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1、ICS17.100CCSA53中华人民共和家标准GB/T437402024原子重力仪性能要求和测试方法Requirementsandtestmethodsforperformancesoftheatomgravimeters2024-03-15发布2024-10-01实施国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会目次前言II范围12规范性引用文件13术语和定义14原子重力仪的组成与分类25性能要求46测试方法4附录A（资料性）原子重力仪测量不确定度评定方法11附录B（资料性）原子重力仪动态测量改正方法13参考文献15前言本文件按照GB/T1.1-2020标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和
2、起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国量子计算与测量标准化技术委员会(SACC578)提出并归口。本文件起草单位：中国计量科学研究院、浙江工业大学、华中科技大学、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学技术大学、中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所、中国空间技术研究院、科大国盾量子技术股份有限公司。本文件主要起草人：庄伟、林强、胡忠坤、王谨、陈帅、王宇、冷哈阳、文惭、吴书清、肖毅。原子重力仪性能要求和测试方法1范围本文件规定了原子重力仪性能指标要求，描述了原子重力仪性能指标的测试方法。本文件适用于不同原子重力
3、仪的性能评价和测试。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T23717.22009机械振动与冲击装有敏感设备建筑物内的振动与冲击第2部分：分级3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1原子重力仪atomgravimeter基于原子的物质波干涉原理实现重力加速度绝对值测量的仪器。注：原子重力仪又称为原子干涉重力仪、原子干涉绝对重力仪、量子重力仪等。3.2测不确定度measurementuncertainty表征原子重力仪测量重
4、力加速度准确性的非负参数。注：单位为米每二次方秒向回。来源：JJF100l2011,5.18,有修改3.3短期灵敏度short-termsensitivity表征原子重力仪对重力加速度变化响应能力的参数。注：用于衡量原子重力仪短时间（如100S以下）测量噪声，单位为米每二次方秒赫兹平方根唧（铲山切。3.4长long-te1111stability表征原子重力仪保持其计量特性随时间恒定能力的参数。注：用于衡量原子重力仪长时间（100s以上）变化，与测量时间有关，单位为米每二次方秒（哂。3.5测量且复性measurementrepeatability表征原子重力仪对某点位重力加速度进行开关机多次测
5、量，所得测量结果的一致性。注：单位为米每二次方秒（m礴。3.6分辨力resolution表征原子重力仪能测量的重力加速度的最小变化。注：单位为米每二次方秒(m)3.7测量范围measuringrange表征原子重力仪能测量的重力加速度的量值范围。注：原子重力仪的测量范围涵盖地球表面的重力加速度变化，即9.77ms2983ms2,单位为米每二次方秒(ms2)o3.8重复频率repetitionrate表征原子重力仪测量重力加速度快慢的参数。注：测量循环时间的倒数，一般适用于动态测量条件，单位塌兹回。3.9内符合精度internalconsistencyaccuracy以估计的最似然估值为比对基准
