冷原子重力儀研究進展綜述

白金海馬慧娟胡 棟王 宇

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095）

1 引言

重力加速度是描述地球重力場的關鍵參數，對其進行實時實地的高精度測量具有重要意義和應用［1-3］。在計量和基礎科學領域，可用于建立質量基準、檢驗后牛頓引力理論等；在地球物理領域，可用于地球動力學和地震等；在地質測繪領域，對重力異常數據進行反演歸算，可以得到地下質量體的密度和分布信息；在軍事國防領域，可以用于導彈制導重力修正、無源慣性導航等。

重力儀可分為相對重力儀和絕對重力儀兩類。相對重力儀用于重力隨時間和空間變化的測量，主要有彈簧重力儀和超導重力儀兩種。彈簧重力儀的測量精度可達1 μGal，但存在因彈性疲勞引起的零點漂移問題［4］，CG5 型重力儀漂移在20 μGal／天，GT-2海空重力儀漂移在1 mGal／月；超導重力儀的精度高達0.001 μGal［5］，漂移在0.5 μGal／月，因振動會造成超導磁通跳躍，使其無法用于動平臺環境。

絕對重力儀可以為相對重力儀提供絕對重力參考標準，是保證所有重力測量結果準確可靠的前提。目前，激光干涉絕對重力儀和冷原子干涉絕對重力儀是主要的兩種絕對重力測量儀器。其中美國Microg-Lacoste 公司生產的激光干涉絕對重力儀FG5-X［6］，在絕對重力測量及其相關行業占據壟斷地位，在歷次絕對重力國際比對中也占據主導地位。FG5-X 通過邁克爾遜干涉實時測量落體角錐自由下落時刻和位置并解算重力，在實驗室環境下，重力測量靈敏度為15 μGal／Hz1／2，不確定度為1.8 μGal（k＝1）。

與之對比，自上世紀90 年代發展起來的冷原子干涉絕對重力儀［7］，其不確定度與FG5-X 相當，測量靈敏度更高［8］，具有測量速度快、可實現長期連續測量等優點。經過發展，其在小型化、工程化、環境適應性等方面得到改善；通過參加重力比對，其測量性能得到驗證；通過野外環境試驗，其長期穩定性和可靠性性得以證實；通過船載、機載等動平臺環境試驗，其動態測量能力得到證實。越來越多證據表明，冷原子重力儀有望成為下一代高精度絕對重力儀，在重力基準維護、地球物理、無源慣性導航等領域得到廣泛應用。

對冷原子重力儀的原理和技術優勢進行了分析，介紹了冷原子重力儀的系統組成和關鍵技術，簡述了冷原子重力儀的研究進展和發展趨勢。最后對冷原子重力儀的研究方向，特別是在動態應用場景下的要點進行了分析和梳理。

2 冷原子重力儀的原理和優勢

Steven Chu 小組發明的拉曼脈沖干涉原理冷原子重力儀［7］，是目前為止測量精度最高、技術最成熟的量子干涉重力測量方案。冷原子重力儀可以細分為噴泉上拋式和自由下落式兩種具體實施路徑，噴泉方案可以提升自由演化時間，同時原子運動路徑基本對稱，有利于抑制各項系統誤差，但配套激光系統、真空系統的復雜性更高，一般應用于原理探索和基礎科學研究；自由下落方案使原子在重力作用下釋放并進行干涉操控，裝置的復雜性顯著降低，原子干涉尺度為20 cm 左右，可以實現1 μGal量級的重力測量精度，是目前應用最為廣泛的測量方法。

測量裝置示意圖如圖1 所示［9］：使用二維磁光阱技術提供冷原子源，并輸送到三維磁光阱中，進一步使原子冷卻，原子數在108量級，溫度在2 μK左右；之后關閉磁光阱使原子自由釋放，在原子下落過程中，經過原子的選態、干涉和探測后，原子布居數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

原子干涉操控過程構成了馬赫-曾德爾干涉儀，干涉序列由π／2 -π -π／2 三個拉曼子脈沖組成，使波函數發生分束、反射和合束，實現原子的物質波干涉。原子末態布居數比例P為：

式中：C——干涉條紋對比度；ΔΦ——干涉儀相移。

如果不考慮重力梯度的影響，相移ΔΦ 的表達式為：

具體實驗上，可以通過改變α調制干涉儀相位，掃描出整個干涉條紋，對條紋擬合就可以得到重力值。利用原子的量子干涉實現重力測量，相比于使用宏觀質量體作為敏感單元的方法，具有如下優點：

