清華新聞網(wǎng)7月5日電 17世紀(jì)初，人類(lèi)開(kāi)始將觀(guān)測(cè)儀器指向遙遠(yuǎn)的宇宙，希望捕獲穿越千年的光子，接收遙遠(yuǎn)星河傳來(lái)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(jìn)，遮掩宇宙初期的秘密。1964年，美國(guó)物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）指出，“湍流是經(jīng)典物理學(xué)中最重要的未解決問(wèn)題之一”。大氣湍流這一高度混沌系統(tǒng)，是湍流中最難以被捕獲的存在之一，其運(yùn)動(dòng)模式具有極強(qiáng)的隨機(jī)性，難以精確建模、探測(cè)和預(yù)測(cè)。
清華大學(xué)電子工程系方璐團(tuán)隊(duì)與自動(dòng)化系戴瓊海院士、吳嘉敏副教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展交叉合作，提出了計(jì)算光場(chǎng)新原理，建立數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)模型，研制了廣域波前計(jì)算傳感芯片（Wide-field WavefrontSensor, WISE），實(shí)現(xiàn)了超1100角秒（對(duì)角線(xiàn)）范圍的大氣湍流實(shí)時(shí)探測(cè)和預(yù)測(cè)。該成像技術(shù)具備大視場(chǎng)、高分辨、強(qiáng)魯棒等優(yōu)勢(shì)，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(cè)視場(chǎng)等價(jià)于成百上千個(gè)波前傳感器的總和，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)，賦能大氣湍流的廣域探測(cè)和預(yù)測(cè)，修正大氣湍流擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大范圍光信號(hào)的高效采集與精準(zhǔn)重建。
大氣湍流廣域波前傳感芯片概念圖（來(lái)源：《自然·光子學(xué)》）
課題組深入探究大氣湍流的物理本質(zhì)，其對(duì)于光子的操縱來(lái)自于非均勻折射率帶來(lái)的傳播角度偏折。因此，空間-角度四維光場(chǎng)的高精度采集與重構(gòu)可以揭示高維角度域中隱藏的湍流信息，進(jìn)而打破廣域大氣湍流觀(guān)測(cè)壁壘。相比傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)采用的夏克-哈特曼波前傳感器，WISE能夠捕獲更大視場(chǎng)范圍內(nèi)的空間非一致湍流信息，此優(yōu)勢(shì)是由系統(tǒng)架構(gòu)決定的。自適應(yīng)光學(xué)的夏克-哈特曼波前傳感器在共軛光瞳平面上實(shí)現(xiàn)直接孔徑分割，其空間采樣受限，只能探測(cè)一定視場(chǎng)范圍內(nèi)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(gè)微透鏡從不同的視場(chǎng)方向記錄入射光子角度的信息，從而有效地最小化串?dāng)_，捕獲更大視場(chǎng)范圍內(nèi)的空間非一致湍流信息。
基于WISE芯片的大氣湍流觀(guān)測(cè)系統(tǒng)示意圖（來(lái)源：《自然·光子學(xué)》）
WISE助力高精度湍流預(yù)測(cè)在光信號(hào)的單向傳播中，精確的湍流探測(cè)足以消除誤差，然而在雙向交互中，湍流的快速演變帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。典型的交互過(guò)程例如空間光通信，由下行探測(cè)鏈路和上行補(bǔ)償鏈路構(gòu)成，由于兩鏈路間存在時(shí)間差，無(wú)法直接根據(jù)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，而是需要預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻的湍流分布再進(jìn)行補(bǔ)償，即預(yù)補(bǔ)償。此時(shí)，湍流預(yù)測(cè)的精度顯得至關(guān)重要。視頻（上）展示的是湍流分布的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，由小視場(chǎng)范圍的空間一致湍流變?yōu)閺V域的空間非一致湍流。當(dāng)我們僅觀(guān)察小視場(chǎng)范圍的湍流時(shí)，難以找到其時(shí)序演變規(guī)律，這正是基于傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)進(jìn)行湍流預(yù)測(cè)的困難之處。當(dāng)視場(chǎng)擴(kuò)大時(shí)，湍流的演化規(guī)律變得有跡可循。如泰勒凍結(jié)流假說(shuō)所述，大范圍的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)中，可以清晰地觀(guān)測(cè)到大氣湍流的整體流動(dòng)，這將對(duì)實(shí)現(xiàn)湍流的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)提供強(qiáng)力的支撐?；赪ISE芯片和時(shí)-空神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)范圍下高精度的湍流預(yù)測(cè)（視頻下），預(yù)測(cè)的波前誤差從224nm降至109nm（所用指標(biāo)為RMSE），相較于傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)有明顯提升。WISE芯片為大氣湍流時(shí)空動(dòng)態(tài)演化規(guī)律的研究探索了新路徑。
（上）湍流分布演變，由小視場(chǎng)空間一致湍流變?yōu)閺V域空間非一致湍流；（下）基于WISE芯片的大氣湍流波前預(yù)測(cè)效果（來(lái)源：《自然·光子學(xué)》）
從掃描光場(chǎng)元成像到WISE芯片，光子幽靈變得不再神秘，望遠(yuǎn)鏡的視野能夠穿透大氣。團(tuán)隊(duì)在計(jì)算成像領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新，以計(jì)算賦能天文，開(kāi)啟計(jì)算天文成像新篇章。當(dāng)視場(chǎng)無(wú)限，視野也將無(wú)垠。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步發(fā)揮元成像廣域波前傳感的優(yōu)勢(shì)，助力新一代寬視場(chǎng)高分辨地基光學(xué)巡天，凌云遠(yuǎn)望，目窮千里。
相關(guān)研究成果以“基于廣域波前傳感芯片的大氣湍流實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)”（Direct Observation of Atmospheric Turbulence with a Video-rate Wide-field Wavefront Sensor）為題，于7月1日發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）。
清華大學(xué)電子工程系與國(guó)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(jí)電子系博士生郭鈺鐸、2021級(jí)自動(dòng)化系本科生郝鈺涵、自動(dòng)化系助理研究員萬(wàn)森為論文第一作者，博士后張昊，助理研究員朱來(lái)余參與該工作。研究得到科技部2030重大項(xiàng)目、基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目以及北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41566-024-01466-3
供稿：電子系
編輯：李華山
審核：郭玲
