In astronomy, upcoming space telescopes with wide-field optical instruments have a spatially varying point spread function (PSF). Specific scientific goals require a high-fidelity estimation of the PSF at target positions where no direct measurement of the PSF is provided. Even though observations of the PSF are available at some positions of the field of view (FOV), they are undersampled, noisy, and integrated into wavelength in the instrument's passband. PSF modeling represents a challenging ill-posed problem, as it requires building a model from degraded observations that can infer a super-resolved PSF at any wavelength and position in the FOV. Our model, coined WaveDiff, proposes a paradigm shift in the data-driven modeling of the point spread function field of telescopes. We change the data-driven modeling space from the pixels to the wavefront by adding a differentiable optical forward model into the modeling framework. This change allows the transfer of complexity from the instrumental response into the forward model. The proposed model relies on stochastic gradient descent to estimate its parameters. Our framework paves the way to building powerful, physically motivated models that do not require special calibration data. This paper demonstrates the WaveDiff model in a simplified setting of a space telescope. The proposed framework represents a performance breakthrough with respect to the existing state-of-the-art data-driven approach. The pixel reconstruction errors decrease 6-fold at observation resolution and 44-fold for a 3x super-resolution. The ellipticity errors are reduced at least 20 times, and the size error is reduced more than 250 times. By only using noisy broad-band in-focus observations, we successfully capture the PSF chromatic variations due to diffraction. Code available at https://github.com/tobias-liaudat/wf-psf.


翻译:在天文学中,即将到来的带有广域光学仪器的空间望远镜具有空间差异的分布功能(PSF),具体的科学目标要求对PSF在不提供PSF直接测量的目标位置进行高纤维估计。即使对PSF的观测在视野(FOV)的某些位置上是可以得到的,但是对PSF的观测却被少取样、吵闹和融入到仪器传感带的波长中。PSF的建模是一个具有挑战性的错误的问题,因为它需要从退化的观测差错中建立一个模型,在FOV的任何波长和位置上可以推断出超级解析的 PSFF。我们的模型,即PSWaveDiffiff, 提议对望远镜点扩散功能领域的数据驱动模型进行范式转换。我们把数据驱动的模型从像素到波前端,在模型中添加了不同的光学前方模型。这种改变使得从工具流到前方模型的复杂程度得以转换。拟议的模型依靠超分辨率的离子流流流流到最差的观测参数。我们的PSWD-DFDFD的模型在最小化模型中可以降低一个功能的变数。这个模型在模型中用来构建一个软化的功能模型,而不用的功能的功能模型将一个功能变化的功能模型将一个功能变化的功能到一个功能化的功能化的模型,在使用一个模型,在演示的模型将一个功能到一个软化的功能的功能的模型。

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