地球重力场是地球的重要物理属性，其可用于表征地球内部和表层的密度分布、物质运动状态。重力梯度反映重力场在全空间的变化率，垂直重力梯度是重力位于铅直方向的二阶导数，因此垂直重力梯度对地下物质的分布及界面起伏更加敏感，比重力和重力梯度具有更高的分辨率。
当水下目标自身体积大、吨位重时，会影响垂直重力梯度，重力梯度仪通过测量重力梯度的变化和特征，实现重力梯度探测。
相关研究表明，若重力梯度仪的精度达到较高要求，则重力梯度探测技术便可发展为一种有效的被动探潜手段。例如，当重力梯度仪的精度达到10E-4，则可在海面上100ｍ发现水下深度为300ｍ的潜艇；当重力梯度仪的精度达到或超过10E-6，则探测范围能够到达海面上1000ｍ。
目前，虽然重力梯度仪的精度还较低，且重力探潜仍在摸索阶段，但此方法仍可为探潜提供一种新的思路。
重力梯度仪主要用于地球重力位场在三个方向的二阶导数———重力梯度张量。
在20世纪70年代，为了满足军事领域需求，美军投入数十亿美元用于动态重力梯度仪器的研制，多家单位进行竞标研制，最后由贝尔宇航公司(现隶属于Lockheed Martin公司)胜出，其研制的重力梯度仪的核心原理为旋转加速度计重力梯度仪，其最初的研制目的是为了辅助美国海军核潜艇的隐蔽航行，1982年第一台产品交付且为美国国防核心秘密。
重力梯度仪辅助潜艇导航的原理为：利用重力梯度仪对近处质量异常(或密度异常)敏感的特性，发现潜器周围的障碍物，为其避碰提拱依据，从而保障潜器的水下航行安全。
在冷战结束后，该项技术进行部分解密并成功应用于其他领域如地质调查研究和地球物理勘探等，这种原理的重力梯度仪是目前唯一可以投入实际生产的重力梯度仪。该种原理重力梯度仪主要包括几种类型：
1、旋转加速度计重力梯度仪
Falcon部分张量重力梯度仪（Falcon partial tensor gravity gradiometry），由BHP Billiton 和 Lockheed Martin 公司于1997 年联合研制成功。
Air-FTG全张量重力梯度仪（Air-FTG full tensor gravity gradiometry），由洛克希德·马丁（Lockheed Martin ）公司对Bell Aerospace 公司研制的重力梯度仪器进行升级改造而来，2003年用于商业勘探。
FTGeX全张量重力梯度仪（FTGeX full tensor gravity gradiometry），由英国 ARKeX 公司于2005年在Lockheed Martin 公司的全张量重力梯度测量技术之上研制出来。
eFTG增强型全张量重力梯度仪（enhenced full tensor gravity gradiometry），由洛克希德·马丁公司于2010年研发出的新型FTG系统，该梯度仪集成了3个Falcon梯度仪。
美国Lockheed Martin公司的旋转加速度计重力梯度仪，测量精度为7.1~8.1E（1mGal/m)，探测范围为400~700 m。2023年的文献显示，基于两个开源数据集（FTG系统的圣乔治湾(Bay St Georges)数据与Falcon系统的奥特韦盆地(Otway Basin)数据），采用奇偶差分析法测算得出，FTG系统与Falcon系统的精度分别为9.2E和1.9E。Bell Geospace公司的Air FTG测量系统，测量精度约为5.5E。
2、静电重力梯度仪
法国ONERA实验室的静电加速度计重力梯度仪，在欧洲航天局(ESA)2009年发射的GOCE(Gravity Field and Steady-State Ocean Circular Explorer，重力场与稳态洋流探测器)卫星成果应用，并为地球科学问题和军事领域问题提供巨大帮助。
GOCE设计为在100km的空间分辨率内(即恢复200阶次以上的全球重力场模型)以2cm的精度测定全球大地水准面及1mGal的精度测定重力异常。
根据GOCE卫星重力数据绘制的全球形状指数图显示：地球海洋以穹顶-山脊特征为主，而大陆则以谷地-盆地形态为主要特征。图中多处深蓝色区域揭示了不同大陆的克拉通（古老陆核），例如加拿大、格陵兰岛、非洲和南极洲的远古大陆核心区。
3、超导和冷原子重力梯度仪
这些原理的重力梯度仪是未来更高精度的应用需求的保证，虽然研制难度巨大，但是是未来应用需求的根本。
国内重力梯度仪的研制起步较晚，基础非常薄弱，而且国外在该项技术研究中是对我国全面封锁。目前，我们的研制状态与国外先进技术相比还有很大差距。国内的重力梯度仪的研制路线也是紧随国外的研制路线进行的，主要分为传统重力梯度仪原理方法和新型重力梯度仪原理方法，也是瞄准两个方向进行研究。
1、旋转加速度计重力梯度仪
天津航海仪器研究所、北京航天控制仪器研究所和华中科技大学等研究机构和单位以旋转式加速度计原理为设计方案进行研究，经历了3个五年计划，基本上完成了重力梯度仪研制的相关理论，高精度、高分辨率石英挠性加速度计（见下图，其偏置已优于5×10E-9 g）核心，重力梯度稳定平台研制等关键技术．目前，天津航海仪器研究所（中国船舶集团有限公司第七〇七研究所）研制的重力梯度仪完成原理样机的技术成熟度最高，正向着工程化应用方向迈进，其重力梯度敏感器实验室静态分辨率达到70E的水平，取得了非常显著的进步．这项技术的成功也标志着我国将要打破国外在该技术领域对我国的封锁，也标志着该研究所拥有自主研发高精尖仪器设备的能力。
2、新型重力梯度仪
另外一条主线是新技术原理重力梯度仪的研制，其目标是瞄准国际先进水平，追赶国际先进水平．主要分为超导重力梯度仪和冷原子梯度仪．这些新原理技术的重力梯度仪主要研制单位是华中科技大学、浙江工业大学和武汉物数所等相关单位．
华中科技大学的量子重力梯度仪在0.3米基线上达到100E sqrt(Hz)的灵敏度，展示了全球领先的测量性能。
目前，国际上重力梯度仪的发展理念就是从三个方向进行：
1)提高传统旋转式重力梯度仪的精度，更好地满足现阶段应用;
2)研制应用超导原理的重力梯度仪，对比传统重力梯度仪大幅度提升精度，也是目前最有希望成为产品的重力梯度仪，其代表就是英国ARKeX公司的EGG（Exploration Gravity Gradiometer）重力梯度仪；
3)具有更大潜力的冷原子重力梯度仪，作为新兴技术应用于未来重力梯度仪的研制，其代表就是斯坦福大学研制的重力梯度仪，目前可以用于车载测量。
美国斯坦福大学的Kasevich组在移动速度为1cm/s的移动卡车中进行了"准动态"重力梯度测量, 利用差分加速度测量抑制振动噪声的特性, 在约4分钟积分时间内实现了最优5E的重力梯度测量灵敏度。
参考文献
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潜艇重力梯度极值和深度的关系研究_曾相航2020
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冷原子干涉动态重力测量中的噪声与系统效应分析_车浩2023
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