1）溯源性好。利用原子能級躍遷頻率與被測物理量對應關系進行重力測量，具有自校準、易復現等特性。操控激光始終與原子譜線鎖定，不會隨設備的工作而漂移；

2）分辨力高。由于冷原子物質波波長短，可以達到極高干涉測量精度，目前冷原子重力測量技術在實驗室實現的分辨力最高可達10-12量級，遠超現有重力最高計量標準；

3）小型化潛力大。原子尺度微小，可實現高度集成化。原子芯片、新型磁光阱真空等技術的發展使背包級原子干涉系統的實現成為可能；

4）具備動態測量能力。近幾年來，冷原子絕對重力儀的動平臺測量可行性得到驗證，其在測量精度、準確度以及動態測量方面推進重力測量技術的提升，將對傳統海空重力測量技術體系產生顛覆性變革，具有廣泛應用。

3 冷原子重力儀的系統組成和發展趨勢

冷原子重力儀是量子精密測量技術領域的代表，涉及諸多關鍵技術，包含激光產生和控制、超高真空制備與維護、磁場精密控制、精密電子電路等。冷原子重力測量系統的框架和組成如圖2 所示［10，11］：冷原子的產生、操控和探測均需在超高真空環境中進行，對真空度和剩磁提出要求；原子制備操控均需要用激光實現，對激光的波長、功率、偏振、光斑以及開關速度和關斷比等提出要求［12］；控制系統用于提供各個子系統、儀器、外設的運轉和通信，以期實現無人值守測量；振動抑制系統是核心部分，用來抑制外界環境振動噪音對高精度重力測量的影響，是決定重力測量性能的關鍵；最后，為了修正系統誤差，保證測量準確性，并監測系統運轉狀態，還需要用到氣壓計、傾斜儀等多種輔助設備。

3.1 真空系統

冷原子重力儀的測量在真空系統中實現，真空系統由主真空腔、磁屏蔽、線圈等組成。真空度要達到10-7Pa 甚至10-9Pa 的超高真空，以減小對原子壽命和拉曼光波前的影響。實驗室冷原子重力儀的代表是斯坦福大學［13］和中科院數物所［14］的10 m噴泉冷原子測量裝置，斯坦福大學研制的裝置如圖3 所示，最大自由演化時間達秒量級，慣性物理量測量精度得到數量級的提升。

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

之后，為滿足可搬運測量需求，各個研究小組開展集成化真空系統研究，里程碑工作有兩個：第一個工作是從噴泉式冷原子重力儀發展到自由下落式［15］，真空腔體積得以縮小，重力敏感探頭尺寸降低，儀器可靠性和穩定性得以提升。同時激光功率要求最高的冷卻激光可以由同一個聲光調制器產生，相應激光光路系統和配套電控系統得以簡化。

第二個工作是使用新型磁光阱技術研制小型真空腔。為替代傳統結構磁光阱，發明了金字塔磁光阱技術［16］和光柵磁光阱技術［17］。金字塔磁光阱僅使用一束冷卻光就可以構成三維冷卻激光束縛配置，且通過巧妙設計使激光偏振自動滿足要求，使真空腔結構復雜性顯著降低。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240 mW 的DBR 激光器提供了全部激光，對工程應用極為有利。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真空腔中，構成“單激光束”冷原子重力儀［18］，Landragin 小組實現了6 μGal 的重力測量分辨率，受限于環境振動。

圖4 金字塔重力儀示意圖Fig.4 Schemetic diagram of pyramid structure atomic gravimeter

真空系統工程應用的最大障礙是加工周期長。針對此，美國斯坦福大學開展了微晶玻璃真空系統制備技術研究［19］，使用可大規模加工、成熟可靠的微晶玻璃材料替代傳統金屬材料，用膠黏方法替代傳統機加工，使周期顯著縮短，具有重要實用價值。斯坦福大學研發的多軸冷原子干涉儀就是用微晶玻璃結合特別的膠黏工藝實現的，真空度達到10-7Pa，加工周期短至1 個月，相比于傳統真空腔技術，還具有無渦流、光學通道豐富、低成本等優點。

3.2 激光系統

利用冷原子的量子干涉實現重力測量，對激光性能要求極高，比如激光功率波動小于0.5%，頻率穩定性好于10-9、具備頻率功率快速調諧能力，超低激光相噪以及同步控制等，這需要巧妙設計和高超手段配合實現。

