17 世纪初，东谈主类开动将不雅测仪器指向远方的天地，但愿拿获穿越千年的光子，接管远方银河传来的音信。

关联词，大气湍流犹如飘浮在空中的透明阴魂，烦闷着光子的前进，遮拦天地初期的好意思妙。1964 年，好意思国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）指出，“湍流是经典物理学中最迫切的未科罚问题之一。”

大气湍流这一高度暗昧系统，是湍流中最难以被拿获的存在之一，其引导式样具有极强的赶快性，难以精确建模、探伤和推断。

清华大学成像与智能工夫交叉团队，研制广域波前计较传感芯片（WISE，Wide-field Wavefront Sensor），收尾了超 1100 角秒（对角线）范围的大气湍流及时探伤和推断。

该成像工夫具备大视场、高分辨、强鲁棒等上风，感知范围比较庸碌使用的夏克-哈特曼波前传感器擢升了近千倍。

图丨大气湍流广域波前传感芯片主见图（开始：Nature Photonics）

WISE 芯片的探伤才略等价于成百上千个波前传感器的总数，可庸碌利用于现存光学系统，赋能大气湍流的广域探伤和推断，修正直气湍流扰动，收尾大范围光信号的高效鸠集与精确重建。

近日，磋论说文以《基于广域波前传感芯片的大气湍流及时不雅测》（Direct Observation of Atmospheric Turbulence with a Video-rate Wide-field Wavefront Sensor）为题，发表于 Nature Photonics[1]。

清华大学方璐西宾、戴琼海院士、吴嘉敏副西宾为通讯作家，清华大学博士生郭钰铎、本科生郝钰涵、助理规划员万森为共归并作，博士后张昊、助理规划员朱来余参与了本项规划。

图丨磋论说文（开始：Nature Photonics）

凌云纵眺，目穷沉：千角秒大气湍流及时不雅测

关于东谈主眼而言，瞳孔尺寸较小，大气湍流使得星星呈现出“一闪一闪亮晶晶”；而在地基深空探伤中，大口径光学千里镜受制于大气湍流，不雅测分辨率与信噪比大幅着落。

举例，在视宁度较差的条目下，若不作念湍流修订，8 米口径千里镜与 30 厘米口径千里镜的性能无异。大气湍流这一光子阴魂的存在，严重阻扰了光信号的传播，成为了地基深空探伤的瓶颈。

百年以来，东谈主们试图对湍流的引导流程进行精确数学建模。举例，纳维-斯托克斯方程提供了一种有用的湍流模拟决策。

关联词，大气湍流过大的步伐与过高的复杂度让数值要津无从下手。因此，基于物理学的执行测量成为现时主流妙技。

自妥当光学工夫经受夏克-哈特曼波前传感器，配以可变形镜和负反应戒指系统，最初收尾了瞬态、局部波前的检测和修订。

可是，其可见光波段的不雅测和修订直径仅为 5-10 角秒，若要收尾更大视场的湍流空间非一致（anisoplanatism）探伤，需引入多个波前传感器对应不同视场区分进行探伤，不仅系统复杂度高，何况难以大范围利用。

图丨基于 WISE 芯片的大气湍流不雅测系统流露图（开始：Nature Photonics）

课题组久了探究大气湍流的物理实质，其关于光子的主宰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鸠集与重构不错揭示高维角度域中荫藏的湍流信息，进而突破大气湍流空间非一致不雅测难题。

比较传统自妥当光学经受的夏克-哈特曼波前传感器，WISE 不详拿获更大视场范围内的空间非一致湍流信息，此上风是由系统架构决定的。

自妥当光学的夏克-哈特曼波前传感器在共轭光瞳平面上收尾径直孔径分割，其空间采样受限，只可探伤一定视场范围内的平均波前。

WISE 则经受蜿蜒孔径分割决策，成立散播式袖珍透镜阵列，每个微透镜从不同的视场地点记载入射光子角度的信息，从而有用地最小化串扰，拿获更大视场范围内的空间非一致湍流信息。

图丨WISE 与夏克-哈特曼波前传感器的探伤光路对比（开始：Nature Photonics）

在地对月不雅测执行中，WISE 收尾了对 1100 角秒（直径）视场内约 500 个空间一致湍流波前的及时探伤，速率为 30Hz。WISE 单芯片的不雅测性能等同于近 1000 个传统波前传感器。

除横向散播除外，WISE 芯片的探伤着力还不错用于重构大气湍流在不同海拔上的高精度纵向散播，其分辨率和褂讪性比较传统自妥当光学均极度十倍的擢升。

视频丨广域湍流波前及时不雅测着力（开始：Nature Photonics）

WISE 芯片冲破了广域大气湍流不雅测的壁垒，复原了空间非一致的大气湍流散播，揭示了大气湍流的动态律例。

致远大而尽精微：WISE 助力高精度湍流推断

在光信号的单向传播中，精确的湍流探伤足以摒除谬误。关联词，在双向交互中，湍流的快速演变带来了新的挑战。

典型的交互流程（举例空间光通讯），由下行探伤链路和上行抵偿链路组成，由于两链路间存在时代差，无法径直凭据探伤着力进行抵偿，而是需要推断异日时刻的湍流散播再进行抵偿，即预抵偿。此时，湍流推断的精度显得至关迫切。

正如“致远大而尽精微”所评释的无边深厚与精幽奥密之间的辩证谈判，WISE 芯片探伤“广”域大气湍流的才略，不错权贵擢升湍流推断的“精”度，收尾由“广”致“精”的振荡。

底下视频所展示的是湍流散播的时代演变流程，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。

当咱们仅不雅察小视场范围的湍流时，难以找到那时序演变律例，这恰是基于传统自妥当光学工夫进行湍流推断的艰辛之处。

当视场扩大时，湍流的演化律例变得有迹可循。如泰勒冻结流假说所述，大范围的不雅测数据中，不错明晰地不雅测到大气湍流的举座流动，这将对收尾湍流的精确推断提供强力的复古。

基于 WISE 芯片和时-空神经汇集模子，该课题组收尾了大视场范围下高精度的湍流推断，推断的波前谬误从 224nm 降至 109nm，相较于传统自妥当光学有昭彰擢升。

WISE 芯片为大气湍流时空动态演化律例的规划，探索了新的旅途。

规划东谈主员在中国国度天文台忻悦不雅测站开展了系列执行。WISE 芯片通过 80 厘米口径千里镜在 40 万公里地月不雅测中，收尾了 1100 角秒视场内全域动态湍流高速修订，权贵擢升了成像分辨率与信噪比。

从扫描光场元成像[2]到 WISE 芯片，光子阴魂变得不再深重，千里镜的视线不详穿透大气。

清华大学成像与智能工夫交叉团队在计较成像边界握续翻新，以计较赋能天文，开启计较天文成像新篇章。当视场无穷，视线也将渊博。

异日，该执行室将进一步发达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，凌云纵眺，目穷沉。

参考良友：

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