复杂动态下原子干涉重力仪误差耦合特性和补偿方法研究

High-precision dynamic gravimetry on mobile carriers is one of the important research tools in geoscience and related fields. Atom-interferometry gravimeters show great potential in dynamic gravimetry with their high sensitivity and zero drift characteristics, but also facing a problem of measurement errors under complex dynamics. Aiming at the prospect and urgent demand of atom-interferometry gravimeters in high-precision dynamic gravimetry, this project studies the error coupling characteristics and compensation methods of atom-interferometry gravimeters under complex dynamics, including: (1) Establishing the theoretical model of atom interferometry under arbitrary motion with the combination between the change of atomic motion trajectory during carrier motion and the atomic, Raman light and magnetic field distribution parameters; (2) Analyzing the coupling mechanism between carrier motion and gravity measurement error, achieving the numerical simulation and quantitative evaluation between motion dynamic parameters and specific errors; (3) Exploring dynamic error decoupling and compensation methods with the help of carrier motion monitoring, data filtering, phase delay compensation and simulated environment test. The research results are expected to provide theoretical guidance, scheme reference and technical support for the design and application of new-type atom-interferometry based high-precision dynamic gravimetry systems, and promote the long-term development of the interdisciplinary field of quantum information technology and geoscience.

运动载体上的动态重力测量是地球科学及相关领域的重要研究工具，原子干涉重力仪以高灵敏度、无零漂等特点在动态重力测量方向展现了巨大潜力，但也面临复杂动态导致的测量误差问题。本项目面向原子干涉重力仪在高精度动态测量中的应用前景和迫切需求，研究复杂动态下原子干涉重力仪误差耦合特性和补偿方法，具体包括：(1)从载体运动引入的原子波包动态轨迹变化出发，结合原子团、拉曼光、磁场空间分布参数，建立任意动态下的原子干涉重力测量过程理论模型；(2)分析载体运动过程与原子干涉重力测量误差源的耦合机理和传递规律，实现运动参数到测量误差的数值模拟与定量评估；(3)基于理论和数值研究结果，结合运动状态监测、数据滤波和相位延迟补偿，探索动态误差解耦和补偿方法，进行模拟环境实验。研究成果有望为新型原子干涉高精度动态重力测量系统的设计和应用提供理论指导、方案借鉴和技术支撑，促进量子信息技术与地球科学交叉领域的长远发展。

原子干涉重力仪以高灵敏度、无漂移等特点在动态重力测量方向展现了巨大应用前景，但也面临着运动载体上的测量性能提升这一难点问题。本项目面向复杂动态下原子干涉重力仪的误差耦合特性和补偿方法，综合利用理论建模与分析、数值模拟与定量评估、实验测试手段，研究建立了任意运动状态下的原子干涉重力测量过程理论模型，完成了载体运动信息和系统实验参数共同影响下的原子制备、干涉和探测过程仿真，实现了测量结果预测；通过运动过程分解、多维运动过程与内部误差源耦合方式分析，完成了复杂动态误差特性的定量评估与解耦分析，针对性讨论了横向加速运动、航向姿态旋转与有效拉比频率、Sagnac相移、波前相移的相互作用；设计了基于多维运动监测的误差补偿方法，通过作用方式、所关联的系统误差源、所耦合的主要实验参数进行分类，形成了结合幅值动态补偿和相位误差修正的完整补偿系统，验证了具体补偿方法可行性，讨论了惯性测量噪声、轴对准误差、惯性量有限采样、位移/姿态估算误差等非理想因素对补偿效果的影响；开展了自研原子干涉重力仪改造，实现了系统参数优化，建立了从硬件模块到软件算法、再到效果评估的闭环系统，开展了准静态环境、低慢速移动条件和模拟车载运输振动环境下的动态误差补偿方法测试与验证，实现了重力测量灵敏度提升，模拟车载运输振动台上的实测內符合精度达到0.828mGal@1146s。研究成果有望为新型原子干涉高精度动态重力测量系统的设计和应用提供理论指导、方案借鉴和技术支撑，促进量子信息技术与地球科学交叉领域的长远发展。