受大功率激光技術和光電器件發展水平限制，在早期研究階段，激光系統一般使用多臺激光器和放大器實現，利用空間光分束合束、平臺耦合等方式完成功率分配、開關控制和頻率調諧，整個系統平鋪在10 m2大小、一兩噸重的光學平臺上，基本上沒有現場測量的能力。

激光系統的第一個突破是從平臺光路升級到小型化“平板式”光路，整個光路被集成在一個可搬運光學平板上。綜合考慮激光移頻、鎖頻及激光傳輸分配方案，并利用激光分時復用技術，使激光器和光纖數量減少；研發小型器件替代傳統光學器件；光路結構緊湊以減小系統尺寸。中科院數物所冷原子干涉測量裝置的平板式激光系統如圖5 所示［20，21］，整個激光光路安裝在0.4 m2的光學平板上，光電控制機柜總重100 kg。這種小型化平板光路使冷原子重力儀的體積、重量等指標得以有效提升，但是沒有脫離傳統光路的范疇，仍存在易受外界振動和溫漂等因素影響導致無法長期測量問題，需要定期維護，不利于冷原子重力儀的實際應用。

圖5 小型化激光系統實物圖Fig.5 Physical picture of miniaturized laser system

第二個突破是光纖激光技術的使用。得益于光纖激光器和光纖器件的發展，目前利用光纖激光器倍頻產生大功率780 nm 激光輸出的技術趨于成熟，并在冷原子重力儀中得到應用［22］。具體方案如下：使用光纖激光器輸出種子光，具有調諧范圍大、抗干擾能力強等優點，且其波長反饋模型單一，利于自動化鎖頻技術的應用，有助于無人值守重力測量的實現；種子光經過多級光纖放大后，用倍頻晶體倍頻，效率在30%左右，激光輸出功率在2 W 以上，單臺激光器即可滿足整個重力儀使用。配合成熟的光纖器件，包括光纖調制器、光纖開關、光纖耦合器等，有望實現基于全光纖器件的激光系統，這將大幅度提升系統的環境適應性和可靠性，加速冷原子重力儀的實際應用進程。

4 冷原子重力儀的研究現狀

4.1 國內外現狀

1991 年，美國斯坦福大學Steven Chu 團隊利用鈉原子作為測量介質進行絕對重力測量，實現了第一臺冷原子重力儀。1999 年，Peters 等人使重力測量精度大幅提升［28］，并與FG5 進行比對，表明原子系統的測量不確定度可達到7 μGal。冷原子干涉技術也拓展到重力梯度測量領域，于2008 年實現了測量樣機，重力梯度測量靈敏度達到30 E／Hz1／2，是目前冷原子重力梯度儀的最高水平。

國際上眾多研究機構也積極開展冷原子重力測量技術研究，包括德國洪堡大學、法國LNESYRTE、法國宇航局、美國Berkeley 等。

作為BNM 瓦特天平計劃的一部分，LNESYRTE 小組基于其已有的原子鐘技術，利用自由下落Rb 原子進行絕對重力測量［29］。2009 年，第八屆國際絕對重力關鍵比對中，LNE-SYRTE 的CAG-1是第一個參加重力國際對比的冷原子重力儀，開啟了冷原子重力計量領域的先河。德國洪堡大學研制的GAIN，控制系統集成在19 英寸機柜中［30］，可以裝載在小型卡車上，運輸到不同的測量位，實現可搬運測量。美國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構［18，31］，同時研制了小型化光路，僅使用一臺激光器就提供全部激光。

2004 年，美國斯坦福大學成立了AOSense 公司，研發并銷售冷原子重力儀及相關器件，其在2010 年交付國際上第一臺商業冷原子重力儀，因AOSense 主要服務于美國軍方，其儀器指標不公開。法國Muquans 公司于2011 年成立，并在2018 年交付重力儀產品，采用金字塔真空腔以及光纖光路設計，并使用補償隔振技術抑制環境振動，在實驗室環境實現了50 μGal／Hz1／2的重力測量靈敏度，測量穩定性達到微伽量級，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和重力測量探頭組成，如圖7 所示。最近，Muquans 公司利用最新產品展示了量子重力儀在世界上第一個用于監測和研究火山的應用，進行了為期四個月的連續測量。

