【ZiDongHua 之創(chuàng)新自科文收錄關(guān)鍵詞：清華大學(xué)  自動(dòng)化系 傳感芯片 傳感器】
　　
　　紫冬學(xué)術(shù) | 清華大學(xué)自動(dòng)化系戴瓊海團(tuán)隊(duì)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(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)自動(dòng)化系戴瓊海院士、吳嘉敏副教授團(tuán)隊(duì)與電子工程系方璐團(tuán)隊(duì)開展交叉合作，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 Wavefront Sensor, WISE），實(shí)現(xiàn)了超1100角秒（對(duì)角線）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。
 
　　
　　圖丨大氣湍流廣域波前傳感芯片概念圖（來(lái)源：Nature Photonics）
　　
　　WISE 芯片的探測(cè)能力等價(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。
 
 
　　
　　圖丨成像與智能技術(shù)交叉團(tuán)隊(duì)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(yuǎn)望，目窮千里：千角秒大氣湍流實(shí)時(shí)觀測(cè)
　　
　　對(duì)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(cè)中，大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡受制于大氣湍流，觀測(cè)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(yuǎn)鏡與 30 厘米口徑望遠(yuǎn)鏡的性能無(wú)異。大氣湍流這一光子幽靈的存在，嚴(yán)重?cái)_亂了光信號(hào)的傳播，成為了地基深空探測(cè)的瓶頸。
　　
　　百年以來(lái)，人們?cè)噲D對(duì)湍流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)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(guò)大的尺度與過(guò)高的復(fù)雜度讓數(shù)值方法無(wú)從下手。因此，基于物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)、局部波前的檢測(cè)和矯正。但是，其可見(jiàn)光波段的觀測(cè)和矯正直徑僅為 5-10 角秒，若要實(shí)現(xiàn)更大視場(chǎng)的湍流空間非一致（anisoplanatism）探測(cè)，需引入多個(gè)波前傳感器對(duì)應(yīng)不同視場(chǎng)分別進(jìn)行探測(cè)，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(cè)系統(tǒng)示意圖（來(lái)源：Nature Photonics）
　　
　　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)而突破大氣湍流空間非一致觀測(cè)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(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。
　　
　　在地對(duì)月觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，WISE 實(shí)現(xiàn)了對(duì) 1100 角秒（直徑）視場(chǎng)內(nèi)約 500 個(gè)空間一致湍流波前的實(shí)時(shí)探測(cè)，速度為 30Hz。WISE 單芯片的觀測(cè)性能等同于近 1000 個(gè)傳統(tǒng)波前傳感器。除橫向分布以外，WISE 芯片的探測(cè)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(shí)時(shí)觀測(cè)結(jié)果（來(lái)源：Nature Photonics）
　　
　　WISE 芯片打破了廣域大氣湍流觀測(cè)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(dòng)態(tài)規(guī)律。
　　
　　致廣大而盡精微：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。
　　
　　正如“致廣大而盡精微”所講述的廣博深厚與精細(xì)微妙之間的辯證關(guān)系，WISE 芯片探測(cè)“廣”域大氣湍流的能力，可以顯著提升湍流預(yù)測(cè)的“精”度，實(shí)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(shí)間演變過(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，大范圍的觀測(cè)數(shù)據(jù)中，可以清晰地觀測(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。
　　
　　視頻丨湍流分布演變，由小視場(chǎng)空間一致湍流變?yōu)閺V域空間非一致湍流（來(lái)源：Nature Photonics）
　　
　　基于 WISE 芯片和時(shí)-空神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該課題組實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)范圍下高精度的湍流預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)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(shí)空動(dòng)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(cè)效果（來(lái)源：Nature Photonics）
　　
　　研究人員在中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站開展了系列實(shí)驗(yàn)。WISE 芯片通過(guò) 80 厘米口徑望遠(yuǎn)鏡在 40 萬(wàn)公里地月觀測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了 1100 角秒視場(chǎng)內(nèi)全域動(dòng)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(duì)比，包含全局 1100 角秒（對(duì)角線）圖像及局部放大圖像；b，對(duì) a 中白色虛線標(biāo)記處作 Kymograph 分析結(jié)果，橫軸為時(shí)間，縱軸為空間，幀采樣率為 15Hz，持續(xù)時(shí)間為 60 秒（來(lái)源：Nature Photonics）
　　
　　從掃描光場(chǎng)元成像[2]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。清華大學(xué)成像與智能技術(shù)交叉團(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)，該實(shí)驗(yàn)室將進(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。
　　
　　該研究工作以《基于廣域波前傳感芯片的大氣湍流實(shí)時(shí)觀測(cè)》（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(wàn)森為共同一作，博士后張昊、助理研究員朱來(lái)余參與了本項(xiàng)研究。該課題受到科技部2030重大項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金委杰青項(xiàng)目、優(yōu)青項(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。
　　
　　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