北航新闻网8月15日电（通讯员 张笛）8月10日，北京航空航天大学宇航学院白相志教授团队大气湍流红外成像机制及其强度测量研究成果，以“Revelation of hidden 2D atmospheric turbulence strength fields from turbulence effects in infrared imaging”为题发表于《自然·计算科学》（Nature Computational Science）。期刊同步以“An imaging-based approach to measure atmospheric turbulence”为题发表研究简报（图1），对该成果进行介绍和评述。该研究提出了一种大气物理测量与成像质量提升相互协作的深度学习框架，从大气湍流退化的红外成像数据中同时推理获得大气湍流二维强度场和高质量成像数据，展示了通过成像探测获得复杂物理场的崭新途径。
图1 研究论文（左）及研究简报（右）
流体在大雷诺数和惯性力主导下发生多尺度能量级联过程，导致流体运动向不稳定性和非线性演化，形成湍流。如何解释湍流效应是经典物理和流体力学中尚未解决的重要问题。湍流在自然大气中的广泛存在使得大气湍流强度的量化和测量在航空航天、气象科学、大气科学等工程领域和理论研究中至关重要。然而，大气系统的非线性响应、复杂边界条件和尺度极端差异等特性导致大气湍流极度不稳定，这使得大气湍流强度测量极为困难。现有测量技术一般需要依赖甚高频雷达、无线电探空仪等昂贵设备，并且通常仅能提供稀疏的点测量结果。因此，如何直接测量大气湍流的二维强度场是亟待解决的重要科学问题，不仅具有重要科学意义而且挑战性极高。
白相志教授团队针对上述问题展开了长期的深入研究，前期研究（Nature Machine Intelligence，2021年第10期）发现，大气湍流成像介质折射率无规则变化导致光线在传输过程中发生强度和相位波动，在成像数据上表现出复杂大气湍流光学效应。更为重要的是，大气湍流动能耗散导致热辐射光波发生能量波动，进一步在红外成像数据上表现出复杂大气湍流热效应。这些湍流成像复杂效应恰好又与作为成像介质的大气湍流强度分布紧密相关。可见，若能精准捕捉并量化成像数据中的复杂湍流光热效应，将为大气湍流二维强度场的直接测量提供可能。基于上述启发，白相志教授团队提出数据驱动的大气湍流二维强度场直接测量方法，构建了包含137,336帧红外图像以及对应湍流强度场的红外湍流图像数据集，提出了大气湍流物理测量和成像质量提升双任务相互促进的协作学习框架（PBCL），通过高质量成像数据重建（PSNR>35）任务的高效完成精准捕捉并量化成像数据中的复杂湍流光热效应，进而以精准捕捉的湍流光热效应驱动实现湍流强度的高精度测量（R2>0.9）。进一步，通过大气湍流的波动、功率谱、动能耗散率与雷诺应力场分析（图2，图3），验证了从畸变成像数据中获取丰富大气湍流特征的可行性和大气湍流强度场测量的准确性。该研究不仅为大气湍流的二维强度场测量开辟了一条新途径，还为基于成像探测的复杂物理场测量提供了新思路，具有重要的理论价值和应用潜力。
图2 以PBCL方法获取的湍流强度场为基础进行湍流波动与谱分析
图3 以PBCL方法获取的湍流强度场为基础进行湍流动能耗散率与雷诺应力场分析
2021级硕士研究生王亚东为该论文第一作者，白相志教授为通讯作者，北京航空航天大学为唯一完成单位。宇航学院博士研究生晋达睿、陈俊彰，硕士研究生江行舶、胡宇轩在研究中也做出了贡献。该研究得到国家自然科学基金（62271016）、虚拟现实技术与系统全国重点实验室、北京市自然科学基金（4222007）、中央高校基本科研业务费的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s43588-023-00498-z
（审核：刘睿）
编辑：贾爱平