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

國內冷原子重力儀主要研究機構有華中科技大學、中國計量院、浙江工業大學、中科院武漢數物所、國防科技大學、船舶集團717 所、北京長城計量測試技術研究所等。其中，華科采用原子上拋方案［8］，使用性能優異的隔振系統，重力測量靈敏度達到4.2 μGal／Hz1／2，測量不確定度達到3 μGal。計量院重力基準實驗室的NIM-AGRb-1［9，32］，采用原子下落方案，測量靈敏度達到44 μGal／Hz1／2，測量不確定度達到5.2 μGal。浙工大更注重工程化應用和動態測量領域［33］，是國內首次開展船載動態重力儀驗證試驗的單位，該小組的原子重力儀先后多次進行搬運實驗，系統穩定性較好，測量不確定度達到19 μGal。數物所比較注重系統的小型化和集成化［34］，其抽屜式光學系統集成度較高，重力測量不確定度達到7.6 μGal。國防科大采用原子噴泉方案搭建樣機［35］，測量靈敏度達到51 μGal／Hz1／2，其在自動鎖頻和拉曼光強比控制等方面開展了實驗研究。船舶集團717 所采用自由下落方案，使用補償隔振技術抑制振動噪音的影響，其在工程化、環境適應性等方面具有優勢。航空工業計量所研制了CIMM-G1 噴泉式冷原子重力儀樣機，長期穩定性測量結果如圖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，同時注重小型化和工程化技術積累，研制了可搬運重力儀樣機，并已經服務于重力計量。

圖8 長期穩定性測量數據圖Fig.8 Long term stability measurement data graph

國內外主要研究機構冷原子重力儀技術指標進行了對比，如表1 所示。與國際最高水平相比，國內存在的問題和差距如下：

表1 國內外主要研究機構的冷原子重力儀指標對比Tab.1 Comparison of indicators of cold atomic gravimeters from major research institutions

1）重要設備依賴進口，制約了基礎學科發展，還有受制于人的可能；

2）關鍵技術諸如基于單光源的重力探頭設計制作、全光纖器件光路集成技術等掌握不足，目前已有的小型化樣機與國外先進技術差距較大；

3）技術創新能力不足，雖然在具體技術應用和重力測量精度上取得了較大進展，但在測量技術路線和測量方案上，相比國外缺乏大的創新。

國內的冷原子重力測量技術研究相比于歐美主流發達國家起步較晚，面向實際應用研究的發展也較為落后，目前工程化樣機離國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指標已經處于世界第一梯隊，需要在加強國產化設備應用、加快關鍵技術突破、加速工程技術積累、加強方案創新等多方面發展，為實現國際最高水平的冷原子重力儀奠定基礎。

4.2 動態絕對重力儀現狀

4.2.1 車載絕對重力儀

Müller 小組［31］和林強小組［36］開展了車載冷原子重力測量試驗。Müller 小組的冷原子重力儀的靜態穩定性為2 μGal 左右，車載實驗測量路線全長約7.6 km、高度變化約400 m。林強小組的車載平坦測量路線如圖9（a）所示，單次測線約2 km，內符合精度約30 μGal，重力測量現場如圖9（b）所示。遺憾的是，Berkeley 和浙工大的車載重力測量實驗均采用間斷測量方式，并未給出移動測量時的性能指標。2021 年，林強小組將重力儀安裝在穩定平臺上，模擬車載動態環境，實現了動態重力測量［37］，分析了垂向振動對條紋對比度的影響，在最大牽引速度5.5 cm／s、最大振動幅度0.1 m／s2情況下，仍能恢復原子干涉條紋。

圖9 林強小組車載重力測量試驗圖Fig.9 Lin Qiang group's in vehicle gravity measurement experiment

4.2.2 船載絕對重力儀

2015 年，法國Bidel 小組率先使用六維位移臺模擬了海況，隨后在真實海上航行環境開展了絕對重力測量試驗，這是冷原子重力儀邁向實際工程應用的里程碑突破［38］。其在實驗室條件的測量靈敏度為0.8 mGal／Hz1／2，主要受振動補償石英加速度計性能限制，測量分辨率可以達到60 μGal，利用玻璃真空腔豐富的光學通道、快速裝載技術等，使單次測量時間縮短到0.1 s。測繪船航速為8～11 海里／h，將冷原子重力儀與航海重力儀KSS-32M 進行對比，發現即使在惡劣的6 級海況條件下，二者的差異也小于1 mGal，試驗裝置如圖10 所示。2020 年，浙工大林強小組開展了船載系泊條件下的動態重力測量試驗［39］，整個系統安裝在集裝箱內部，方便運輸、并提供適宜環境。將集裝箱吊裝到輪船上，船只處于系泊狀態，重力測量靈敏度為16.6 mGal／Hz1／2，2 周連續測量的重力值變化在0.5 mGal。2022 年，林強小組開展了海上航行條件下的動態絕對重力測量試驗［40］，最大航速為22.6 km／h，瞬時最大振動噪音接近0.2 m／s2，為了抑制惡劣環境對測量的影響，引入擴展卡爾曼濾波算法，使測量靈敏度相比于傳統方法獲得成倍提高。

