清華大學團隊在計算成像方向取得新進展

17世紀初，人類開始將觀測儀器指向遙遠的宇宙，希望捕獲穿越千年的光子，接收遙遠星河傳來的訊息。然而，大氣湍流猶如漂浮在空中的透明幽靈，干擾著光子的前進，遮掩宇宙初期的秘密。1964年，美國物理學家理查德·費曼（RichardFeynman）指出，“湍流是經典物理學中最重要的未解決問題之一”。大氣湍流這一高度混沌系統，是湍流中最難以被捕獲的存在之一，其運動模式具有極強的隨機性，難以精確建模、探測和預測。

清華大學電子工程系方璐團隊與自動化系戴瓊海院士、吳嘉敏副教授團隊開展交叉合作，提出了計算光場新原理，建立數字自適應光學模型，研制了廣域波前計算傳感芯片（Wide-fieldWavefrontSensor,WISE），實現了超1100角秒（對角線）范圍的大氣湍流實時探測和預測。該成像技術具備大視場、高分辨、強魯棒等優勢，感知范圍相比廣泛使用的夏克-哈特曼波前傳感器提升了近千倍。WISE芯片的探測視場等價于成百上千個波前傳感器的總和，可廣泛應用于現有光學系統，賦能大氣湍流的廣域探測和預測，修正大氣湍流擾動，實現大范圍光信號的高效采集與精準重建。

大氣湍流廣域波前傳感芯片概念圖（來源：《自然·光子學》）

課題組深入探究大氣湍流的物理本質，其對于光子的操縱來自于非均勻折射率帶來的傳播角度偏折。因此，空間-角度四維光場的高精度采集與重構可以揭示高維角度域中隱藏的湍流信息，進而打破廣域大氣湍流觀測壁壘。相比傳統自適應光學采用的夏克-哈特曼波前傳感器，WISE能夠捕獲更大視場范圍內的空間非一致湍流信息，此優勢是由系統架構決定的。自適應光學的夏克-哈特曼波前傳感器在共軛光瞳平面上實現直接孔徑分割，其空間采樣受限，只能探測一定視場范圍內的平均波前。WISE則采用間接孔徑分割方案，配置分布式微型透鏡陣列，每個微透鏡從不同的視場方向記錄入射光子角度的信息，從而有效地最小化串擾，捕獲更大視場范圍內的空間非一致湍流信息。

基于WISE芯片的大氣湍流觀測系統示意圖（來源：《自然·光子學》）

WISE助力高精度湍流預測在光信號的單向傳播中，精確的湍流探測足以消除誤差，然而在雙向交互中，湍流的快速演變帶來了新的挑戰。典型的交互過程例如空間光通信，由下行探測鏈路和上行補償鏈路構成，由于兩鏈路間存在時間差，無法直接根據探測結果進行補償，而是需要預測未來時刻的湍流分布再進行補償，即預補償。此時，湍流預測的精度顯得至關重要。視頻（上）展示的是湍流分布的動態演化過程，由小視場范圍的空間一致湍流變為廣域的空間非一致湍流。當我們僅觀察小視場范圍的湍流時，難以找到其時序演變規律，這正是基于傳統自適應光學技術進行湍流預測的困難之處。當視場擴大時，湍流的演化規律變得有跡可循。如泰勒凍結流假說所述，大范圍的觀測數據中，可以清晰地觀測到大氣湍流的整體流動，這將對實現湍流的精準預測提供強力的支撐。基于WISE芯片和時-空神經網絡模型，團隊實現了大視場范圍下高精度的湍流預測（視頻下），預測的波前誤差從224nm降至109nm（所用指標為RMSE），相較于傳統自適應光學有明顯提升。WISE芯片為大氣湍流時空動態演化規律的研究探索了新路徑。

從掃描光場元成像到WISE芯片，光子幽靈變得不再神秘，望遠鏡的視野能夠穿透大氣。團隊在計算成像領域持續創新，以計算賦能天文，開啟計算天文成像新篇章。當視場無限，視野也將無垠。未來，團隊將進一步發揮元成像廣域波前傳感的優勢，助力新一代寬視場高分辨地基光學巡天，凌云遠望，目窮千里。

相關研究成果以“基于廣域波前傳感芯片的大氣湍流實時觀測”（DirectObservationofAtmosphericTurbulencewithaVideo-rateWide-fieldWavefrontSensor）為題，于7月1日發表于《自然·光子學》（NaturePhotonics）。

清華大學電子工程系與國研中心為論文的第一單位，方璐、戴瓊海、吳嘉敏為論文通訊作者，2021級電子系博士生郭鈺鐸、2021級自動化系本科生郝鈺涵、自動化系助理研究員萬森為論文第一作者，博士后張昊，助理研究員朱來余參與該工作。研究得到科技部2030重大項目、基礎科學中心項目以及北京信息科學與技術國家研究中心的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41566-024-01466-3