然而，大气湍流犹如漂浮在空中的透明幽灵，滋扰着光子的提高，掩蔽宇宙初期的秘密。1964 年，美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）指出，“湍流是经典物理学中最主要的未办理问题之一。”
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。
清华大学成像与智能技能交叉团队，研制广域波前打算传感芯片（WISE，Wide-field Wavefront Sensor），实现了超 1100 角秒（对角线）范围的大气湍流实时探测和预测。
该成像技能具备大视场、高分辨、强鲁棒等上风，感知范围比较广泛利用的夏克-哈特曼波前传感器提升了近千倍。
图丨大气湍流广域波前传感芯片观点图（来源：Nature Photonics）
WISE 芯片的探测能力等价于成百上千个波前传感器的总和，可广泛运用于现有光学系统，赋能大气湍流的广域探测和预测，改动大气湍流扰动，实现大范围光旗子暗记的高效采集与精准重修。
（来源：该实验室）
近日，干系论文以《基于广域波前传感芯片的大气湍流实时不雅观测》（Direct Observation of Atmospheric Turbulence with a Video-rate Wide-field Wavefront Sensor）为题，揭橥于 Nature Photonics[1]。
清华大学方璐教授、戴琼海院士、吴嘉敏副教授为通讯作者，清华大学博士生郭钰铎、本科生郝钰涵、助理研究员万森为共同一作，博士后张昊、助理研究员朱来余参与了本项研究。
图丨干系论文（来源：Nature Photonics）
凌云了望，目穷千里：千角秒大气湍流实时不雅观测
对付人眼而言，瞳孔尺寸较小，大气湍流使得星星呈现出“一闪一闪亮晶晶”；而在地基深空探测中，大口径光学望远镜受制于大气湍流，不雅观测分辨率与信噪频年夜幅低落。
例如，在视宁度较差的条件下，若不做湍流纠正，8 米口径望远镜与 30 厘米口径望远镜的性能无异。大气湍流这一光子幽灵的存在，严重扰乱了光旗子暗记的传播，成为了地基深空探测的瓶颈。
百年以来，人们试图对湍流的运动过程进行精准数学建模。例如，纳维-斯托克斯方程供应了一种有效的湍流仿照方案。
然而，大气湍流过大的尺度与过高的繁芜度让数值方法无从下手。因此，基于物理学的实验丈量成为当前主流手段。
自适应光学技能采取夏克-哈特曼波前传感器，配以可变形镜和负反馈掌握系统，率先实现了瞬态、局部波前的检测和纠正。
但是，其可见光波段的不雅观测和纠正直径仅为 5-10 角秒，若要实现更大视场的湍流空间非同等（anisoplanatism）探测，需引入多个波前传感器对应不同视场分别进行探测，不仅系统繁芜度高，而且难以大规模运用。
图丨基于 WISE 芯片的大气湍流不雅观测系统示意图（来源：Nature Photonics）
课题组深入探究大气湍流的物理实质，其对付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蔽的湍流信息，进而打破大气湍流空间非同等不雅观测难题。
比较传统自适应光学采取的夏克-哈特曼波前传感器，WISE 能够捕获更大视场范围内的空间非同等湍流信息，此上风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均匀波前。
WISE 则采取间接孔径分割方案，配置分布衰落型透镜阵列，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同等湍流信息。
图丨WISE 与夏克-哈特曼波前传感器的探测光路比拟（来源：Nature Photonics）
在地对月不雅观测实验中，WISE 实现了对 1100 角秒（直径）视场内约 500 个空间同等湍流波前的实时探测，速率为 30Hz。WISE 单芯片的不雅观测性能等同于近 1000 个传统波前传感器。
除横向分布以外，WISE 芯片的探测结果还可以用于重构大气湍流在不同海拔上的高精度纵向分布，其分辨率和稳定性比较传统自适应光学均有数十倍的提升。
视频丨广域湍流波前实时不雅观测结果（来源：Nature Photonics）
WISE 芯片冲破了广域大气湍流不雅观测的壁垒，规复了空间非同等的大气湍飘泊布，揭示了大气湍流的动态规律。
致广大而尽精微：WISE 助力高精度湍流预测
在光旗子暗记的单向传播中，精确的湍流探测足以肃清偏差。然而，在双向交互中，湍流的快速演化带来了新的寻衅。
范例的交互过程（例如空间光通信），由下行探测链路和上行补偿链路构成，由于两链路间存在韶光差，无法直接根据探测结果进行补偿，而是须要预测未来时候的湍飘泊布再进行补偿，即预补偿。此时，湍流预测的精度显得至关主要。
正如“致广大而尽精微”所讲述的广博深厚与风雅奇妙之间的辩证关系，WISE 芯片探测“广”域大气湍流的能力，可以显著提升湍流预测的“精”度，实现由“广”致“精”的转变。
下面视频所展示的是湍飘泊布的韶光演化过程，由小视场范围的空间同等湍流变为广域的空间非同等湍流。
当我们仅不雅观察小视场范围的湍流时，难以找到其时序演化规律，这正是基于传统自适应光学技能进行湍流预测的困难之处。
当视场扩大时，湍流的蜕变规律变得有迹可循。如泰勒冻结流假说所述，大范围的不雅观测数据中，可以清晰地不雅观测到大气湍流的整体流动，这将对实现湍流的精准预测供应强力的支撑。
基于 WISE 芯片和时-空神经网络模型，该课题组实现了大视场范围下高精度的湍流预测，预测的波前偏差从 224nm 降至 109nm，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蜕变规律的研究，探索了新的路径。
研究职员在中国国家天文台兴隆不雅观测站开展了系列实验。WISE 芯片通过 80 厘米口径望远镜在 40 万公里地月不雅观测中，实现了 1100 角秒视场内全域动态湍流高速纠正，显著提升了成像分辨率与信噪比。
（来源：Nature Photonics）
从扫描光场元成像[2]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。
清华大学成像与智能技能交叉团队在打算成像领域持续创新，以打算赋能天文，开启打算天文成像新篇章。当视场无限，视野也将无垠。
未来，该实验室将进一步发挥元成像广域波前传感的上风，助力新一代宽视场高分辨地基光学巡天，凌云了望，目穷千里。
参考资料：
1.Guo Y, Hao Y, Wan S, Zhang H, Zhu L, Zhang Y, Wu J, Dai Q, Fang L, Direct Observation of Atmospheric Turbulence with a Video-rate Wide-field Wavefront Sensor. Nature Photonics, 2024. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01466-3
2.Wu J, Guo Y, Deng C, Zhang A, Qiao H, Lu Z, Xie J, Fang L, Dai Q, An integrated imaging sensor for aberration-corrected 3D photography. Nature, 2022, 612(7938): 62-71. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05306-8
排版：刘雅坤