圖10 法國的船載原子重力測量試驗圖Fig.10 Shipborne atomic gravity measurement experiment in France

4.2.3 機載絕對重力儀

2011 年，法國將冷原子加速度計裝載到Airbus飛機上，如圖11 所示，在標準重力和微重力兩種狀態進行了原子加速度測量試驗，是冷原子干涉儀首次在機載動態條件下開展研究的工作［26］，受限于機載強振動條件，原子加速度測量靈敏度為20 mGal／Hz1／2。2020 年，Bidel 小組在北大西洋冰島使用雙水獺飛機完成了國際上首次機載冷原子絕對重力測量試驗［41］，重力探頭高約半米，安裝在慣性穩定平臺上，并安裝減震器以降低高頻振動、轉動。飛行速度為76 m／s 以減小振動和E?tv?s 誤差，通過多次重復測繪飛行，并與地面重力數據對比，內符合精度為3.9 mGal，外符合精度為6.2 mGal。法國的機載動態測量試驗表明了其替代航空相對重力儀的潛力。機載絕對重力儀的實現難度很高，到目前，法國仍然是唯一掌握機載冷原子絕對重力測量技術的國家。

圖11 法國機載冷原子絕對重力測量試驗現場圖Fig.11 Airborne atomic interference measurement experiment in France

4.2.4 星載絕對重力儀的可能性

目前，常用的重力測量方法有地面固定基站、船載、機載以及星載等。其中衛星重力探測是近年來發展起來的新型重力探測技術，其發展和應用是大地測量領域繼全球定位系統發明后的巨大成功。NASA 和DLR 聯合研制的GRACE 地球重力衛星的主要研究課題之一是檢測出全球海洋及其環流等伴隨質量隨時間變化對重力場的影響，基于這種思想，地球上發生的任何質量遷移所產生的各種物理現象，原則上都可以通過重力變化檢測出來，這對地球科學將帶來革命性影響［42］。

從技術發展趨勢上看，衛星跟蹤衛星（SST）星間測距系統是衛星重力探測的主要方向。SST 根據衛星的星間距離、距離變化速度和加速度，并使用高精度靜電加速度計排除非重力加速度，就可以解算出兩個衛星所處位置重力勢的差而獲得重力圖。當前限制SST 重力衛星的最重要因素是加速度計載荷的性能，靜電加速度計雖然有較高的短程靈敏度，并能適應發射和太空環境，但它是一種相對測量方式，存在不可控的熱漂移和標度因子變化，限制了重力信號探測精度［43］。

冷原子重力儀已經實現了地表和機載條件下的高精度重力測量，地面測量靈敏度已達到0.1 μGal／Hz1／2。當應用于空間微重力環境，對應測量靈敏度可提升100 倍以上。冷原子干涉儀是一種絕對測量方式，可以避免傳統加速度計的熱漂移和標度因子變化問題，是未來重力衛星發展的重要方向。2019 年，德國Petro 小組探討了冷原子傳感器在GRACE 式重力衛星上的應用方案并對其性能進行仿真評估［44］，采用冷原子加速度計對靜電加速度計進行校準，具有不隨時間漂移的觀測穩定性，對GRACE 和Bender 衛星重力平臺情形進行了噪聲分析評估，結果表明，使用混合加速度計，可以大幅度降低重力的解算誤差。

4.2.5 發展分析

實時實地的進行動態重力測量對地球物理和慣性導航都有著重要意義，目前占主導地位的動態重力儀是相對重力儀，存在長期漂移，需要定期在靜態條件下使用絕對重力儀校準維護，并規劃復雜的交疊航路歸算系統漂移，以確保測量信號可信，這對測量效率和測量準確性造成嚴重限制。為解決上述問題，基于冷原子干涉原理的動態絕對重力測量技術逐漸發展起來。