6、，主要反映观测值之间的离散度，是表征原子重力仪精密度的非负参数。注：般适用于动态测量条件，单位为米每二次方秒(m的。3.10交叉点偏差crossingpointdeviation重力测量工区内，同一测线与其他所有相交测线交点位置的绝对重力值，经各项改正后绝对重力值的整体偏差。注：般适用于动态测量条件，单位为米每二次方秒(m矜。来源：DZ/T03562020,3.1.2,有修改3.11动态工作范围dynamicworkingrange原子重力仪能正常工作时，其载体运动加速度的变化范围。注：一般适用于动态测量条件，单位为米每二次方秒(m%4原子重力仪的组成与分类4.1原理原子重力仪是一种基于原子干
7、涉测量原理的重力测量仪器，它利用自由下落的微观原子对重力场的敏感性，结合原子干涉法来进行重力测量。两个不同相位的原子波包会形成干涉、呈现干涉条纹。通过对干涉条纹相位的提取，能够得出原子感受到的重力场信息。如果原子不受任何外力、不考虑重力场的作用时，马赫-增德尔型原子重力仪的干涉环路如图1中的平行四边形实线所示，原子依次与兀/2-“-n/2三个操控激光脉冲作用，形成干涉环路，两路原子没有路径差，干涉条纹的相位差为零。考虑重力的影响后，原子将沿图1中所示的抛物虚线运动，两路原子将会有一定的路径差，干涉条纹相位将发生一定的移动。图1原子重力仪测原理通过路径积分可求解出重力场中原子干涉条纹的最终相位，
8、按照公式(1)计算原子干涉条纹的相fi:p=kgT(1)式中：原子干涉条纹的相位，单位为弧度(md);ke操控激光的等效波矢，单位为弧度每米(radm);g重力加速度，单位为米每二次方秒(ms2);T两个操纵激光脉冲之间的间隔，单位为秒。4.2陲原子重力仪主要包括真空物理单元，光学单元、电路控制单元、振动处理单元以及数据输入输出及显示单元等组成部分，其中真空物理单元包括冷原子制备单元、原子干涉与信号探测单元两部分，如图2所示。图2原子重力仪的构成4.3原子力仪的分类原子重力仪按照工作原理和应用场景可分为不同的种类。a)按照原子干涉路径的操纵方式，可分为： 拉曼跃迁型原子重力仪，这种比较常见，是
9、基于原子的受激拉曼跃迁原理实现物质波分束、反转和合束等操作，完成原子干涉过程； 布拉格衍射型原子重力仪，基于原子的布拉格衍射原理实现原子干涉操作，由于多光子能量转移而具有更大的干涉相移； 布洛赫振荡型原子重力仪，基于囚禁光晶格内原子的布洛赫振荡原理实现原子干涉过程，具有体积更小的潜在优势。b）按照使用场地和环境条件，可分为如下两类。 静态型原子重力仪，是指原子干涉仪在静置不动的状态下工作。静态型原子重力仪又可分为台站式原子重力仪、流动式原子重力仪两小类。台站式原子重力仪长期在一处固定的台站工作，工作环境良好，应具备优异的性能。流动式原子重力仪可在不同的测量地点工作，具有较好的环境适应性。 动态
10、型原子重力仪，是指原子干涉仪在连续移动的状态下工作。动态型原子重力仪的载体可为陆地车辆、水面或水下航行器、航空器等。动态型原子重力仪应具备极好的环境适应性和较快的重复频率。5性能要求典型原子重力仪应满足表1规定的性能要求。表1典型原子重力仪性能指标要求序号性能指标要求测试方法静态型动态型台站式流动式测量不确定度WK)HGal100Gal见6.2.12短期灵敏度100“Gal/Hz1mGal/Hz20mGal/Hz见6.2.23长期稳定度W3UGal30(l见6.2.34测量重复性W5UGal50HGal见6.2.45分辨力3JGaI30口Ga见6.2.56重复频率22Hz见6.2.67内符合精
