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。視頻（上）展示的是湍流分布的動(dòng)態(tài)演化過(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。基于WISE芯片和時(shí)-空神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)范圍下高精度的湍流預(yù)測(cè)（視頻下），預(yù)測(cè)的波前誤差從224nm降至109nm（所用指標(biāo)為RMSE），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)律的研究探索了新路徑。

從掃描光場(chǎng)元成像到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。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(kāi)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)，團(tuán)隊(duì)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。

相關(guān)研究成果以“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，于7月1日發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）。

清華大學(xué)電子工程系與國(guó)研中心為論文的第一單位，方璐、戴瓊海、吳嘉敏為論文通訊作者，2021級(jí)電子系博士生郭鈺鐸、2021級(jí)自動(dòng)化系本科生郝鈺涵、自動(dòng)化系助理研究員萬(wàn)森為論文第一作者，博士后張昊，助理研究員朱來(lái)余參與該工作。研究得到科技部2030重大項(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。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01466-3