当前天文观测中，望远镜的最高分辨率和感光元件的采样率仍然是制约获得高质量图像的瓶颈。近期，紫金山天文台研究人员创造性地提出了一种新的图像叠加方法——欠采样的“多次曝光图像反混叠与PSF反卷积技术”，获得了超过望远镜衍射极限的超分辨率图像。该新技术已应用在中国空间站工程巡天望远镜多通道成像仪（CSST-MCI）的科学仿真数据处理管线中，届时CSST-MCI超深场的极限星等将达到30等，光学分辨率至少提高一倍。该研究进展已在线发表在天文期刊英国《皇家天文学会月报》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）杂志上。
十九世纪照相术的应用为天文观测领域带来了质的飞跃，而上个世纪基于CCD、CMOS的数字照相技术更是引领天文学进入了数字化时代，产生了像斯隆数字巡天、哈勃太空望远镜、XMM-Newton、凯克等载入史册的望远镜，本年度人类最强大的太空望远镜“韦布”（JWST）也投入运行。但受限于建造技术和加工工艺，望远镜口径不会无限制加大，感光元件的最小感光单元（pixel）尺寸也不会无限小。在硬件只能提供有限支持的条件下，可以通过软件技术来提升图像质量。天文观测不同于普通的摄影拍照，其被拍摄对象一般是恒久不变的（如系外恒星、星系等）。因此，对于欠采样的感光元件，可以通过对同一天区多次曝光再叠加的方法来提高采样率和信噪比。另一方面，将望远镜口径支架的衍射模型与拍摄到的恒星（点源）图像相结合，就能很好地构建决定望远镜最高分辨率的点扩散函数（PSF），再结合适当的PSF反卷积方法就能获得超过望远镜衍射极限的超分辨率图像。
紫金山天文台研究人员在综合分析其他多次曝光图像叠加技术的基础上，提出的一种带有比值改正项的迭代新技术——欠采样的“多次曝光图像反混叠与PSF反卷积技术”。该技术根植于贝叶斯统计理论，并引入了正则化手段，大大加快了迭代收敛速度，减少了反复使用快速傅立叶变换而导致的振铃效应（ringing），从而得到具有更高保真度的超分辨率图像。与其他技术相比较，新技术用最少的迭代步数实现了在多种场景下（噪音不同、源形态不同、背景不同等）最高峰值信噪比（PSNR）、最高光学分辨率、几乎最高的结构相似性（SSIM）和最小的流量改变量等关键技术指标，对于分辨天体的空间结构、天体测光和引力透镜信号测量都是十分有益的。
图1：新技术（黑线）与其他工作在PSNR，SSIM和流量改变量（越小越好）的对比，横轴为迭代次数
图2：超分辨本领对比，三组双星系统分别在单次曝光的欠采样观测图像（左一）、Drizzle（叠加110副观测图像，左二）、Richardson-Lucy（其他工作中最好的，左三）以及我们的重建技术（右一）中的表现，可以看到新技术是唯一能完全分辨出三组双星系统的图像重建
图3：新技术在JWST-NIRcam三波段F090W（blue）、F150W（green）、F200W（red）的RGB合成图中的表现。动图显示的是SMACS-0723-clusterfield中的一角，一帧是Drizzle叠加的原图（星系上的星芒明显），另一帧是用新技术进行欠采样反混叠和PSF反卷积后的图像，可以看到被卷积在星系上的星芒已经被消除，该图比NASA官方发布的图像像素解析度提高一倍（9384X9384pixel），光学分辨率提高至少一倍。
论文第一作者为紫金山天文台星系宇宙学与暗能量团组的王蕾博士。该研究工作得到了国家自然科学基金委、中国载人航天计划、前沿科学重点研究计划和国家基础学科公共科学数据中心等项目的支持。
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