11、度-2mGal见6.2.78交叉点偏差3mGal见6.2.89动态工作范围21.511s2见6.2.9注：1Gal=108ms2,lmGal=l511s20与时间有关，本数据对应时间为100OS以上。b载体移动速度大于0.lms6测试方法6.1 测试条件6.1.1 IB感型测试环境条件台站式测试环境条件： 振动噪声达到或者优于GB/T23717.22009中VC-C的要求； 温度范围20C30,波动小于2; 相对湿度范围40%70%; 环境不应有影响测试工作的电磁场干扰源。流动式测试环境条件： 振动噪声达到或者优于GB/T23717.22009中VC-A的要求； 温度范围T838; 相对湿度范
12、围10%80%;一一环境不应有影响测试工作的电磁场干扰源。6.1.2动态型测试条件船载动态测试条件： 海况等级不大于4级海况；船只航行速度不大于12knlkn=(18523600)mso机载动态测试条件： 无强对流、磁暴天气；一一高度控制偏差小于10m车载动态测试条件： 路面极限最小平面曲线半径大于125m; 最大纵坡小于6%; 转弯角度小于15(测试路面转弯时，转弯前后道路夹角)。6.2漏试方法6.2.1 测不确定度6.21.1蒯测量不确定度的评定包括A类评定和B类评定，两者之和为合成不确定度。A类评定表示用统计分析的方法进行的不确定度分量的评定。B类评定表示针对原子重力仪系统内各种物理因素
13、以及外界环境因素对重力测量的影响进行分析、实验得到的不确定度分量的评定，将各不确定度分量合成为总的B类不确定度。A类不确定度与B类不确定度合成为测量不确定度。原子重力仪应给出测量不确定度评定报告，方法见附录A。测量不确定度可以用示值误差进行验证。在规定条件下，利用重力加速度标准装置或标准点位，得到原子重力仪测量结果与相应参考值之差，即为示值误差。示值误差的绝对值应不大于测试合成标准不确定度的2倍。根据实验设备条件，选择重力加速度标准装置或重力加速度标准点位测试示值误差。6.2.1.2重力加速度标准装涌试示值误差利用重力加速度标准装置进行示值误差测试示意图见图3。标引序号说明：g重力测量值；g,
14、重力参考值图3重力加速度标准装置测试示值误差测试步骤：a)将被测原子重力仪和重力加速度标准装置分别安放在指定测量点位上，安装调试，充分预热；b)同一时段，原子重力仪和重力加速度标准装置开始启动重力加速度测量，分别得到测量结果，进行固体潮、重力梯度等修正后，得到测量点位绝对重力测量值g、和参考值g.;c)进行3次以上重复测量，每次测量需更换测量点位后重新装调，得到多个测量结果g、和g(j=1,2,3.);d)用N次测量结果差值的算术平均值，按照公式计算示值误差6g：，乂K),N3J=1,2,.,N(2)式中：g示值误差，单位为米每二次方秒(ms2);N测量次数；g(第j次的测量重力值，单位为米每
15、二次方秒(ms2);g!第j次的参考重力值，单位为米每二次方秒(m/s)示值误差测试不确定度u(6g)由原子重力仪测量不确定度u(g、)和重力加速度标准装置测量不确定度u(g,)合成，按照公式(3)计算示值误差测试不确定度Ugg):u(g)=u2(gx)+u2(g)(k=l)(3)式中：u(g)示值误差测试不确定度，单位为米每二次方秒(ms2);u(gx)原子重力仪测量不确定度，单位为米每二次方秒(ms2);u(gr)重力加速度标准装置测量不确定度，单位为米每二次方秒(m/s)其中k=l表示标准不确定度。示值误差测试结果g应小于扩展不确定度u(6g)(k=2),对应置信概率95.45%,即2u
