编者荐语：
我系任彬教授与北京大学团队在<<激光与光电子学进展>>发表特邀综述文章，阐述“天文学高对比度计算成像研究进展”。
文章来源于中国激光杂志社，作者传承辟新的
《激光与光电子学进展》于2026年第8期推出“智能光学天文观测技术”专题，北京大学孙赫、董若冰和厦门大学任彬团队的特邀文章“天文学高对比度计算成像研究进展”被选为本期专题封面文章。
封面解读
封面展示了系外行星高对比度直接成像的核心方法。主体展示了一台光学望远镜和一个被观测的恒星系统，恒星被望远镜中星冕仪的挡板遮挡，观测到的行星光来自于恒星光的反射。通过结合星冕仪设计及图像处理，可抑制恒星光并探测到其周围的行星。
全文链接：任彬, 杨凯宁, 董若冰, 孙赫. 天文学高对比度计算成像研究进展 [J]. 激光与光电子学进展, 2026, 63(8): 0839002.
【研究背景】
过去三十年里，借助视向速度、凌星等间接方法，人类已经确认了大量系外行星，但这些方法更擅长回答“有没有行星”以及轨道、质量等宏观问题，难以直接获取行星大气、云层、偏振特征乃至潜在生物标志物等更细致的信息。要真正研究行星及其星周环境，就必须发展直接成像技术。但这又面临恒星亮度比邻近行星高百万到百亿倍、恒星与行星角距离极小的根本困难。因此，高对比度成像的核心任务，就是在星冕仪、自适应光学等硬件抑制恒星光之后，再依靠差分成像和计算重建算法，把残余散斑噪声中极其微弱的行星或星周盘信号提取出来。未来，从探测年轻巨行星走向探测类地行星，高对比度成像已不单纯是光学问题，而是“智能光学硬件+计算成像算法”协同优化的问题。
北京大学孙赫、董若冰和厦门大学任彬团队在系外行星与星周盘直接成像领域深耕多年，是天文观测与智能计算成像深度交叉融合的代表性研究团队之一。团队持续推动“光学硬件—智能算法—科学发现”全链条创新，并面向中国空间站巡天望远镜（CSST）等重大天文平台积极布局观测计划。未来，团队有望依托CSST的CPI-C星冕仪等高对比度成像平台，进一步实现自适应光学与智能算法的深度融合，服务于系外行星和星周盘的直接探测，为揭示行星形成与演化过程提供关键观测支撑与理论阐释。
【研究进展】
高对比度成像，需要借助星冕仪等装置在前端抑制中央恒星的强光，再通过后端的数据处理，将观测图像中的恒星残余、目标信号和噪声尽可能分离出来。图1以VLT/SPHERE为例直观地展示了前端星冕仪的抑光设计和波前控制流程，采集到的图像再到后端通过算法进行信号处理，高对比度成像本质上是一项光学与计算紧密结合的系统工程。
图1 星冕仪光学系统简图，以VLT/SPHERE配备的变迹光瞳李奥星冕仪为例
角度差分成像（ADI）是目前应用最广泛的高对比度成像方法之一。它利用观测过程中视场旋转带来的变化，使真实天体信号与相对稳定的恒星背景在图像序列中呈现出不同的演化特征，从而为弱信号提取提供依据。这一方法在系外行星等点源目标的探测中表现突出。图2给出了典型例子：在HR 8799系统中，ADI及其改进算法能够有效恢复多颗行星信号。不过，ADI在处理星周盘等延展结构时也存在明显局限，容易在抑制恒星背景的同时削弱甚至改变盘本身的形态。因此，ADI更适合用于行星探测，而在研究复杂盘结构时往往需要结合更精细的建模和算法修正。
图2 利用ADI获取的星周系统图像（基于甚大望远镜的SPHERE/IRDIS仪器的实测序列），包括行星系统（HR 8799，左列）、行星及星周盘系统（PDS 70，中列）、星周盘系统（MWC 758，右列）
