开启计算天文成像新篇章，清华团队研制大气湍流广域波前传感芯片

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。

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。

图丨大气湍流广域波前传感芯片概念图（来源：Nature Photonics）

WISE 芯片的探测能力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。

（来源：该实验室）

近日，相关论文以《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，发表于 Nature Photonics[1]。

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。

图丨相关论文（来源：Nature Photonics）

凌云远望，目穷千里：千角秒大气湍流实时观测

对于人眼而言，瞳孔尺寸较小，大气湍流使得星星呈现出“一闪一闪亮晶晶”；而在地基深空探测中，大口径光学望远镜受制于大气湍流，观测分辨率与信噪比大幅下降。

例如，在视宁度较差的条件下，若不做湍流矫正，8 米口径望远镜与 30 厘米口径望远镜的性能无异。大气湍流这一光子幽灵的存在，严重扰乱了光信号的传播，成为了地基深空探测的瓶颈。

百年以来，人们试图对湍流的运动过程进行精准数学建模。例如，纳维-斯托克斯方程提供了一种有效的湍流模拟方案。

然而，大气湍流过大的尺度与过高的复杂度让数值方法无从下手。因此，基于物理学的实验测量成为当前主流手段。

自适应光学技术采用夏克-哈特曼波前传感器，配以可变形镜和负反馈控制系统，率先实现了瞬态、局部波前的检测和矫正。

但是，其可见光波段的观测和矫正直径仅为 5-10 角秒，若要实现更大视场的湍流空间非一致（anisoplanatism）探测，需引入多个波前传感器对应不同视场分别进行探测，不仅系统复杂度高，而且难以大规模应用。

图丨基于 WISE 芯片的大气湍流观测系统示意图（来源：Nature Photonics）

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，进而突破大气湍流空间非一致观测难题。

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。

图丨WISE 与夏克-哈特曼波前传感器的探测光路对比（来源：Nature Photonics）

在地对月观测实验中，WISE 实现了对 1100 角秒（直径）视场内约 500 个空间一致湍流波前的实时探测，速度为 30Hz。WISE 单芯片的观测性能等同于近 1000 个传统波前传感器。

除横向分布以外，WISE 芯片的探测结果还可以用于重构大气湍流在不同海拔上的高精度纵向分布，其分辨率和稳定性相比传统自适应光学均有数十倍的提升。

视频丨广域湍流波前实时观测结果（来源：Nature Photonics）

WISE 芯片打破了广域大气湍流观测的壁垒，恢复了空间非一致的大气湍流分布，揭示了大气湍流的动态规律。

致广大而尽精微：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。

正如“致广大而尽精微”所讲述的广博深厚与精细微妙之间的辩证关系，WISE 芯片探测“广”域大气湍流的能力，可以显著提升湍流预测的“精”度，实现由“广”致“精”的转变。

下面视频所展示的是湍流分布的时间演变过程，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，该课题组实现了大视场范围下高精度的湍流预测，预测的波前误差从 224nm 降至 109nm，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，探索了新的路径。

研究人员在中国国家天文台兴隆观测站开展了系列实验。WISE 芯片通过 80 厘米口径望远镜在 40 万公里地月观测中，实现了 1100 角秒视场内全域动态湍流高速矫正，显著提升了成像分辨率与信噪比。

（来源：Nature Photonics）

从扫描光场元成像[2]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。

清华大学成像与智能技术交叉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，该实验室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。

参考资料：

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

排版：刘雅坤

便携光通信系统实现高速自由空间光通信

Advanced Photonics Nexus 2023年第6期文章：

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Hua-Ying Liu, Yao Zhang, Xiaoyi Liu, et al. High-speed free-space optical communication using standard fiber communication components without optical amplification[J]. Advanced Photonics Nexus, 2023, 2(6): 065001

自由空间光通信（FSO）可以在无需物理线缆的条件下，实现高速、安全的通信，近年来受到了广泛关注。一方面， FSO是实现高速卫星网络，进而推动高速光通信全球化覆盖的关键。另一方面，FSO也可以用于建立低空光通信网络，为光纤未覆盖区域提供了一种经济、高效且灵活的通信解决方案，实现光通信“最后一公里”的覆盖。而低空FSO的实际应用，离不开FSO系统的集成化，它需要具备极高的便携性，同时保持稳定且准确的跟瞄能力，从而快速、灵活地实现通信链路部署。

