17世纪初，人类开始将观测仪器指向遥远的宇宙，希望捕获穿越千年的光子，接收遥远星河传来的讯息。然而，大气湍流犹如漂浮在空中的透明幽灵，干扰着光子的前进，遮掩宇宙初期的秘密。1964年，美国物理学家理查德·费曼（RichardFeynman）指出，“湍流是经典物理学中最重要的未解决问题之一”。大气湍流这一高度混沌系统，是湍流中最难以被捕获的存在之一，其运动模式具有极强的随机性，难以精确建模、探测和预测。
清华大学电子工程系方璐团队与自动化系戴琼海院士、吴嘉敏副教授团队开展交叉合作，提出了计算光场新原理，建立数字自适应光学模型，研制了广域波前计算传感芯片（Wide-fieldWavefrontSensor,WISE），实现了超1100角秒（对角线）范围的大气湍流实时探测和预测。该成像技术具备大视场、高分辨、强鲁棒等优势，感知范围相比广泛使用的夏克-哈特曼波前传感器提升了近千倍。WISE芯片的探测视场等价于成百上千个波前传感器的总和，可广泛应用于现有光学系统，赋能大气湍流的广域探测和预测，修正大气湍流扰动，实现大范围光信号的高效采集与精准重建。
大气湍流广域波前传感芯片概念图（来源：《自然·光子学》）
课题组深入探究大气湍流的物理本质，其对于光子的操纵来自于非均匀折射率带来的传播角度偏折。因此，空间-角度四维光场的高精度采集与重构可以揭示高维角度域中隐藏的湍流信息，进而打破广域大气湍流观测壁垒。相比传统自适应光学采用的夏克-哈特曼波前传感器，WISE能够捕获更大视场范围内的空间非一致湍流信息，此优势是由系统架构决定的。自适应光学的夏克-哈特曼波前传感器在共轭光瞳平面上实现直接孔径分割，其空间采样受限，只能探测一定视场范围内的平均波前。WISE则采用间接孔径分割方案，配置分布式微型透镜阵列，每个微透镜从不同的视场方向记录入射光子角度的信息，从而有效地最小化串扰，捕获更大视场范围内的空间非一致湍流信息。
基于WISE芯片的大气湍流观测系统示意图（来源：《自然·光子学》）
WISE助力高精度湍流预测在光信号的单向传播中，精确的湍流探测足以消除误差，然而在双向交互中，湍流的快速演变带来了新的挑战。典型的交互过程例如空间光通信，由下行探测链路和上行补偿链路构成，由于两链路间存在时间差，无法直接根据探测结果进行补偿，而是需要预测未来时刻的湍流分布再进行补偿，即预补偿。此时，湍流预测的精度显得至关重要。视频（上）展示的是湍流分布的动态演化过程，由小视场范围的空间一致湍流变为广域的空间非一致湍流。当我们仅观察小视场范围的湍流时，难以找到其时序演变规律，这正是基于传统自适应光学技术进行湍流预测的困难之处。当视场扩大时，湍流的演化规律变得有迹可循。如泰勒冻结流假说所述，大范围的观测数据中，可以清晰地观测到大气湍流的整体流动，这将对实现湍流的精准预测提供强力的支撑。基于WISE芯片和时-空神经网络模型，团队实现了大视场范围下高精度的湍流预测（视频下），预测的波前误差从224nm降至109nm（所用指标为RMSE），相较于传统自适应光学有明显提升。WISE芯片为大气湍流时空动态演化规律的研究探索了新路径。
从扫描光场元成像到WISE芯片，光子幽灵变得不再神秘，望远镜的视野能够穿透大气。团队在计算成像领域持续创新，以计算赋能天文，开启计算天文成像新篇章。当视场无限，视野也将无垠。未来，团队将进一步发挥元成像广域波前传感的优势，助力新一代宽视场高分辨地基光学巡天，凌云远望，目穷千里。
相关研究成果以“基于广域波前传感芯片的大气湍流实时观测”（DirectObservationofAtmosphericTurbulencewithaVideo-rateWide-fieldWavefrontSensor）为题，于7月1日发表于《自然·光子学》（NaturePhotonics）。
清华大学电子工程系与国研中心为论文的第一单位，方璐、戴琼海、吴嘉敏为论文通讯作者，2021级电子系博士生郭钰铎、2021级自动化系本科生郝钰涵、自动化系助理研究员万森为论文第一作者，博士后张昊，助理研究员朱来余参与该工作。研究得到科技部2030重大项目、基础科学中心项目以及北京信息科学与技术国家研究中心的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41566-024-01466-3
“掌”握科技鲜闻 （微信搜索techsina或扫描左侧二维码关注）