16、(6g)(k=l),用以验证原子重力仪测量不确定度评定的合理性。6.2.1.3重力加速度标准点位测试示值误差利用重力加速度标准点位进行示值误差测试示意图见图4。标引序号说明：g,重力测量值；g,重力参考值。图4重力加速度标准点位测试示值误差测试步骤：a)将原子重力仪安放在重力加速度标准点位上，安装调试，充分预热；b)原子重力仪开始启动重力加速度测量，得到测量结果，进行固体潮、重力梯度等修正后，得到标准点位绝对重力值gx,标准点位需要修正测量时间内重力加速度随时间的变化量，得到绝对重力参考值g.;c)进行3次以上重复测量，每次测量需更换标准点位后重新装调，得到多个测量结果g、和g(j=l,2,3
17、.);d)测量结果计算示值误差同公式(2)。测试合成标准不确定度同公式(3)。示值误差测试结果应小于扩展不确定度。6.2.2 短期灵敏度利用原子重力仪标准装置进行短期灵敏度测试示意图见图5。标引序号说明：gx重力测量值。图5短期灵敏度测试示意图测试步骤：a)将原子重力仪安放在指定测量点位上，安装调试，充分预热；h)原子重力仪开始启动重力加速度测量，连续测量(超过1500s),得到测量结果，进行固体潮、重力梯度等修正后，得到测量点位的多个绝对重力值gx;c)按照公式(4)计算测量结果差值的阿伦标准差。(r):式中：og(r)连续测得绝对重力值g、的阿伦标准差，单位为米每二次方秒(ms2);GB-
18、T437402024取样时间，单位为秒(三)；N一一测量结果的总个数；g、(r)!时间内的测量结果差值的平均值，单位为米每二次方秒(ms2).对阿伦标准偏差数据进行线性拟合，得到拟合斜率X,即为原子重力仪短期灵敏度，单位为米每二次方秒赫兹平方根m(s2YHz)o6.2.3 长期稳定度利用原子重力仪测量重力加速度，计算测量结果的阿伦标准偏差，评估特定测量时间对应的阿伦标准偏差值，即为稳定度，稳定度需要标注对应的测量时间。测试步骤同6.2.2,示意图同图5。阿伦标准偏差计算同公式(4)。计算测量结果差值的阿伦标准偏差，取样时间和取样组数宜符合表2的规定。表2取样时间和取样组数取样时间取样组数100
19、0S21510000s1d2152156.2.4 2.4测量重复性原子重力仪多次开关机测量点位重力加速度，进行固体潮、重力梯度等修正后，得到测量点位多个绝对重力值g(j=l,2,3.),按照公式计算测量值的标准差，即为测量重复性：(-V)式中：R测量重复性，单位为米每二次方秒(ms2);N测量次数；g第j次测量得到的绝对重力值，单位为米每二次方秒(m/s2)。6.2.5分辨力6.2.5.1 峻分辨力测试方法包括但不限于引力源标定法、重力梯度法和潮汐跟随法等，针对不同的应用场景，可选择不同的方法进行测试。6.2.5.2引力源标定法针对超高分辨力测试需求，可采用基于万有引力定律的直接引力源标定法检
20、验重力仪分辨力。测试步骤如下。a)原子重力仪放置在吸引质量附近进行连续重力观测，观测时间取决于原子重力仪性能，一般应长于达到其分辨力极限所需测量时间。测量数据进行潮汐、气压、极移等环境因素修正后进行统计，计算平均值g：和对应标准差。b)改变吸引质量位置，重复步骤a),获得第二组测量值g?、o2Oc)计算两组测量值的差值，2gm=g-g2,=7i+o.d)根据万有引力定律计算由于吸引质量位置改变在重力仪中应引入的加速度观测值改变量Agee)比较Agm和4g0,两者应在误差范围内吻合，用此方法可直接测试原子重力仪分辨力。0调制步骤b)中吸引质量位置改变量，重复步骤a)d),当Agm=Oi+2时，对
21、应的g。为被测重力仪的分辨力极限。6.2.5.3重力梯度法针对室内台站环境，可利用垂直重力梯度引起的不同高度重力值差异进行评估。测试步骤：a)原子重力仪放置在重力标准点位进行连续重力观测4h6h,测量数据进行潮汐、气压、极移等环境因素修正后，每半小时观测数据归为一组，其平均值记为x;,i=123,.所有组的平均值记为X,按照公式(6)计算组间标准差。：Q1(6)*M-1式中：。，组间标准差，单位为米每二次方秒(ms2);x;第i组观测数据平均值，单位为米每二次方秒(ms5x8所有组的平均值，单位为米每二次方秒(ms2);n观测总组数。b)标准点位的重力梯度值记为丫，将原子重力仪抬高h(单位为厘
