清华大学在计算成像方向获新进展

17世纪初，人类开始将观测仪器指向遥远的宇宙，希望捕获穿越千年的光子，接收遥远星河传来的讯息。然而，大气湍流犹如漂浮在空中的透明幽灵，干扰着光子的前进，遮掩宇宙初期的秘密。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重要的未解决问题之一”。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。

清华大学电子工程系方璐团队与自动化系戴琼海院士、吴嘉敏副教授团队开展交叉合作，提出了计算光场新原理，建立数字自适应光学模型，研制了广域波前计算传感芯片（Wide-field WavefrontSensor, WISE），实现了超1100角秒（对角线）范围的大气湍流实时探测和预测。该成像技术具备大视场、高分辨、强鲁棒等优势，感知范围相比广泛使用的夏克-哈特曼波前传感器提升了近千倍。WISE芯片的探测视场等价于成百上千个波前传感器的总和，可广泛应用于现有光学系统，赋能大气湍流的广域探测和预测，修正大气湍流扰动，实现大范围光信号的高效采集与精准重建。

大气湍流广域波前传感芯片概念图

课题组深入探究大气湍流的物理本质，其对于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藏的湍流信息，进而打破广域大气湍流观测壁垒。相比传统自适应光学采用的夏克-哈特曼波前传感器，WISE能够捕获更大视场范围内的空间非一致湍流信息，此优势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平均波前。WISE则采用间接孔径分割方案，配置分布式微型透镜阵列，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一致湍流信息。

基于WISE芯片的大气湍流观测系统示意图