偏振差分成像（PDI）主要利用恒星直射光与散射光在偏振性质上的差异来提取目标信号。由于星周盘中的尘埃散射通常会产生较明显的偏振特征，PDI在盘结构研究中具有独特优势，尤其适合揭示恒星附近小角距离处的散射分布。图3展示了这一方法的代表性效果：无论是旋臂结构还是环状结构，在偏振处理后都能够更加清晰地呈现出来，而行星本身的信号则通常不如盘结构显著。这表明，PDI在星周盘形态、尘埃分布和散射特征研究中具有重要价值。
图3 利用PDI获取的星周系统图像（基于甚大望远镜的SPHERE/IRDIS仪器的实测序列），包括旋臂（MWC 758，上排）、圆环（HD 163296，中排）、无明显信号（HR 8799，下排）
参考星差分成像（RDI）则采用另一种思路，即通过引入与目标恒星性质相近的参考星来构建背景模型，再从科学图像中减去恒星背景。与ADI相比，RDI的突出优势在于能够更好地避免对延展目标的“自减”效应，因此在碎片盘和原行星盘的成像中往往更有优势。图4展示了绘架座β系统的典型结果：通过参考星差分，可以较为清晰地恢复主盘和次盘结构；结合其他方法后，还能够进一步揭示该系统中的行星信号。由此可见，RDI在保留盘真实形态方面具有明显优势，也与ADI形成了较强的互补。
图4 利用RDI、PDI及ADI（从左至右）获取的绘架座β岩屑盘的高对比度图像（基于哈勃太空望远镜的STIS 星冕仪观测及甚大望远镜的SPHERE/IRDIS 仪器的实测序列）
除ADI、PDI和RDI外，文章还概述了一些新的进展，包括光谱差分成像（SDI）、相干差分成像（CDI）等。与此同时，智能算法与机器学习也是此领域的前沿重点：包括用神经网络生成更匹配的PSF模板、用深度卷积自编码器区分散斑与行星信号、在大规模巡天中自动做异常检测和弱信号筛选等。这意味着高对比度成像正从传统的“图像减法”发展到人工智能驱动的信号发现。
【总结与展望】
高对比度计算成像的未来发展，不再只是依赖更大的望远镜或更先进的星冕仪，而是要推动光学系统、观测策略与计算方法的协同优化：一方面，不同技术路线将围绕不同科学目标发挥各自优势；另一方面，随着统计建模、机器学习、相干探测和自动检测等方法不断发展，高对比度成像也正加速迈向智能化，并有望继续逼近类地行星直接探测所需的更高对比度极限。总体来看，高对比度计算成像正成为未来重大天文装置的重要技术支撑，有望推动系外行星研究迈向新的阶段，也是“智能光学赋能下一代天文观测技术”的关键落点之一。
该研究得到了国家自然科学基金原创探索计划项目和面上项目的支持。
【作者简介】
任彬，厦门大学教授，国家级青年人才，从事星冕仪科学、仪器表征、数据处理算法等研究。作为负责人主持太空望远镜（哈勃空间望远镜、詹姆斯·韦布空间望远镜）及大型地面望远镜（美国凯克天文台、欧洲甚大望远镜）仪器校准及科学观测项目十余项。
杨凯宁，北京大学未来技术学院博士生，导师为孙赫助理教授。主要研究方向为自适应光学、星冕仪设计等。
董若冰，北京大学教授，长江学者特聘教授，从事系外行星及行星形成研究。
孙赫，北京大学研究员、助理教授，国家级青年人才，主要研究方向为自适应光学和计算成像。实验室聚焦成像系统物理模块与计算模块的协同设计，致力于突破极端尺度观测的物理极限，研发面向前沿科学问题的新一代成像仪器。相关成果已在天体物理、生物医学、先进制造等多个领域得到应用，并支撑事件视界望远镜黑洞成像、空间望远镜系外行星成像等国际大科学任务。
