基于孔径调制和光强外推的超分辨率望远成像技术研究

According to their astronomical science objectives, an important requirement for the development of astronomical optical/infrared telescopes is to maximize their spatial resolution. Compared with further increasing physical aperture, super-resolution telescopic imaging technology can greatly reduce the cost and complexity of the system. In this project, a new super-resolution telescopic imaging technology via aperture modulation and intensity extrapolation is proposed. Based on the preliminary work, firstly, this project will study data mining and extrapolation technology in depth, corresponding to the aperture modulation process, to improve the data utilization level and super-resolution ability of reconstruction algorithm. Secondly, image processing and experimental acquisition process will be targeted and optimized to solve the impact of noise and image offset on the resolution enhancement and improve the super-resolution performance of the actual experimental system further. Finally, simulation experiments will be carried out to provide reference for the application of aperture modulation sub-system in space optical/infrared telescope imaging case. The aperture modulation process adopted in this project adds a dimension of optical modulation and opens a new window for the research of super-resolution telescopic imaging technology, and this technology is also applicable to optical surveillance, remote sensing and ground-based optical/infrared telescopes with good adaptive optical correction performance.

天文科学目标对于天文光学/红外望远镜研制的一个重大需求就是能够最大限度地提高其空间分辨能力。相比于进一步增大物理口径，超分辨率望远成像技术能够大大降低系统成本和复杂度。本项目提出了一种基于孔径调制和光强外推的新型超分辨率望远成像技术，在我们先导性研究基础上，首先将结合孔径调制过程对数据挖掘和外推技术进行深入研究，提高重建算法的数据利用率和超分辨能力；然后优化图像处理和实验采集过程，针对性解决噪声和图像偏移等误差因素对分辨率增强的影响，进而提高实际实验系统的超分辨成像性能；最后开展模拟实验为孔径调制子系统在空间光学/红外望远成像中的应用提供参考。本项目采用的孔径调制过程增加了光学调制的一个维度，为超分辨率望远成像技术研究提供了新的思路，所研究技术同样也适用于光学监视、遥感和经自适应光学系统校正后成像效果很好的地基光学/红外望远镜等应用领域。

对天体目标的高分辨率成像一直是天文学研究追求的主要目标之一，其广泛应用于双星候选体证认、系外行星直接成像、超新星和星系核观测等研究领域。受光学衍射极限的影响，光学成像系统分辨率与其口径有关，若要进一步提升光学系统的成像分辨率，须增大光学系统口径。但是，由于光学系统口径受材料、制造成本、质量和有效载荷体积等因素的限制，进一步增大望远镜口径在实现难度和成本上均已是极大挑战，特别是对空间应用而言。而超分辨成像技术为获得超衍射极限成像提供了可能，大大降低系统成本和复杂度。本项目提出一种基于孔径调制的新型超分辨率望远成像技术，在前期研究基础上，主要内容包括：(1)深入挖掘孔径调制过程引入的物理信息，掌握了基于孔径调制法SR望远成像技术的物理机制及关键的数据挖掘和光强外推技术；(2)完成了数据自动化采集和处理的pipeline搭建工作，并初步掌握了噪声和图像偏移等误差因素的数据处理方法，可以为实用于天文观测提供理论和实验参考依据；(3)通过优化技术方案和引入深度学习技术，实现了对不同特征目标源的超衍射极限成像，在实验上对点源目标和简单扩展目标获得大于2倍的角分辨能力增强，对复杂目标获得了接近1.5倍衍射极限的分辨率增强。以上述成果为基础，还探讨了基于孔径调制的分辨率增强技术的两条潜在技术路线。本项目采用的孔径调制过程增加了光学调制的一个维度，为超分辨率望远成像技术研究提供了新的思路。项目组正在将相关方法应用于大视场天文成像中，有望以较低代价实现超/高分辨天文成像，并为将来进行智能天文仪器设计和智能天文数据处理算法研究提供参考。所研究技术同样也适用于对地高精度成像、空间目标监测等军用、民事应用领域。