性和短期灵敏度。洪堡大学将光路系统安装在19英寸机柜内、真空系统固定在移动小车等技术，研制出可移动冷原子绝对重力仪（GAIN）［12］，如图 2（a）所示。重力测量灵敏度为，长期稳定性可达 0.05uGal。法国Muquans的商用可移动冷原子绝对重力仪（AQG-A01）［29］，如图 2（b）所示。作为新一代基准绝对重力仪，相比于目前最好的商用激光绝对重力仪，其测量性能和便携性更好，重力灵敏度可达，长期稳定性优于1uGal。此外，美国也依托于斯坦福大学成立了AOSense商业公司。

图2 可移动冷原子绝对重力仪

武汉物数所于2010年研制出国内首台冷原子绝对重力仪［31］，并在此基础上开始研制仪器的可移动化。文献［32］在亚太地区绝对重力仪的比对中，测量准确度约为19uGal，未使用隔振平台条件下灵敏度可达。此外，在中国计量院主办的ICAG-2017中，有6台来自国内的可移动冷原子绝对重力仪。其中，中国计量院研发的NIM-AGRb-1［9］，灵 敏 度 优 于 FG5X-249，可 达，长期稳定性为0.2uGal。武汉物数所基于85Rb的WAG-H5-1重力测试等效度为3uGal［10］，准确度优于10uGal，稳定性和灵敏度分别为1uGal@4000s和，噪声环境下相比FG5X具有更好的测量连续性和不确定度。另外，华中科技大学、浙江大学/浙江工业大学也取得了较好的测试结果。2019年，来自中国科学技术大学的冷原子绝对重力仪USTC-AG02［33］，在与激光绝对重力仪NIM-3A的比对中得到了3.7uGal等效度，长期稳定性为0.8uGal，灵敏度可达

相比而言，国内可移动冷原子绝对重力仪的研制相对滞后，尚未建立相应的商业公司。但在国际顶级绝对重力仪比对中，准确度与长期稳定性已达到或超过了商用激光绝对重力仪。此外，其灵敏度和精度，也达到了国际一流水准。

2.3 野外环境的绝对重力测量

2.3.1 静态及准动态绝对重力测量

野外静态绝对重力测量通常利用可移动平台，将冷原子绝对重力仪运送到所需环境中进行测试。H.Müller团队利用中空金字塔型MOT和玻璃真空腔的小型化冷原子绝对重力仪［15］，通过卡车实现不同重力测量点间的转移，如图3所示。该仪器在实验室环境下的灵敏度可达，长期稳定性优于2uGal。在长达7.6km和海拔变化近400m的伯克利山附近选择了多块测量区域，计算出2.0(2) g/cm3的岩石密度，与美国地质调查局数据相吻合。浙江工业大学［17］和华中科技大学［16］也采用类似方案，在野外进行了车载静态绝对重力测量，精度可达10uGal量级。

图3 H.Müller团队车载静态绝对重力测量

不同地点的静态绝对重力测量，需要反复调试仪器，工作效率低。为此，M.Kasevich团队开展了野外准动态绝对重力测量，将设备固定在1cm/s低速卡车中［11］，采用差分抑制噪声，4min积分时间内重力梯度灵敏度可达5E（1E=10-9/s2）。文献［18］采用冷原子绝对重力仪、低速牵引装置和惯性稳定平台在室内搭建出一套动态重力测量系统，采取动态迭代拟合条纹算法实时修正原子布居数，并对科里奥利力的重力偏置进行了补偿，得到了和静态绝对重力值基本一致的结果，为野外车载动态绝对重力测量提供了参考。

2.3.2 动态绝对重力测量

动态绝对重力测量是在移动平台上开展的，它适用于野外大面积重力检测，具有速度快、效率高的特点，但同时对仪器体积、重量、功耗和抗干扰性带来了新挑战。2011年，法国多家单位联合开展了1g和0g重力环境下的机载绝对重力测试［34］，受限于飞机振动噪声，在0g条件下灵敏度为。此外，Y.Bidel团队首次在运动电梯中开展了重力测量工作［35］，得到了4E重力梯度的拟合精度。近年来，该团队开展了海洋船载绝对重力测量［14］，将冷原子绝对重力仪置于惯性稳定平台上，并与相对重力仪进行比对。在冷原子绝对重力仪的数据中添加传统加速度计的测量平均值，补偿了死时间空白。结果表明，该仪器的测量精度优于1mGal，重复性和稳定性好于相对重力仪。此外，还利用该仪器开展了机载绝对重力测量［13］，其测量精度为1.7mGal～3.9mGal。

