世界著名物理学家理查德·费曼曾指出，“湍流是经典物理学中最重要的未解决问题之一”。大气湍流作为高度混沌系统，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。然而，近期由清华大学电子工程系方璐团队与自动化系戴琼海院士、吴嘉敏副教授团队的合作研究，提出了一种创新性的计算光场新原理，成功研制出广域波前计算传感芯片（Wide-field Wavefront Sensor, WISE），实现了对大气湍流的实时探测和预测
WISE芯片的广域探测和高效重建能力，不仅在科学研究中具有重要意义，还在实际应用中展示了广阔的前景。例如：
天文观测：WISE能够提供更清晰的天文图像，提升观测质量
自由空间光通信：WISE可以提高通信质量，减少湍流引起的信号失真
环境监测和遥感：WISE能够提供更精确的环境监测数据，增强遥感应用的精度和可靠性
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）
创新点
大气湍流是一种复杂且混沌的流体运动状态，对光在大气中的传播有着显著影响。这种波前畸变问题在遥感、自由空间光通信、天文观测等领域带来了挑战。传统的波前传感器，如夏克-哈特曼波前传感器（Shack-Hartmann Wavefront Sensor, SHWS），在探测范围和精度上存在限制，无法有效捕捉大气湍流的全貌
此次研究的创新之处在于开发了一种新型的广域波前计算传感芯片WISE，该芯片在1100角秒的视场范围内实现了大气湍流的实时探测和预测。相比传统的SHWS，WISE具备大视场、高分辨率和强鲁棒性的优势，其感知范围提升了近千倍，等效于成百上千个波前传感器的总和
主要技术实现
计算光场新原理：
研究团队提出了计算光场的新原理，设计了一种即插即用型宽视场波前传感器（WWS），能够在1100角秒的视场范围内以30赫兹的速率直接观测大气湍流。
这种设计通过在望远镜的原生图像平面上放置微透镜阵列（MLA）并在其焦平面上安装CMOS传感器，能够并行检测波前的空间变化，极大地减少了不同视场方向之间的串扰
数字自适应光学模型：
团队建立了数字自适应光学模型，通过预训练的多层感知器（MLP）神经网络，将斜率图投影到Zernike多项式上，实现高效的波前重构
这种方法在捕捉湍流波前的非均匀变化方面表现出色，能够有效地重构湍流波前，并在单次快照中实现亚像素精度的波前估计
湍流动态预测：
基于泰勒的“冻结流”假设，研究团队利用卷积递归神经网络和宽视场测量，能够提前33毫秒预测湍流的动态变化。
这一能力将极大提高自由空间光通信中的误差预补偿精度，从而提升通信质量。
实验验证
通过数值模拟和成像实验，研究团队对WISE的性能进行了定量评估。在模拟中，WISE在单次快照中实现了亚像素精度的波前估计，并展示了强大的抗噪能力。与传统的SHWS相比，WISE在整个视场范围内表现出色，尤其是在中心波长525纳米处的波前预测中，实现了195纳米的均方根误差（RMSE）降低
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