冷原子動態重力測量的早期工作主要是可搬運靜態測量或者準動態測量，比如最早的車載試驗采用‘stop go’測量方式，即運輸時不測量，停車靜止后測量，或者使用極低的車速進行準動態測量［45］。對于航空或者海洋應用［46］，機艙或船艙內的振動噪聲可到（1～5）m／s2，其中機載環境下的位移和角度變化如圖12 所示，氣流、海浪等環境因素導致載體姿態變化高達5（°）／s，在惡劣海況下，海浪高度高達幾米，而載體的高度、姿態和運動狀態會造成顯著的E?tv?s 效應，導致高達100 mGal 量級的重力測量偏差，此外，載體環境對電磁兼容性的要求更高，且溫濕度條件一般不能保證，比如冬季機載環境溫度可低至-20 ℃，海洋高濕度環境可能會對儀器造成腐蝕等，這些因素均對冷原子重力儀由實驗室環境邁向動態應用造成極大障礙。

圖12 機載環境下位移和角度變化曲線圖Fig.12 Translations and rotations magnitude under airborne conditions

對載體動態環境下的振動噪聲處理是動態重力測量的難點和重點。在實驗室靜態條件，可采用主被動隔振技術抑制地面振動影響，但是都難以推廣到動態測量。對此，法國巴黎天文臺研究組提出了一種振動噪音修正技術，可以滿足動態環境使用需求，機載冷原子重力測量使用了此技術：首先對原子干涉信號測量結果進行分析，解算出條紋的偏振和幅度信息，后根據傳統加速度計粗測拉曼反射鏡的加速度，得到原子中心相位大小；最后根據加速度計測量結果的積分和傳函變換，對外界振動干擾相位進行修正，形成傳統加速度計和原子加速度相結合的“混合”測量，此時載體的運動加速度從復合測量結果中可以直接導出。

提升儀器的測量頻率也是實現動態絕對重力測量難點和重點，可以用冷原子重力儀與傳統加計結合的方式減少測量死區；通過優化磁光阱參數等降低原子俘獲時間；設計合理的真空腔和線圈結構，降低磁場關斷延遲的影響；使用豎直探測替代水平探測，降低探測時間等。此外，測量單次循環極限時間為2 倍自由演化時間，為了應對載體振動和轉動對干涉條紋的影響，還需要在測量精度和單次測量時間兩個方面進行取舍。

目前已經實現了亞毫伽精度的船載、機載冷原子絕對重力測量，已經優于常用的相對重力儀，但還未實現真正的車載冷原子絕對重力測量，這與人們認為車載環境更好、動態試驗驗證更容易的直覺相違背。已有的車載動態試驗僅在1 cm／s 的極低速度下取得了可用測量數據，根據相關文獻，車載、船載、機載條件下的振動大小分別在0.01 m／s2，0.1 m／s2，1 m／s2量級，機載振動環境最為惡劣，船載次之，所以振動噪音不是導致車載動態試驗難以實現的主因。航空工業計量所使用組合慣導系統測量了車載條件下的振動大小和姿態變化，發現車載姿態變化頻率較高，而現有姿態穩定平臺不容易滿足車載條件下姿態維持需求，根據文獻中的分析［47］，原子干涉儀感受到的角速度變化會導致物質波干涉的退相干，使干涉條紋對比度降低，所以車載環境下的劇烈姿態變化可能是導致車載動態重力測量無法實現的主要因素，需要進一步探索。

4 結束語

在使用激光冷卻與陷俘技術實現冷原子后，先后有兩次諾貝爾物理學獎授予在冷原子物理研究領域，基于冷原子物理的基礎科學和應用研究飛速發展，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重力儀，具有自校準和精度高的特性，相比于傳統激光干涉絕對重力儀具有測量速度快、無機械磨損等優點，經過30 余年的理論創新和技術積累，冷原子重力儀已經從原理樣機研制邁入到實際工程應用階段，測量方案、激光產生和操控、電子電路和自動化控制、真空制備和維護、姿態穩定和控制等相關技術方法的成熟度逐漸提高，目前已經開展了大量的可搬運測量試驗，參加了國際絕對重力比對，并在動平臺條件下實現了應用。

冷原子重力儀是一種絕對重力測量裝置，基于冷原子干涉原理方案的靈活性，以及小型化真空技術、全光纖激光技術和嵌入式控制技術的發展，冷原子重力儀在測量精度、空間分辨力、環境適應性、動態測量等方面的測量性能穩步提升，有望成為下一代高精度絕對重力測量儀器，變革當前重力測量技術體系，在重力基準維護、地球物理研究、資源勘探、軍事偵查、無源慣性導航等多個領域，在研究實驗室、重力臺站、車載、船載、機載乃至星載等多個場景得到廣泛應用。