面向空间碎片观测的点扩散函数测量和重建研究

Optical observation of space debris is one of the most important methods for space debris detection. However, special observation strategy and the aberrations brought by the wide-field refracting telescopes greatly reduce data quality during observations. In this project, a new image restoration method based on point spread function (PSF) measurement is proposed. During the observation of space debris, liquid crystal spatial light modulators (LC-SLM) will be placed in the measurement light path. The LC-SLM will introduce additional offsets to the original images of the reference stars and then the original PSFs of the reference stars will be able to be obtained according to the offset images. We can then obtain the PSFs within the field of view through compressed sensing according to the reference stars' PSF and the PSF model of the wide field refracting telescope. With the PSFs of the whole field of view, a deconvolution algorithm based on image fusion is proposed. With this algorithm we will be able to increase the data quality of space debris and further increase detection efficiency and astrometry accuracy. The deconvolution algorithm developed in this project will be able to remove the side effects to space debris detection brought by the spatial variable PSFs and provide a new method for space observation in our country.

光学观测是空间碎片监测的重要手段。但是，空间碎片光学观测数据受特殊的观测策略与望远镜像差等因素的干扰，限制了其科学产出。因此，本项目提出一种基于点扩散函数（PSF）测量和重建的空间碎片图像恢复方法：在对空间目标进行观测的同时，本方法在测量光路使用液晶空间光调制器对参考恒星的PSF进行调制，并以调制的图像作为基础，获得参考恒星的PSF；结合大视场折射式望远镜的PSF模型和实测的参考恒星PSF，通过压缩感知技术重建全视场不同位置的PSF；根据重建的PSF，建立一种基于图像融合技术的大视场反卷积算法，利用该算法对观测获得的空间碎片图像进行恢复。本项目的研究成果能够有效改正望远镜视场内PSF的变化对图像带来的影响，以达到提高空间碎片探测效率与测量精度的目的，为提高我国的空间碎片光学观测能力提供一种新的研究思路。

大视场小口径望远镜是观测空间碎片的重要手段之一。受望远镜像差、大气湍流及观测策略影响，最终获取的图像往往会受到随时间、空间变化的点扩散函数影响。变化的点扩散函数会影响望远镜观测能力，降低数据质量。通过测量和对点扩散函数建模，设计后处理方法，可以提高数据质量。为此，我们进行了点扩散函数测量和建模方面的工作，包括：建立了基于PCA的点扩散函数建模方法、建立了基于DAE的点扩散函数建模方法、建立了基于深度神经网络的点扩散函数模型、建立了基于SOM的点扩散函数内插方法、建立了基于压缩感知的点扩散函数内插方法和搭建了利用液晶空间光调制器和压缩感知方法的夏克哈特曼波前探测器。.我们在上述方法基础上，通过软件和硬件结合的方式，能够粗略估计出大视场小口径望远镜的点扩散函数。利用估计出的点扩散函数可以用于后处理方法设计，也可以直接用于天体测量或测光。利用我们的办法，我们发现通过对点扩散函数测量并设计后处理方法，可以对天体测量精度提高一倍左右。此外，我们发现作为影响大视场小口径望远镜成像质量的主要因素-大气湍流具有5~10分钟的变化规律，这一变化规律与SDSS发现的点扩散函数变化规律相近。这一发现为深入理解大视场小口径望远镜成像过程提供了基础。.本项目研究期间共发表论文15篇，申请专利8项，申请软件著作权2项，培养硕士研究生3名。本项目超额完成了任务书要求的各项指标，部分研究成果具有较好的应用前景。本项目的产出可以为我国正在建设的大视场望远镜提供一种新的数据处理方法和手段，促进我国天文学科的建设。