（来源：中国航空报）

　　在未来高风险的战场上，机载高能武器和激光瞄准系统将面临拦截先进无人机和高超声速导弹的艰巨挑战，这些目标通常以极高速度飞行。在这样的战场上，精准度至关重要，容错率几乎为零。哪怕是一次计算失误，光束的瞬间扭曲，都可能导致任务的失败。

　　如何在超声速冲击波产生的剧烈、混乱的湍流中保持视觉清晰度是下一代光学系统面临的最棘手难题之一。解决该问题的核心在于夏克-哈特曼波前传感器（SHWFS），这种设备最初是为改进天文望远镜而开发的，如今在军用级自适应光学系统中至关重要。

　　这些传感器能够帮助激光武器、监视平台和导弹跟踪器等系统实时调整以适应大气扰动，从而实现精准的“观测”或光束定位。然而，当这些扰动是由冲击波（例如，战斗机超声速飞行时产生的冲击波）引起时，传感器的精度就会大幅下降。

　　在美国海军研究办公室的支持下，美国圣母大学（University of Notre Dame）的一个航空航天研究团队推出了一种尖端算法，能够显著提高夏克-哈特曼波前传感器在极端空气动力学环境下的精度。

　　这项研究已在2025年9月，于《光学与激光技术》（Optics and Laser Technology）期刊发表。该研究成果可能对军事领域在超声速条件下保持激光精度和目标清晰度的能力产生重大影响。

　　这项突破的核心在于高速空气动力学中一个复杂而常见的问题：当空气流过曲面（例如，飞机前部或导弹头锥罩）时，会因空气快速剧烈压缩而产生局部冲击波。这些冲击波会在空气中形成陡峭的密度梯度，导致光线弯曲变形。这些变化会使光束以不可预测的方式模糊或分裂，从而破坏数据并损害整个自适应光学系统。这可能导致灾难性后果，例如，高能激光束方向错误、图像模糊和目标定位失败。

　　简单来说，想象一下在炎热的夏天，试图用相机镜头聚焦沥青路面上方的热浪——但现在，这热浪变成了一堵以每秒数百米的速度高速运动的超声速压缩空气墙。这就是现代传感器系统面临的挑战。

　　为了解决这个问题，研究人员设计了精细的实验室实验，旨在模拟真实世界中的超声速流动条件。他们将一个部分圆柱体放入风洞中，并逐渐增加气流，直到在其表面形成局部冲击波。

　　然后，一束高度准直的激光束直接穿过这片湍流区域。与此同时，两个传感器捕捉到了扭曲的波前：一个是标准的夏克-哈特曼传感器，另一个是数字全息波前传感器（DHWFS），后者能够更直接地测量波前，并被视为比较的黄金标准。

　　研究结果证实了长期以来的怀疑：夏克-哈特曼传感器使用其传统的重建算法时，始终低估了冲击波造成的光学畸变的陡峭程度和幅度。本质上，当物体以超声速飞行时，传感器无法捕捉到完整的图像，这在毫米级精度至关重要的实际军事环境中可能会造成灾难性后果。

　　因此，研究人员着手解决这个问题，他们识别并剔除了“坏数据”——即夏克-哈特曼传感器读数中明显受到冲击波干扰的个别数据点。

　　为了有效地实现这一目标，研究团队尝试了三种先进的统计技术：标准差、峰度（用于衡量异常值的极端程度）和斜率差异（用于衡量测量波前和重建波前之间的不一致性）。每种方法都生成了一种热图，突出显示了传感器数据中可能受到冲击影响的区域。

　　一旦识别并排除了这些受损的数据点，研究人员就利用数学插值——特别是样条插值创建了一种算法，该算法可以通过“猜测”这些区域中波前应有的样子来填补数据空白。最终得到的重建波前与数字全息参考数据更加吻合。

　　结果令人瞩目。研究人员将夏克-哈特曼传感器波前测量的均方根误差降低了30%，这显著提高了光学精度。在实际应用中，这意味着在超声速飞行的混乱环境中，能够获得更清晰的视野、更精确的目标定位和更高的系统可靠性。这种增强的“看穿”扭曲的能力标志着现代战争技术的重大飞跃，即使是纳米级的修正也能产生巨大的影响。

　　或许比数据本身更具说服力的是它对实际应用的意义。在现代战争中，速度和精度至关重要。特别是激光武器系统，即使在极端的空气动力作用下，也需要清晰无比的光学路径。

　　无论安装在飞机、舰船还是卫星上，这些系统都依赖自适应光学技术来抵消高速气流造成的模糊和弯曲。如果这些系统无法精确校正冲击波造成的畸变，其效能将大幅下降。

　　然而，有了这种新的校正方法，未来的军事系统即使在亚声速和超声速飞行之间的混乱区域——以湍流和冲击波气流著称的区域——也能保持视觉和目标定位的精度。

　　鉴于高超声速领域的发展，这项研究显得尤为及时。在这个飞行器以5倍声速甚至更快的速度飞行的领域，冲击波造成的光学劣化问题将呈指数级加剧。

　　除了战场应用之外，该研究成果还可应用于航空航天探索、天文成像，甚至需要在湍流大气层中运行的地面监视系统。尽管目前的研究重点是跨声速和低超声速条件，但所开发的技术可以作为处理更极端情况的基础。

　　然而，研究人员也承认存在局限性。当冲击波覆盖整个光学孔径时，算法的有效性会降低，因为此时无法获得可用于插值的清晰数据。未来的改进可能需要引入机器学习或更复杂的建模方法来处理这些完全被遮挡的情况。

　　该论文还强调了数字全息技术作为参考标准的日益成熟。虽然夏克-哈特曼传感器速度更快、更坚固耐用，非常适合现场部署，但数字全息波前传感器（DHWFS）系统提供了一种更精确（尽管计算量更大）的方法来捕捉畸变波前的完整形状。通过结合这两种技术，研究人员不仅能够评估问题，还能实时测试他们的解决方案。

　　像夏克-哈特曼传感器这样长期以来因其精度而备受信赖的技术正被推向极限。这项新研究提供了至关重要的信息，确保随着飞机飞行速度的提高和任务的日益复杂，视野依然可以保持清晰。 （航柯）