22、米)后，重复上述观测，得到对应的y;、丫4、oy,测量结果需要满足lx。-y。Ma(o,oy),用以测试原子重力仪的分辨力6.2.5.4潮汐跟随法针对室内台站或野外测量场景，可利用原子重力仪追随潮汐改变的能力来表征分辨力。测试步骤：a)在大潮期间固体潮变化速率快的时段，原子重力仪每十分钟的平均重力观测数据记为1组，为R,i=l,2,3,.,n-1(不少于6个)；b)对应每组重力观测值R,同一时刻的固体潮理论值，记为观测值应随固体潮理论值同步递增或者递减。定义比例系数：K,=(R+l-R1)(Tl+1-T),需要满足0.5K1,5,用以测试原子重力仪的分辨力。6.2.6重复频率测量被测原子重力仪
23、得到单次测量结果所需时间，其倒数即为重复频率，按照公式(7)计算重复频率f.:f.=lTf(7)式中：f.重复频率，单位为赫兹(Hz);To单个测量值所需时间，单位为秒。6.2.7内符合精度针对动态绝对重力测量场景，通过内符合精度指标评估原子重力仪数据离散程度，表征仪器的精密度。测试步骤：a)使用原子重力仪进行动态重复测线重力测试并计算每次重复测线的重力测量结果，测量结果需要进行动态改正，包括仪器B类评定项、动态环境评定，方法见附录B;b)记录重复测线公共段数据点的测量结果F,计算该测量结果与平均值F,的差值3；的标准差，即为内符合精度，按照公式计算内符合精度E：式中：e内符合精度，单位为米每
24、二次方秒(ms2);5；第j条重复测线公共段各点测量值F,与该点各重更测线观测的平均值F;之差，单位为米每二次方秒(ms2);m重复测线的数目；n重复测线公共段数据点数。6.2.8交叉点偏差交叉点偏差使用动态重力测网的方法进行测试评估。测试步骤：a)使用原子重力仪进行动态交叉网格测试，并计算交叉网格的测线重力值；b)计算交叉网格中每一个测线交叉点的测线重力值的差值5,其标准差即为交叉点偏差，按照公式(9)计算交叉点偏差e:V2”式中：e。交叉点偏差，单位为米每二次方秒(HVS2);交叉点处测线重力测量结果差值，单位为米每二次方秒(ms2);n交叉点数。6. 2.9动态工作范围动态工作范围是原子
25、重力仪能够正常工作时，其载体运动加速度的变化范围。改变载体运动加速度，原子重力仪进行动态测量，载体运动加速度的最大值与最小值的差值，即为动态范围，按照公式(10)计算动态范围8:a=aam(10)式中：a动态范围，单位为米每二次方秒(ms2);av载体运动加速度最大值，单位为米每二次方秒(ms2);am载体运动加速度最小值，单位为米每二次方秒(m/s2)。附录A(资料性)原子重力仪测量不确定度评定方法A.1测量不确定度的A类评定分别按照公式(A.1)和公式(A.2)计算测量值X的平均值X。以及原子重力仪A类不确定度u:-j.-1._(A.1).式中：X。一一测量值X的测量平均值；X；测量值X的
26、第i次测量值；n测量次数。iu,j,1“一(A.2)4M1式中：UA原子重力仪A类不确定度。A.2测量不确定度的B类评定原子重力仪测量不确定度的B类评定来源，需要考虑系统内各种物理因素以及外界环境因素对重力测量的影响。当各项因素互不相关时，按照公式(A.3)计算合成B类不确定度uy:4-JE(A.3)式中：us原子重力仪B类不确定度；U1由激光波长偏移引起的重力仪测量结果误差，简称激光波长；U2由测量操控激光频率差偏移引起的重力仪测量结果误差，简称激光频率差；us由激光方向偏离竖直方向引起的重力仪测量结果误差，简称激光方向；U4由激光电场引起原子能级移动导致放的重力仪测量结果误差，简称单光子频
