【ZiDongHua 之創(chuàng)新自科文收錄關(guān)鍵詞：清華大學(xué)  自動化系 傳感芯片 傳感器】
　　
　　紫冬學(xué)術(shù) | 清華大學(xué)自動化系戴瓊海團隊合作研制大氣湍流廣域波前傳感芯片
　　
　　17 世紀(jì)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(xué)家理查德·費曼（Richard Feynman）指出，“湍流是經(jīng)典物理學(xué)中最重要的未解決問題之一。”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，其運動模式具有極強的隨機性，難以精確建模、探測和預(yù)測。
　　
　　清華大學(xué)自動化系戴瓊海院士、吳嘉敏副教授團隊與電子工程系方璐團隊開展交叉合作，提出了計算光場新原理，建立數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)模型，研制了廣域波前計算傳感芯片（Wide-field Wavefront Sensor, WISE），實現(xiàn)了超1100角秒（對角線）范圍的大氣湍流實時探測和預(yù)測。該成像技術(shù)具備大視場、高分辨、強魯棒等優(yōu)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。
 
　　
　　圖丨大氣湍流廣域波前傳感芯片概念圖（來源：Nature Photonics）
　　
　　WISE 芯片的探測能力等價于成百上千個波前傳感器的總和，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和預(yù)測，修正大氣湍流擾動，實現(xiàn)大范圍光信號的高效采集與精準(zhǔn)重建。
 
 
　　
　　圖丨成像與智能技術(shù)交叉團隊的部分成員（左四為論文第一作者郭鈺鐸博士，右二、左三、左二分別為論文的通訊作者方璐教授、戴瓊海院士、吳嘉敏副教授）
　　
　　凌云遠望，目窮千里：千角秒大氣湍流實時觀測
　　
　　對于人眼而言，瞳孔尺寸較小，大氣湍流使得星星呈現(xiàn)出“一閃一閃亮晶晶”；而在地基深空探測中，大口徑光學(xué)望遠鏡受制于大氣湍流，觀測分辨率與信噪比大幅下降。
　　
　　例如，在視寧度較差的條件下，若不做湍流矯正，8 米口徑望遠鏡與 30 厘米口徑望遠鏡的性能無異。大氣湍流這一光子幽靈的存在，嚴(yán)重擾亂了光信號的傳播，成為了地基深空探測的瓶頸。
　　
　　百年以來，人們試圖對湍流的運動過程進行精準(zhǔn)數(shù)學(xué)建模。例如，納維-斯托克斯方程提供了一種有效的湍流模擬方案。然而，大氣湍流過大的尺度與過高的復(fù)雜度讓數(shù)值方法無從下手。因此，基于物理學(xué)的實驗測量成為當(dāng)前主流手段。
　　
　　自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)采用夏克-哈特曼波前傳感器，配以可變形鏡和負(fù)反饋控制系統(tǒng)，率先實現(xiàn)了瞬態(tài)、局部波前的檢測和矯正。但是，其可見光波段的觀測和矯正直徑僅為 5-10 角秒，若要實現(xiàn)更大視場的湍流空間非一致（anisoplanatism）探測，需引入多個波前傳感器對應(yīng)不同視場分別進行探測，不僅系統(tǒng)復(fù)雜度高，而且難以大規(guī)模應(yīng)用。
 
