近日，国际著名天体物理期刊ApJS（The Astrophysical Journal Supplement Series，IF 8.132）录用了本课题组与国家天文台合作的学术论文《Target Detection Framework for Lobster Eye X-Ray Telescopes with Machine Learning Algorithms》，该工作由智能光学成像实验室贾鹏、刘文波、国家天文台刘元研究员和潘海武博士完成。
宇宙中天体发出的电磁波携带着天体的活动信息，是人类与天体交流的信使。其中，天体发出的X射线光子能够揭示宇宙中神秘迷人的高能活动，既是人类探索黑洞和中子星等神秘天体的窗口，也是了解引力波和宇宙学的关键，更是发现新天文现象和新科学的重要手段。从信号发射模式上区分，当前主要有两类X射线源，一类是人类已知的长期发射信号的X射线源，例如天鹅座X-1等；另外一种是随机发射信号的X射线源，这类天体有可能在天空任意位置，任意时刻发射信号，因此又被成为暂现源。例如，当天体被黑洞吞噬时，在X射线探测波段会发出强烈的信号。但是，因为黑洞并不发光，所以发生前述现象前，科学家既无法探知这类天体的位置，更无法确定发生的时间。
为了更好地观测宇宙中的高能暂现源，我国天文学家提出并建造了爱因斯坦探针卫星（EP）。EP搭载了两台望远镜WXT和FXT，其中WXT负责在轨识别并发现天空中有趣的X射线目标，FXT根据WXT的信号进行后随观测。X射线光子能量较高，传统的光学系统无法实现有效成像，因此，EP-WXT采用了龙虾眼望远镜(LE)。龙虾眼望远镜模仿龙虾眼的光学成像原理，由一个有许多微孔的板组成，每个孔隙都有一个锥形的矩形形状，进入其中的x射线光子被反射在孔壁上，并形成图像，这个图像主要集中在一个十字形状上，如图1所示。
十字臂是龙虾眼望远镜点扩散函数（PSF）的主要特征。由于所有由龙虾眼望远镜观测的目标都会受十字臂PSF的调制，因此给目标检测算法研发带来了困难。传统上，科学家会根据光子在探测器平面上的位置生成2D图像，并使用经典算法来检测目标。然而，由于X射线波段天体的光子数很少，常规的检测算法在探测低流量天体时的完备性以及整体的检测纯度都相对较低。我们团队以EP WXT的模拟数据为基础（模拟图像和实际观测图像的对比图如图2），提出了一种新的龙虾眼X射线望远镜目标检测框架。
首先是候选源检测部分，使用几种不同的基于机器学习的目标检测算法从2D图像中检测出不同通量的天体目标；然后是分类筛选部分，使用条件限制和随机森林算法从候选检测对象中获得最终检测结果。我们产生Level-1图像（256 x 256像素）用于极亮和明亮目标的检测，产生Level-2图像（512 x 512像素）用于普通目标的检测。该框架算法具有较高纯度（超过94%）、适中的完备性（对于通量大于3MCRAB(9.6×10−11erg/cm2/s)的目标，完备率超过90%）的同时对观测条件的变化具有较强的鲁棒性（曝光时间从100秒到1200秒变化时，检测纯度都能保持在90%以上）。
由图4可知，团队提出的检测框架对不同通量范围内的天体，特别是极亮目标和普通目标都具有更好的检测性能。由图5可知，团队提出的方法可以检测到大部分中等亮度以上的目标，甚至是一些人眼难以识别的目标。总体而言，对于EP上WXT获得的数据，我们团队的这个算法是一个足够满足基本需求的目标检测框架。接下来，研究团队将针对检测框架的平均定位误差较大的情况进行优化，同时检测算法考虑其他两个维度的信息：能量和到达时间。在以后的工作中，还需要根据检测结果进一步设计分类算法，进而区分不同X射线天体目标的类别。
本研究获得国家自然科学基金（NSFC资助号:12173027、12173062），中国载人航天工程（NO. CMS-CSST-2021-A01 and CMS-CSST-2021-B12）和平方公里阵（SKA NO. 2020SKA0110102）等项目的科研资助。
研究代码已经过China-VO代码共享平台发布（DOI: 10.12149/101175），相关云服务资源由智能光学成像实验室部署，可以通过联系负责人贾鹏（robinmartin20@gmail.com）获取使用权限。
论文内容解读由太原理工大学刘文波同学完成，刘文波同学2019年本科毕业于西安电子科技大学，20年加入太原理工大学智能光学成像实验室开展机器学习及人工智能方面的研究，目前主导小组内X射线龙虾眼望远镜目标检测和源分类方面的研究。
智能光学成像实验室由贾鹏博士建立，面向国家基础科学装置和战略需求，开展光电系统数字孪生及智能信号处理研究，研究成果服务我国空间站巡天望远镜、欧洲极大光学望远镜、大光学红外望远镜、平方公里阵列、爱因斯坦探针、司天计划等国内外大科学装置。近年来，在国家自然科学基金、载人航天工程和平方公里阵专项项目支持下，融合天文仪器数字孪生和智能数据处理技术开展天文目标信息自动提取和未知天文目标发现研究，助力我国科学实现从0到1的突破。
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