中国科学院长春光机所团队：让大口径望远镜“看清”白昼星空，突破白天成像盲区｜专辑封面

随着航天活动日益频繁，空间碎片对空间资产安全的威胁不断加剧。在地基探测手段中，光学探测凭借被动工作、作用距离远、测角精度高、综合效费比高等优势，在低轨空间碎片高分辨率成像与编目中发挥着不可替代的作用。然而，与雷达相比，光学手段的主要瓶颈在于不具备全天时工作能力——地基光学望远镜在白天强天光背景下几乎“失明”，目前只能在晨昏时段（太阳高度角约−4°附近的短暂窗口）工作。对于往往在白天过境的太阳同步轨道空间目标，这意味着存在大范围的白天成像盲区。

自适应光学（AO）系统由波前探测器、波前控制器与波前校正器三部分组成，可实时探测并补偿大气湍流引起的波前畸变，使大口径望远镜逼近衍射极限。但长期以来，绝大多数AO系统为夜间天文观测设计，白天强背景下的波前探测能力严重不足。问题的核心在于：天空背景在时间与空间上极不均匀，太阳瑞利散射产生的强背景光不仅掩盖微弱的目标信号，更易使探测器饱和、大幅压低信噪比。如何让自适应光学从“夜间”走向“白昼”，成为空间目标全天时高分辨探测的迫切需求。

本文以探测信噪比（SNR）作为衡量目标可探测性的唯一评价指标：当峰值信噪比优于5时，目标可被探测；结合物理约束的数据处理，基本可实现SNR优于3时的有效探测；当SNR低于3，目标均无法探测。由简化的夏克-哈特曼探测模型可见，提高信噪比存在两条明确技术路线：一是在不降低信号光子数前提下降低背景辐射，背景减半可使SNR提升至1.414倍、可探测星等提高0.37M_v；二是同比例增强信号与背景辐射，同样可获1.414倍的SNR提升。

然而，受夏克-哈特曼子孔径尺寸与积分时间（≤ 2 ms）限制，短积分下背景光子数远高于信号与读出噪声，波前传感器的白天探测能力因此成为整个AO系统白天应用的核心瓶颈。因此如何在强背景下提升SNR也决定了后续的器件选型、波段设计与算法研究。

早在2001年，Beckers等人提出结合极窄带光谱滤波的激光信标自适应光学方案，探索白天热红外波段AO的可行性；2016年，Hart 等通过实验证实钠激光导星配合磁光滤光器可实现白天波前探测。然而，磁光滤光器设备庞大、操控复杂，工程应用困难。2006年，Li等提出视场偏移夏克-哈特曼波前传感器，利用目标视场角远小于天光背景视场角的原理分离目标与背景，并提出最大模板单帧相关算法抑制残余噪声；但该方法仅实现背景偏置减除，并未实质性提升探测信噪比。如何在强、时空非均匀背景下真正“看见”暗弱空间目标，仍是悬而未决的难题。

在白天强天光背景下，夜间AO广泛采用的EMCCD并不适用：其电子倍增增益虽能降低读出噪声，却同时倍增了信号与光子噪声，在强背景下会放大噪声影响，导致同等条件下信噪比下降约28.57%（可探测星等下降约0.37M_v）。更关键的是，受满阱容量限制，增益开启后极易被天光背景噪声淹没而饱和，难以兼顾暗弱目标探测与强背景防饱和。

为此，研究团队选用科学型CMOS（sCMOS）作为白天夏克-哈特曼传感器；其具备大动态范围、低读出噪声（1.6 e⁻）、高量子效率（560 nm处达 82%）、大满阱电荷（30000 e⁻）与高达18750∶1的动态范围，既能收集更多信号与背景光子，又满足低读出噪声要求。

图1 天空背景与空间目标归一化辐照度

即便选好探测器，单一微透镜视场仅约十几角秒，而其前端光路视场可达几角分，导致子孔径间存在严重串扰，天光背景噪声在子孔径间叠加“增强”。对此，团队在夏克-哈特曼缩束光路中引入子孔径视场光阑，约束每个子孔径视场、消除交叠，实验验证背景噪声显著下降。

在质心提取环节，针对天光背景随太阳高度角动态变化、固定阈值难以去除的难题，团队先提出基于高斯背景建模的质心提取算法，有效解决背景扣除问题；进而针对短波红外系统中复杂背景与高亮斑噪声干扰，提出加权自阈值局部对比度算法（WSLCM），该算法在抑制各类干扰的同时提升子孔径信噪比，为白天波前探测提供了可靠的算法支撑。

图2 子孔径视场光阑的影响。（a）子孔径串扰现象；（b）夏克-哈特曼缩束光路设计

图3 加权自阈值局部对比度算法（WSLCM）示意图

研究团队对一台2 m口径望远镜的349单元自适应光学系统进行了白天自适应升级。在太阳高度角7.7°时，系统对目视星等4.7M_v的恒星HIP113116实现闭环校正：恒星成像平均半峰全宽（FWHM）由校正前的1.24″提升至0.23″，达到系统近2.1倍衍射极限的白天AO校正效果，充分验证了自然引导星白天AO关键技术的有效性。

图4 白天自适应光学系统实验光路

图5 白天恒星校正前（左）与校正后（右）成像效果对比

面向4 m口径望远镜，团队加装了一套红外自适应光学系统。2023年7月21日现场实验中，在太阳高度角37.1°、目标与太阳夹角 75.16°的条件下，对6.2M_v恒星HIP11698校正：波前残差RMS由约 1.224λ降至0.22λ，目标FWHM提升至0.25″（约1倍衍射极限）；峰值信噪比由约0.28提升至8.49，提高约30倍；斯特列尔比（SR）由0.03提升至0.76，目标由不可探测状态改善至可探测状态。

图6 白天短波红外 AO 系统光学布局

图7 白天 AO 校正前后中波红外图像及 FWHM、波前残差对比

两项工程成果标志着我国在地基大口径望远镜白天高分辨成像领域实现了从实验室原理验证到工程实用的跨越，为低轨空间碎片全天时监测提供了切实可行的技术路径。

近年来，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在白天自适应光学成像领域取得系列进展：从信噪比理论分析出发，系统解决了强天空背景时空不均匀性与低信噪比波前探测难题，研制了适配白天工况的sCMOS波前传感器、子孔径视场光阑与高斯建模/WSLCM算法，并在2 m、4 m口径望远镜上完成工程验证。相关技术已从实验室原理验证走向工程实用阶段。

面向空间目标全天时、全天候高分辨监测的工程需求，仍有若干关键方向亟待突破：一是发展基于湍流预测的AO控制方法，实现从“被动校正”到“预测校正”的跨越；二是利用多帧时间信息与空间相似性，探索更暗弱空间目标的信号增强方法。未来，随着超弱信号探测与实时大气湍流预测等技术的成熟，白天自适应光学有望为空间态势感知提供更强大的全天时“眼睛”。

姚凯男，研究员、博士生导师，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光电探测部主任。主要从事自适应光学与先进成像技术研究，研究方向包括白天自适应光学、地基大口径望远镜空间目标高分辨率探测与波前传感技术等。现任中国光学学会工程光学专委会委员、中国仪器仪表学会光学仪器分会理事、中国科学院青年创新促进会会员。

王建立，研究员、博士生导师，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副所长，地基“大口径”光电望远镜团队负责人。长期从事地基大口径光学望远镜总体技术研究，带领团队突破大口径反射镜主动支撑、大规模自适应光学等关键技术，完成我国 4 m 光电成像望远镜研制任务。