　　
　　圖丨基于 WISE 芯片的大氣湍流觀測系統(tǒng)示意圖（來源：Nature Photonics）
　　
　　課題組深入探究大氣湍流的物理本質(zhì)，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(gòu)可以揭示高維角度域中隱藏的湍流信息，進而突破大氣湍流空間非一致觀測難題。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 能夠捕獲更大視場范圍內(nèi)的空間非一致湍流信息，此優(yōu)勢是由系統(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現(xiàn)直接孔徑分割，其空間采樣受限，只能探測一定視場范圍內(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?dāng)_，捕獲更大視場范圍內(nèi)的空間非一致湍流信息。
　　
　　在地對月觀測實驗中，WISE 實現(xiàn)了對 1100 角秒（直徑）視場內(nèi)約 500 個空間一致湍流波前的實時探測，速度為 30Hz。WISE 單芯片的觀測性能等同于近 1000 個傳統(tǒng)波前傳感器。除橫向分布以外，WISE 芯片的探測結(jié)果還可以用于重構(gòu)大氣湍流在不同海拔上的高精度縱向分布，其分辨率和穩(wěn)定性相比傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)均有數(shù)十倍的提升。
　　
　　視頻丨廣域湍流波前實時觀測結(jié)果（來源：Nature Photonics）
　　
　　WISE 芯片打破了廣域大氣湍流觀測的壁壘，恢復(fù)了空間非一致的大氣湍流分布，揭示了大氣湍流的動態(tài)規(guī)律。
　　
　　致廣大而盡精微：WISE 助力高精度湍流預(yù)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(zhàn)。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(gòu)成，由于兩鏈路間存在時間差，無法直接根據(jù)探測結(jié)果進行補償，而是需要預(yù)測未來時刻的湍流分布再進行補償，即預(yù)補償。此時，湍流預(yù)測的精度顯得至關(guān)重要。
　　
　　正如“致廣大而盡精微”所講述的廣博深厚與精細微妙之間的辯證關(guān)系，WISE 芯片探測“廣”域大氣湍流的能力，可以顯著提升湍流預(yù)測的“精”度，實現(xiàn)由“廣”致“精”的轉(zhuǎn)變。
　　
　　下面視頻所展示的是湍流分布的時間演變過程，由小視場范圍的空間一致湍流變?yōu)閺V域的空間非一致湍流。當(dāng)我們僅觀察小視場范圍的湍流時，難以找到其時序演變規(guī)律，這正是基于傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)進行湍流預(yù)測的困難之處。當(dāng)視場擴大時，湍流的演化規(guī)律變得有跡可循。如泰勒凍結(jié)流假說所述，大范圍的觀測數(shù)據(jù)中，可以清晰地觀測到大氣湍流的整體流動，這將對實現(xiàn)湍流的精準(zhǔn)預(yù)測提供強力的支撐。
　　
　　視頻丨湍流分布演變，由小視場空間一致湍流變?yōu)閺V域空間非一致湍流（來源：Nature Photonics）
　　
　　基于 WISE 芯片和時-空神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該課題組實現(xiàn)了大視場范圍下高精度的湍流預(yù)測，預(yù)測的波前誤差從 224nm 降至 109nm，相較于傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)有明顯提升。WISE 芯片為大氣湍流時空動態(tài)演化規(guī)律的研究，探索了新的路徑。
　　
　　視頻丨基于 WISE 芯片的大氣湍流波前預(yù)測效果（來源：Nature Photonics）
　　
　　研究人員在中國國家天文臺興隆觀測站開展了系列實驗。WISE 芯片通過 80 厘米口徑望遠鏡在 40 萬公里地月觀測中，實現(xiàn)了 1100 角秒視場內(nèi)全域動態(tài)湍流高速矯正，顯著提升了成像分辨率與信噪比。
　　
　　圖丨a，WISE 成像與二維傳感器成像結(jié)果對比，包含全局 1100 角秒（對角線）圖像及局部放大圖像；b，對 a 中白色虛線標(biāo)記處作 Kymograph 分析結(jié)果，橫軸為時間，縱軸為空間，幀采樣率為 15Hz，持續(xù)時間為 60 秒（來源：Nature Photonics）
　　
　　從掃描光場元成像[2]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。清華大學(xué)成像與智能技術(shù)交叉團隊在計算成像領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新，以計算賦能天文，開啟計算天文成像新篇章。當(dāng)視場無限，視野也將無垠。未來，該實驗室將進一步發(fā)揮元成像廣域波前傳感的優(yōu)勢，助力新一代寬視場高分辨地基光學(xué)巡天，凌云遠望，目窮千里。
　　
　　該研究工作以《基于廣域波前傳感芯片的大氣湍流實時觀測》（Direct Observation of Atmospheric Turbulence with a Video-rate Wide-field Wavefront Sensor）為題發(fā)表于Nature Photonics《自然·光子學(xué)》。清華大學(xué)方璐教授、戴瓊海院士、吳嘉敏副教授為通訊作者，清華大學(xué)博士生郭鈺鐸、本科生郝鈺涵、助理研究員萬森為共同一作，博士后張昊、助理研究員朱來余參與了本項研究。該課題受到科技部2030重大項目，國家自然科學(xué)基金委杰青項目、優(yōu)青項目、基礎(chǔ)科學(xué)中心項目，以及北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心的支持。
　　
　　參考資料：
　　
　　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