林强团队基于冷原子重力仪和惯性稳定平台进行了船载系泊状态下重力测量，灵敏度为，分辨率在1000s积分时间内可达0.7mGal。利用这套系统，该团队在南海某海域开展了船载动态绝对重力测量［19］，采用扩展卡尔曼（EKF）算法对干涉条纹时域数据滤波处理，在低于2.1km/h航速下，将T=4ms下重力测量灵敏度提升至，修正绝对重力值与重力场模型XGM2019计算结果相吻合。

2021年，海军工程大学、中科院精测院和哈尔滨工业大学联合团队利用自研冷原子绝对重力仪，在木兰湖完成了约为4.6kn航速的船载动态绝对重力测量［37］，如图4所示。绝对重力值采取Eötvös校正，并与重力基准值比对后，得到了约2mGal的内符合精度。

图4 海军工程大学联合团队船载动态绝对重力测量

目前，国内外已进行了机载、船载动态和车载静态、准动态等方面的绝对重力测量，其测量指标有分辨率、灵敏度、精度、准确度等，而各单位的测试标准和偏重也有所不同，难以进行有效比对。因此，中科院精测院、304所、中国计量院等单位于2021年共同拟定了“原子重力仪性能要求和测试方法”［38］，旨在规范我国冷原子绝对重力仪的性能要求和测试方法。

3 冷原子绝对重力仪测量相关技术

3.1 振动噪声的隔振处理

冷原子团干涉过程中，环境振动会引起拉曼反射镜偏移，产生的误差会耦合至末态相位，导致仪器灵敏度、精度变差，所以对振动噪声的隔振处理显得至关重要。其中，被动隔振作为一种无源器件，主要利用弹性材料和机械结构的阻尼特性，将外界振动能量转为其他能量从而吸收振动噪声。该系统只能对高于自身共振频率的振动解耦，低频特性较差，所以通常结合反馈控制构成主动隔振系统，改善10Hz下的低频隔振特性。

3.1.1 主动隔振系统

主动隔振系统由被动隔振平台、加速度计（如地震仪）、数据处理系统和力学反馈装置（如音圈电机）组成，典型的三维主动隔振系统如图5所示。利用被动隔振平台将高频振动隔除，再利用三轴地震仪测出振动信号通过低噪声电压放大器与反馈控制器，得到模拟反馈信号输送到压控电流源驱动音圈电机，使横向（X和Y向）和垂向（Z向）电机转动产生反馈力进一步抑制低频振动噪声。

图5 三维主动隔振系统结构示意图［42］

朱棣文团队首次将主动隔振系统应用到冷原子绝对重力仪［39］，研制出具有0.033Hz共振频率的弹簧隔振平台。通过加速度计检测振动信号，反馈给电磁驱动器抵消振动，使0.1Hz～20Hz的噪声被抑制300倍后压制到，测量精度可达3uGal。洪堡大学GAIN采用固有频率可调的Minusk商用隔振平台构建了主动隔振系统［12］，实现了横向和垂向等效的低共振频率，并将其耦合到单轴地震仪，重力测量灵敏度可达

国内华中科技大学率先在冷原子绝对重力仪上引进了主动隔振系统［40］，并将单轴地震仪改进为三轴，研制出共振频率0.016Hz的隔振系统，使0.1Hz～1Hz的垂向噪声降低了100倍，2000s积分内分辨率可达1.5uGal，与当时最好的冷原子绝对重力仪相当。通过优化后的固定式三维主动隔振系统［41］，在横向和垂向施加反馈力，将0.2Hz～2Hz的横向和垂向振动噪声分别抑制了5倍和50倍。文献［42］的可移动的三维主动隔振系统，将10Hz以下振动噪声压制到，取得了2200倍抑制效果。此外，武汉物数所使用现场可编程门阵列（FPGA）提高主动隔振系统的灵活度［43］，将0.01Hz～10Hz的振动噪声压制到，并在T=140ms时测量精度可达6.6uGal。

