17世纪初，人类开始用观测仪器探测宇宙，捕捉千年光子，接收星河讯息。然而，大气湍流如透明幽灵，干扰光子的前进，遮蔽宇宙奥秘。1964年，物理学家理查德·费曼指出，“湍流是经典物理学中最重要的未解之谜之一。”大气湍流高度混沌，随机性强，难以精确建模、探测和预测。
清华大学成像与智能技术交叉团队，研制广域波前计算传感芯片（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。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。详细而言，他们开发了一种基于光场的即插即用宽场波前传感器(WWS)，可以以30Hz的频率直接观测1100角秒以上的大气湍流。实验测量结果与冯·卡门湍流模型一致，并使用差分图像运动监视器进一步验证了这一点。该WWS连接到80厘米望远镜上，无需额外的可变形镜，即可清晰地分析750米以下三层的湍流轮廓，并实现高分辨率像差校正成像。WWS还能够使用卷积循环神经网络和宽场测量预测33毫秒内的湍流动力学演变，从而更准确地预补偿自由空间光通信过程中湍流引起的误差。动态湍流波前的宽场传感为研究大气光学领域湍流的演变提供了新的机会。相关研究成果以题为“Direct observation of atmospheric turbulence with a video-rate wide-field wavefront sensor”发表在最新一期《Nature Photonics》上。Shack–Hartmann波前传感器(SHWS)等传统方法由于视场(FOV)小且无法解决等晕性问题而面临局限性。WWS利用放置在望远镜原始图像平面上的微透镜阵列(MLA)捕获波前的空间变化，从而能够以视频速率(30Hz)进行宽视场湍流检测。这种设置有效地最大限度地减少了串扰，并在大视场中提供详细的波前信息，将观察到的波前畸变转换为子孔径图像。图1a是使用WWS观测大气湍流的示意图。SHWS和WWS的比较（图1b，c），突出显示WWS的大气探测范围随着海拔的增加而扩大。等晕像差近似原理如图1d所示。图1e描绘了WWS进行大气湍流观测的流程，包括使用多层感知器(MLP)网络进行斜率估计和波前重建。作者通过模拟和成像实验对WWS进行了表征。模拟表明，WWS可以使用单个快照实现像差估计的亚像素精度，这对于捕获瞬态湍流动力学至关重要。WWS表现出对噪声的鲁棒性，并且在广域传感方面优于C-SHWS等传统方法。使用80厘米清华-国家光学中心望远镜进行的成像实验验证了WWS在现实条件下的性能。不同空间分辨率下的波前传感性能如图2a所示。不同大气湍流程度下WWS和C-SHWS的性能比较（图2b）。计算时间比较，展示了WWS的效率（图2c）。月球表面的成像结果，展示了WWS卓越的像差校正和TIS功能（图2d，e）。图2f-h是60秒期间的稳定性分析，验证了WWS在长期传感场景中的精度。WWS 能够直接观测超过 1100 弧秒的大气湍流，捕捉湍流动力学的演变。该研究分析了湍流统计数据，包括泽尼克模式系数的模式间归一化协方差矩阵，与冯·卡门湍流模型很好地吻合。对整个FOV内Fried参数分布的统计分析表明，湍流强度分布均匀。图3a和3b是在多个帧上连续观测大气湍流。实验数据与von Kármán模型之间的协方差矩阵比较以及湍流强度与DIMM测量值的比较，显示对准和局部强度振荡（图3c-e）。图3f是湍流的时间相关性分析。图3g和3h是互相关图和湍流剖面，识别不同高度的湍流层。WWS使用宽场测量和残差卷积长短期记忆(ConvLSTM)网络促进湍流预测。这种预测方法基于泰勒的冻结流假设，可以对自由空间光通信中的湍流引起的误差进行预补偿，从而提高链路可靠性。该网络以高精度预测湍流波前，显着降低均方根误差（RMSE）。图4a和4b分别是大气湍流的概念图和预测方法。残差ConvLSTM网络的架构如图4c所示。作者使用R2和RMSE指标进行性能评估，展示了WWS提高的预测准确性（图4d，e）。预补偿后信号强度改善的示例如图4f所示。作者还进一步展示了不同日期和条件下预测结果的可视化（图4g，h）。本文引入了WWS来直接观察宽视场大气湍流。WWS是一种经济高效的即插即用解决方案，可以轻松适应大多数现有系统，用于定量宽视场波前传感，无需额外修改。这种灵活性使湍流研究摆脱了复杂光学配置的限制。此外，使用WWS的湍流观测范围可以从大气扩展到地面。除了使用月球等扩展源外，稀疏恒星等点源也可以作为湍流观测的目标。然而，由于动态湍流，所需的长曝光时间会使WWS（30Hz）的光场测量变得模糊，而传统的自适应光学系统可以实现长曝光成像，实时反馈高达千赫兹。未来计算资源和高速摄像机的进步可能会解决这个问题。作者期待WWS的广角观测能力将为研究大气湍流的演变开辟新的可能性，并支持多样化的实际应用。--检测服务--