近日，南京大学固体微结构物理国家重点实验室的谢臻达教授和祝世宁院士团队 开发了一套便携光通信系统，重量仅9.5 kg。基于这套系统，他们建立了1 km距离的低损耗光通信链路，并利用商业的光纤光通信模块，在无光放大的前提下直接实现了9.16 Gbps通信带宽的自由空间光通信。

该实验展示了这套FSO系统与商用光纤光通信模块的兼容性，可以用于即插即用的高速光通信链路构建，这种灵活便携的FSO系统，对推动未来自由空间光通信网络实用化起到重要作用。相关成果以“High-speed Free Space Optical Communication using a portable and fast-deployable FSO system”为题发表于Advanced Photonics Nexus 2023年第6期。

FSO系统

该实验设计如图1（a）所示，在通信两节点所使用的FSO系统光学口径和机械设计完全一致，并且使用单模光纤进行耦合，因此仅需一对光通信系统就可以实现双向高速光通信。

如图1（b）和（c）所示，每套光通信系统由一个光通信收发模块，一个捕获、指向和跟踪（APT）系统及其电学控制模块构成。其中，APT系统使用了四级闭环反馈控制，首先通过GPS和惯性导航等多传感器融合实现初始捕获，使目标跟踪点进入光学跟瞄视场，进而通过三级光学跟瞄实现高精度光学建链。整套反馈控制实现了全自动化，可以在10分钟时间内自动在任意节点间建立光通信链路。

图1（a）FSO链路示意图；（b）FSO系统实物图；（c）FSO系统设计图；（d）链路衍射损耗

同时，这套系统配备有主动增稳装置，为后续移动平台的搭载打下基础。该系统选择了90 mm的光学直径，如图1（d）所示，这可以将千米级光链路的衍射损耗控制在极低的水平。基于这套高精度、大光学口径的APT系统，链路损耗可以被控制在极低的水平，因而无需光学放大器，便可直接通过光纤光通信模块实现高速自由空间光通信。这使得FSO系统的体积和功耗大大降低，单个FSO系统重量为9.5 kg，体积为45×40×35 cm3，总功耗小于10 W。

外场测试

最终的外场实验示意图如图2（a）所示，Alice系统被放置在一栋大楼的楼顶，Bob系统被安装在一辆电动小车上，这样可以灵活控制Bob位置建立不同距离的FSO链路。

首先，他们在1 km的FSO链路中测试了APT系统性能。如图2（b）所示，跟瞄平均角度误差为3 μrad。如图2（c）所示，此时跟瞄链路的平均损耗为13.7 dB。在该链路中，他们利用10 Gbps带宽的商用光纤光通信模块进行了通信测试。结果如图2（d）所示，在100 s测试时间内，平均通信带宽为9.16 Gbps。

图2（a）外场实验图。（b）跟瞄误差图，其中0~30 s光学精跟踪仅开启第一级，在第30 s时一、二级同时开启；（c）有/无二级精跟踪时的1 km链路损耗；(d)光通信模块通过光纤直接连接和经过1 km自由空间链路时的通信带宽；（e）4 km链路损耗

此外，该工作还在最远4 km的自由空间光链路中测试了APT系统的性能，链路平均损耗为18 dB。该链路损耗的增加主要来自于大气吸收损耗，未来通过光放大或者挑选更好的实验天气，这套FSO系统有望实现更远距离的自由空间光通信。

综上，该团队建立了1km的FSO链路，并利用商业光纤光通信模块实现了无光放大的自由空间光通信，通信带宽达到了9.16 Gbps。该工作的核心是开发了一套重量仅9.5 kg的便携式光通信系统， 可以在10分钟时间内自动构建低损耗的自由空间光链路。基于这套系统，未来标准光纤光通信器件和网络技术可以被直接应用到自由空间光通信网络中。这种集成化、高效率的便携APT系统，不仅可以用于FSO通信，未来也可以用于构建低损耗的量子通信链路，用于实现量子信息的传输。

南京大学博士后刘华颖和硕士张峣为该项成果的共同第一作者，南京大学谢臻达教授和刘华颖博士后为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家创新人才博士后培养计划等项目的支持。

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