3.1.2 补偿隔振系统

LNE-SYRTE提出简单且鲁棒性较高的补偿隔振技术［44］，未采用大载荷隔振平台，可降低成本、减轻重量，利于仪器的小型化。补偿隔振利用低噪声地震仪交流信号直接对冷原子绝对重力仪输出校准，滤波后对积分相位进行补偿，较好地压制了残余振动噪声，重力测量灵敏度可达14uGal。同年该团队为应对城市夜间复杂的噪声环境［45］，使用地震仪采集地表振动噪声，并对拉曼振动相位实时修正，取得了55uGal的重力灵敏度。

法国Muquans公司的AQG-A01用带通滤波器对加速度计Titan的信号进行过滤［29］，并采用高通滤波器和低通滤波器分别消除Titan的长期漂移和高频电子噪声，从而实现了全频段振动噪声的实时补偿。振动补偿技术计算复杂，并难以获得加速度计到反射镜的传递函数，很难实现高精度的隔振。此外，浙江大学、浙江工业大学［32］、法国 iXblue［46］、ONERA［13～14］等单位也采取过这种传统加速度计和冷原子绝对重力仪的补偿隔振技术，来消除实验中的多值效应，并为死区时间消除提供了理论依据。

3.2 量测死区的克服

冷原子绝对重力仪在冷原子团制备、相干等阶段均需要一定的工作周期，造成了量测死区。为消除死区时间，可采用传统加速度计与冷原子绝对重力仪的混合测量技术。这种新型的混合加速度计，将传统加速度计的大测量带宽和冷原子绝对重力仪的长期稳定性相结合，解决了传统加速度计的漂移问题，并填补了冷原子绝对重力仪在量测死区的空白。A.Landragin团队通过冷原子绝对重力仪对传统加速度计输出信号的直流部分进行伺服锁定［47］，抑制传统加速度计的漂移后实现了混合测量，可在没有隔振平台下以最佳性能运行，航行4小时的误差可由5m降至1m。文献［46］利用类似的混合传感器，在野外恶劣动态环境的模拟实验中，采用卡尔曼滤波获取重力偏差最优估计值。实现了400Hz大测量带宽，11h积分时间内重力测量稳定性可达10uGal，并取得了比传统正弦拟合更佳的精度和鲁棒性。

在混合测量方案中，若死区时间过长，重力精度会不断偏向传统加速度计导致长期稳定性变差。针对此问题，文献［48］采取光抽运态制备技术减少原子损耗，实现了70%的钟态态制备效率，并利用再捕获技术对冷原子团循环复用，有效压缩了死区时间占比。如图6所示，A.Landragin团队提出在干涉区域中采用连续发射的冷原子团［49］，通过合理的采样时序消除相互混叠的死区时间，冷原子陀螺在1×104s积分时间内旋转稳定性可达1nrad/s。经过改良后，这种无测量死区的冷原子陀螺仪转速灵敏度可达，长期稳定性可达当时最好光纤陀螺仪的水平。清华大学采用10m/s～20m/s的87Rb冷原子团进行连续干涉［51］，冷原子陀螺仪在190Hz测量带宽上旋转灵敏度可达，此方法在保留原有灵敏度和紧凑性的前提下，实现了仪器的大宽带和高采样率测量。

图6 无测量死区冷原子陀螺仪工作原理

4 结语

随着冷原子绝对重力仪关键系统的小型化，如中空金字塔型单光路系统、玻璃真空腔的结构优化、全光纤连接的光路模块等，为轻量化、紧凑型、可移动冷原子绝对重力仪提供了重要的技术支撑。越来越多的研究团队逐步从实验室走向野外动态环境，致力于增强仪器的机动性和实用性。主动隔振及补偿隔振技术能有效抑制振动噪声，益于精度的再次提高。采用传统加速度计和冷原子绝对重力仪混合测量，有效克服了条纹多值性和死时间空白的问题。另外，采用量测死区时序混叠消除技术，可在保留原有灵敏度和紧凑性的基础上，进行大宽带、高频率的重力测量。

我国要加强核心技术和测试方法的创新力度，提高冷原子绝对重力仪的实际应用价值，为多平台、复杂环境的重力测量提供技术支撑。冷原子团干涉技术是高精度、高灵敏度绝对重力测量的有效手段，尽管仍处于快速发展时期，但它良好的野外动态测试性能和抗干扰能力，极有可能成为下一代绝对重力仪。另外，以原子芯片、布拉格衍射和光晶格布洛赫振荡等大动量传输技术为基础的冷原子绝对重力仪也具有巨大的发展前景。