27、移；US由非共振激光引起原子能级移动导致的重力仪测量结果误差，简称双光子频移；Ug由光学元件面形影响激光的空间相位分布导致的重力仪测量结果误差，简称波前崎变效应；U7由空间重力梯度和仪器等效高度测量误差导致的重力仪测量结果误差，简称重力梯度效应；Ug一由环境磁场引起原子能级移动导致的重力仪测量结果误差，简称塞曼效应；Ug由激光有限传播速度导致的重力仪测量结果误差，简称有限光速效应；Ujw一一由科里奥利力导致的重力仪测量结果偏移，简称科里奥利力效应；un由仪器框架的万有引力导致的重力仪测量结果误差，简称仪器自引力效应；u2由气压导致的测量点重力值变化，简称大气压修正；Uia由重力固体潮导致的测量
28、点重力值变化，简称重力固体潮汐修正；uu由极移导致的测量点重力值变化，简称极移修正；Ujs由其他效应导致的重力值变化。A.3合成测量不确定度A.3.1合成测量不确定度按照公式(A.4)计算合成测量不确定度uc:uc=ui+ui(k=l)(.4)式中：uc原子重力仪合成测量不确定度；UA原子重力仪A类不确定度；Ug原子重力仪B类不确定度；k包含因子。A.3.2相对合成测量不确定度按照公式(A.5)计算相对合成不确定度uc:ucr=ucx,(k=l)(A.5)式中：ucr一原子重力仪相对合成测量不确定度；UC原子重力仪合成测量不确定度：Xo一一测量平均值；k包含因子。A.3.3扩展不确定度通常取包
29、含因子k=2,对应置信概率95.45%,按照公式(A.6)计算扩展不确定度U:U=2uc(A6)式中：U原子重力仪扩展不确定度；uc原子重力仪合成标准不确定度。附录B(资料性)原子重力仪动态测量改正方法B.1概述原子重力仪动态环境中进行绝对重力测量时，需要对测量结果进行改正，包括仪器B类评定、动态环境评定。8. 2动态测量不确定度的B类评定原子重力仪动态测量标准不确定度的B类评定来源包括多种效应，由于动态测量不确定度相对静态测量较差，其中的一些仪器效应无需评估，动态测试中需要进行的B类评定包括双光子频移、重力梯度效应、科里奥利力效应以及重力固体潮汐修正。B.3动态环境评定8.3.1 厄特沃什改
30、正(EotV6scorrection)表示地球在运动的载体上进行重力测量时，由于载体相对于地球的运动，从而改变了重力仪随地球自转的离心力(称为厄特沃什效应)，由此对重力观测值所施加的改正，单位为m/s2。按照公式(B.1)计算厄特沃什改正gg:gg=22oxv;XSin(Al)cos(,)+vjRo(B.1)式中：gg厄特沃什改正，单位为米每二次方秒(ms2);CO地球自转角速度，单位为弧度每秒(rads);v;测点动态载体运动速度，单位为米每秒(ms);A;一一测点动态载运动向方位角，单位为度();,测点地理纬度，单位为度()；R测点所在地球曲率半径，单位为米(m)。8.3.2 高度改正表示
31、载体在运动过程中高度发生改变时产生的重力值变化。8.3.3 潮水改正在进行海上船载动态测量时，由海水引力产生的重力值变化。该项改正仅船载测试时有效。B.4动态重力改正公式综合评定B类改正与环境改正，按照公式(B.2)计算动态重力改正gw:gu=gb+gh+ge+gr;(B2)式中：gw测点动态改正项，单位为米每二次方秒(ms2);gn原子重力仪的B类评定，单位为米每二次方秒(ms2);gw测点高度影响改正值，单位为米每二次方秒(ms2);gw测点厄特沃什改正值，单位为米每二次方秒(ms2);gn测点海潮改正值，单位为米每二次方秒(ms2).计算得到总改正项gm后进行动态绝对重力值计算，最终得到的重力值使用内符合精度与交叉点偏差进行数据质量评定。叁考文献1 DZ/T03562020海洋重力测量技术规范2 JJF10012011通用计量术语及定义
