基于可微分渲染的系外行星成像：利用波前传感数据提升高对比度探测能力

《IEEE Transactions on Computational Imaging》：Exoplanet Imaging via Differentiable Rendering

本刊编辑推荐：针对系外行星直接成像中由波前像差引起的星斑噪声干扰问题，研究人员提出了一种基于可微分渲染的创新后处理方法。该方法通过构建日冕仪光学系统的可微分模型，利用梯度下降优化迭代修正过时的波前像差估计，显著提升了星光抑制效果。仿真实验表明，该方法在詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）配置下可实现接近光子噪声极限的探测灵敏度，为利用波前传感数据开辟了新途径。

　　

在探索宇宙生命奥秘的征程中，系外行星直接成像技术扮演着关键角色。然而，宿主恒星与行星之间高达数十亿倍的亮度对比度，使得探测类地行星犹如在探照灯下寻找萤火虫。波前像差产生的星斑噪声不仅会掩盖微弱行星信号，其动态演化特性更让传统后处理方法束手无策。传统方法主要依赖图像强度域的统计特征，却忽视了波前传感数据这一宝贵资源。正是基于这一挑战，研究人员在《IEEE Transactions on Computational Imaging》上发表了突破性研究，通过可微分渲染技术将波前空间信息引入系外行星探测，开创了高对比度成像的新范式。

研究团队开发了基于物理光学模型的可微分渲染器，其技术核心包括：构建JWST近红外相机（NIRCam）日冕仪系统的完整光传播模型，实现从波前像差到最终图像的端到端可微模拟；利用真实在轨测量的光学路径差（OPD）数据作为初始估计，通过梯度下降算法优化像差修正；采用针对系外行星探测特点的信噪比（SNR）评估体系，以5σ为检测阈值验证方法有效性。特别值得注意的是，该方法仅需单次观测图像即可进行优化，无需消耗额外望远镜时间获取参考图像。

研究方法上，团队建立了严格的计算实验体系。基于JWST实际配置的仿真系统包含以下关键要素：使用2022年8月11日和14日实测的OPD数据模拟波前像差演化；以β Pictoris恒星为光度校准基准，在4.5μm波长下模拟单色点光源；设置10^-6-10^-5对比度范围的行星信号，覆盖类地行星探测的典型挑战场景。可微分渲染器$\mathrm{??}$的物理模型精确模拟了光波通过孔径光阑、焦平面掩模、Lyot光阑等光学元件的传播过程，其数学表达为：

$$

??

noiseless = |?D·C·?B·?P·(x⁽⁰⁾·e^ip_star·e^iφ)|²

星光抑制效果验证

通过系统对比不同对比度水平（8×10^-7至4×10^-6）和波前漂移量（20-80小时）下的成像结果，研究发现可微分渲染方法能显著改善星光点扩散函数（PSF）估计精度。在角距离0.6角秒、对比度10^-6的典型场景下，优化后的残差图像信噪比提升达3倍以上，接近使用真实波前像差的理想减法效果。特别值得注意的是，该方法对行星位置变化展现出强鲁棒性，在0.5-1.5角秒范围内均保持稳定性能。

探测灵敏度边界分析

与主流方法KLIP（Karhunen-Loeve Image Projection）的对比实验表明，可微分渲染方法在全部测试场景中均表现出优势。如图6所示，该方法在0.3-1.2角秒分离范围内接近理论光子噪声极限，显著优于KLIP方法约1个数量级。特别是在小角距离区域（<0.5角秒），传统方法因日冕仪掩模衰减效应性能急剧下降，而新方法通过精确波前修正保持了相对稳定的探测能力。

多行星系统适用性

研究还验证了方法对多行星探测场景的天然适应性。如图11所示，在同时存在2-4颗行星的系统中，该方法无需修改模型结构即可同步揭示所有行星信号。这种优势源于其核心思想——通过精确估计主导性的恒星PSF，让任意数量的行星信号自然显现于残差中，避免了传统方法需要预设行星数量的局限性。

模型失配敏感性

针对实际应用中可能存在的光学模型误差，研究团队系统评估了Lyot光阑位移（X/Y轴偏移、旋转）对性能的影响。结果显示，在10%尺寸偏移或1度旋转范围内，方法保持稳健性能。这种强鲁棒性源于梯度优化过程对系统误差的部分补偿能力，为实际望远镜应用提供了重要保障。

研究结论深刻指出，可微分渲染框架将波前空间信息与科学图像观测有机结合，实现了系外行星探测范式的革新。与传统后处理方法相比，该方法不仅提升了探测灵敏度，更显著减少了参考观测的时间成本，为未来宜居世界观测站（Habitable Worlds Observatory）等重大计划提供了技术储备。值得注意的是，该方法达到光子噪声极限的特性意味着延长曝光时间可直接提升探测能力，这与受系统误差限制的场景有本质区别。尽管当前研究基于单色点源假设，但其框架可自然扩展至宽带观测、扩展源成像等更复杂场景，为系外行星大气表征等前沿课题开辟了新路径。