紫金山天文臺在多次曝光圖像的超分辨率重建領(lǐng)域取得進展

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(zhì)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(shù)”，獲得了超過望遠鏡衍射極限的超分辨率圖像。該項技術(shù)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(shù)據(jù)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(guān)研究成果發(fā)表在《皇家天文學會月報》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上。 i4dy0j
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19世紀照相術(shù)的應用為天文觀測領(lǐng)域帶來質(zhì)的飛躍，而20世紀基于CCD、CMOS的數(shù)字照相技術(shù)引領(lǐng)天文學進入數(shù)字化時代，產(chǎn)生了斯隆數(shù)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(shù)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(shù)來提升圖像質(zhì)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(qū)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(jié)合，能構(gòu)建決定望遠鏡最高分辨率的點擴散函數(shù)（PSF），再結(jié)合適當?shù)腜SF反卷積方法可獲得超過望遠鏡衍射極限的超分辨率圖像。 xFj<KvV[  
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在綜合分析其他多次曝光圖像疊加技術(shù)的基礎(chǔ)上，科研人員提出帶有比值改正項的迭代新技術(shù)——欠采樣的“多次曝光圖像反混疊與PSF反卷積技術(shù)”。該技術(shù)根植于貝葉斯統(tǒng)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(shù)相比較，新技術(shù)用最少的迭代步數(shù)實現(xiàn)了在多種場景下（噪音不同、源形態(tài)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(jié)構(gòu)相似性（SSIM）和最小的流量改變量等關(guān)鍵技術(shù)指標，有利于分辨天體的空間結(jié)構(gòu)、天體測光和引力透鏡信號測量。 ai]KH7  
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