地球重力场是近地空间最基本的物理场之一，反映了地球物质分布及其随时间和空间的变化。由于特定的空间有特定的重力场，其除了与地球资源勘探和地球科学有关外，还与军事密切相关（导弹制导，潜艇导航及军事目标探测）。高精度重力数据获取离不开高精度重力测量技术和仪器，然而我国在尖端重力测量技术方面与国外相比还存在较大差距，高精度的重力仪目前基本上是从国外购买，而高精度的航空重力梯度仪西方国家则对我国实行严格的技术封锁。
航空重力梯度技术是基于固定翼飞机、直升机或无人机等搭载平台的地球物理勘查技术。美国于20世纪70年代初，由美国军方委托洛克希德·马丁公司开展研究，在九十年代已用于军事，九十年代末期美国军方将该项技术解禁用于民用，目前已发展非常成熟，其勘探深度可从浅地表到地球深部几千米，在矿产资源和能源、地热、军事、和海洋等探测领域已获得了成功的应用。由于其采用飞机搭载仪器，无需地面人员接近，对环境无破坏，飞行效率高，特别适合于高山、沙漠、海洋、湖泊沼泽和森林覆盖等地形地质条件复杂地区的地球物理勘查与应用。
“十三五”期间，由吉林大学牵头，李桐林教授担任项目负责人的国家重点研发计划“航空重力梯度仪的研制”项目，无论是在重力梯度仪的核心器件加速度计、梯度仪工程化样机、稳定平台研制等硬件方面，还是在航空梯度信号处理等软件方面，特别是在航空重力梯度仪的飞行实验方面，都取得了重要进展，2021年10月，参加国家“十三五”科技创新成就展。
1、重力梯度仪的核心器件加速度计
(1) 传统石英挠性加速度计的精度已达到微伽级，较已经十二五期间水平已经提高了接近一个数量级。
(2) 冷原子干涉加速度计单套探头缩小到体积< 0.15 m3，重量< 70kg。(十二五期间探头体积为1.36m3，重量为260kg），测量精度达到国际先进水平。
(3) 高精度微机械电子（MEMS）加速度计精度已达到1微伽级，较十二五期间的30微伽的精度已有超过量级上的突破。
(4) 超导加速度计测试噪声水平优于0.3微伽，较十二五期间已提高一个数量级。
图1 石英挠性加速度计分辨率2 × 10-9g/√Hz
2、工程化重力梯度仪
（1）旋转加速度计式重力梯度仪，传感器功率谱密度噪声达到40E/√Hz水平，质量引力法分辨率测试达到10E@200s水平。
（2）冷原子干涉原理的重力梯度仪分辨率达到32E@200s(移动平台环境)。
（3）MEMS重力梯度仪样机分辨率优于30 E@120 s。
（4）超导重力梯度仪噪声水平达到0.87E/√Hz ，较十二五期间7.2E/√Hz提高了近1个数量级。
(a) (b) (c)
图2 (a)冷原子重力梯度仪；(b)MEMS重力梯度仪；(c)超导重力梯度仪
3.完成了重力梯度数据处理与解释综合软件系统
研制了专用航空重力梯度数据处理软件，包括航空重力梯度信号数字仿真、深度学习梯度信号后任务处理（PMC）、梯度信号转换与增强和直接地形条件下的三维重力梯度正反演与联合反演等处理解释模块。其中人工智能后任务数据处理等技术消除了运动造成的测量误差，误差消除率可达两个数量级。
图3 重力梯度数据处理与解释软件界面
图4 任意曲面六面体模拟起伏地形原理
(a) (b)
(c)
图5 起伏地形正反演
(a)真实模型 (b)反演结果
(c)真实模型正演重力梯度六分量结果
图6 深度学习梯度信号后任务处理
（误差消除率41.91%；干扰抑制29.14E/√Hz@0~0.0375Hz）
4、航空重力梯度仪飞行试验取得突破
完成了国内首次航空重力梯度仪飞行试验。一般飞行条件下，测量精度达到65E@1km，有利飞行条件下精度已优于30E@1km 。
图7 飞行试验区位置
图8 重力梯度测量信号
图9 飞行试验现场
图10 参加国家“十三五” 科技创新成就展
