清华大学在计算成像方向获新进展

WISE助力高精度湍流预测在光信号的单向传播中，精确的湍流探测足以消除误差，然而在双向交互中，湍流的快速演变带来了新的挑战。典型的交互过程例如空间光通信，由下行探测链路和上行补偿链路构成，由于两链路间存在时间差，无法直接根据探测结果进行补偿，而是需要预测未来时刻的湍流分布再进行补偿，即预补偿。此时，湍流预测的精度显得至关重要。视频（上）展示的是湍流分布的动态演化过程，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。当我们仅观察小视场范围的湍流时，难以找到其时序演变规律，这正是基于传统自适应光学技术进行湍流预测的困难之处。当视场扩大时，湍流的演化规律变得有迹可循。如泰勒冻结流假说所述，大范围的观测数据中，可以清晰地观测到大气湍流的整体流动，这将对实现湍流的精准预测提供强力的支撑。基于WISE芯片和时-空神经网络模型，团队实现了大视场范围下高精度的湍流预测（视频下），预测的波前误差从224nm降至109nm（所用指标为RMSE），相较于传统自适应光学有明显提升。WISE芯片为大气湍流时空动态演化规律的研究探索了新路径。

从扫描光场元成像到WISE芯片，光子幽灵变得不再神秘，望远镜的视野能够穿透大气。团队在计算成像领域持续创新，以计算赋能天文，开启计算天文成像新篇章。当视场无限，视野也将无垠。未来，团队将进一步发挥元成像广域波前传感的优势，助力新一代宽视场高分辨地基光学巡天，凌云远望，目穷千里。

相关研究成果以“基于广域波前传感芯片的大气湍流实时观测”（Direct Observation of Atmospheric Turbulence with a Video-rate Wide-field Wavefront Sensor）为题，于7月1日发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）。

清华大学电子工程系与国研中心为论文的第一单位，方璐、戴琼海、吴嘉敏为论文通讯作者，2021级电子系博士生郭钰铎、2021级自动化系本科生郝钰涵、自动化系助理研究员万森为论文第一作者，博士后张昊，助理研究员朱来余参与该工作。研究得到科技部2030重大项目、基础科学中心项目以及北京信息科学与技术国家研究中心的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01466-3