【儀表網 儀表研發】目前，天文觀測中望遠鏡的最高分辨率和感光元件的采樣率仍是獲得高質量圖像的瓶頸。近期，中國科學院紫金山天文臺科研團隊提出新的圖像疊加方法——欠采樣的“多次曝光圖像反混疊與PSF反卷積技術”，獲得了超過望遠鏡衍射極限的超分辨率圖像。該項技術已應用在中國空間站工程巡天望遠鏡多通道成像儀(CSST-MCI)的科學仿真數據處理管線中，屆時CSST-MCI超深場的極限星等將達到30等，光學分辨率至少提高一倍。相關研究成果發表在《皇家天文學會月報》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)上。
 

　　19世紀照相術的應用為天文觀測領域帶來質的飛躍，而20世紀基于CCD、CMOS的數字照相技術引領天文學進入數字化時代，產生了斯隆數字巡天、哈勃太空望遠鏡、XMM-Newton、凱克等望遠鏡，本年度世界最強大的太空望遠鏡“韋布”(JWST)也投入運行。但受限于建造技術和加工工藝，望遠鏡口徑無法無限制加大，感光元件的最小感光單元(pixel)尺寸也無法無限小。在硬件提供有限支持的條件下，科研人員通過軟件技術來提升圖像質量。天文觀測不同于普通的攝影拍照，被拍攝對象一般是恒久不變的(如系外恒星、星系等)。因此，對于欠采樣的感光元件，研究通過對同一天區多次曝光再疊加的方法，提高采樣率和信噪比。另一方面，將望遠鏡口徑支架的衍射模型與拍攝到的恒星(點源)圖像相結合，能構建決定望遠鏡最高分辨率的點擴散函數(PSF)，再結合適當的PSF反卷積方法可獲得超過望遠鏡衍射極限的超分辨率圖像。
 

　　在綜合分析其他多次曝光圖像疊加技術的基礎上，科研人員提出帶有比值改正項的迭代新技術——欠采樣的“多次曝光圖像反混疊與PSF反卷積技術”。該技術根植于貝葉斯統計理論，并引入了正則化手段，加快了迭代收斂速度，減少反復使用快速傅立葉變換而導致的振鈴效應(ringing)，從而得到具更高保真度的超分辨率圖像。與其他技術相比較，新技術用最少的迭代步數實現了在多種場景下(噪音不同、源形態不同、背景不同等)最高峰值信噪比(PSNR)、最高光學分辨率、幾乎最高的結構相似性(SSIM)和最小的流量改變量等關鍵技術指標，有利于分辨天體的空間結構、天體測光和引力透鏡信號測量。
 

　　研究工作得到國家自然科學基金委、中國載人航天計劃、中科院前沿科學重點研究計劃和國家基礎學科公共科學數據中心等的支持。
 

　　圖1.新技術(黑線)與其他工作在PSNR，SSIM和流量改變量(越小越好)的對比，橫軸為迭代次數。

 

　　圖2.超分辨本領對比，三組雙星系統分別在單次曝光的欠采樣觀測圖像(左一)、Drizzle(疊加110副觀測圖像，左二)、Richardson-Lucy(其他研究工作中最好的圖像，左三)以及重建技術(右一)中的表現，可看到新技術能完全分辨出三組雙星系統的圖像重建。

 

　　圖3.新技術在JWST-NIRcam三波段F090W(blue)、F150W(green)、F200W(red)的RGB合成圖中的表現。動圖顯示的是SMACS-0723-clusterfield中的一角，一幀是Drizzle疊加的原圖(星系上的星芒明顯)，另一幀是利用新技術進行欠采樣反混疊和PSF反卷積后的圖像，可看到被卷積在星系上的星芒已被消除，該圖比NASA官方發布的圖像像素解析度提高一倍(9384X9384pixel)，光學分辨率提高至少一倍。