按计划，在十年在轨寿命中，CSST主巡天观测将累计开展约7年观测，覆盖17500平方度的宽场天区和400平方度的深场天区，预计可获得数十亿星系和恒星的测光数据，以及上亿条光谱数据。这些宝贵资料不仅将成为前沿领域研究核心的数据集，也将为其他天文设施提供高价值的观测目标。

如此宏大的科学工程，自然面临着前所未有的挑战。为此，科研团队开发了“端到端”的图像仿真系统——从天体发光到像素成像，全程在计算机中高精度复现。这套仿真工具既能综合评估望远镜的整体特性，也能为数据处理流水线开发团队提供图像模拟数据来验证算法，优化处理流程，同时也为弱引力透镜等各主要科学目标提供通用仿真数据和仿真软件。可以说，在望远镜研制中，开展高保真的图像仿真工作是数据处理系统开发的必要任务之一。

/观测图像的全链路模拟

CSST观测图像仿真软件由模拟星表、望远镜点扩散函数、仪器效应和在轨环境等功能模块组成。它融合了弱引力透镜效应、望远镜工程结构、光栅特性、探测器电子学、宇宙线、背景天光、杂散光等丰富的物理效应，完整还原了从“天体发光”到“像素记录”的全过程物理建模。

【 构建“数字宇宙” 】

图像仿真的第一步，是在计算机里放置数以亿计的模拟天体。目前已完成的仿真数据中，包含了恒星、星系、类星体等三类不同的天体目标。其中，恒星依据Galaxia模型生成。每颗恒星的亮度、颜色、距离、金属丰度等物理参数，均符合当前银河系动力学模型的观测约束。星系则是通过“九天”宇宙学数值模拟，结合半解析星系形成和演化理论，构建出数十亿个具有真实物理属性的虚拟星系。并且，根据星系模型和吸积率等物理性质，在合适星系的中心位置生成了类星体。

此外，为支持弱引力透镜等宇宙学研究，模拟星表还加入了弱引力透镜效应——即宇宙物质结构会使遥远天体发出的光线发生微小偏折，导致星系的观测形状产生微小的畸变。捕捉并分析这些细微的形变信号，正是CSST未来宇宙学研究的主要科学目标之一。

【 光学系统的“数字孪生” 】

CSST在轨巡天工作期间，望远镜的成像质量（专业上称为点扩散函数，PSF）会受到多种因素影响。为还原真实巡天中的成像效果，团队以望远镜光学设计模型为基础，依次在模型中加入镜面加工误差、装调误差、CCD不平整度、重力变形和热变形等静态因素，再叠加微振动和精密稳像残差等动态误差，最终生成贴近实际的PSF分布数据。为了细致评估望远镜的光学能力，通过在焦面不同位置、不同波段进行采样，并结合插值算法和像场畸变建模，仿真系统可实时获取焦面任意位置的PSF和像场畸变信息用于图像仿真。

【 探测器的“电子学复刻” 】

当天体的光子经过光学系统到达成像焦平面后，还需经历探测器的“电子旅程”。仿真系统精细还原了焦面探测器的精确布局和探测器详细参数，并模拟滤光片响应、平场渐晕、快门效应、像元间响应不均匀性、暗电流、泊松噪声、电子弥散、亮胖效应、热像元和坏像元/像列、饱和溢出、非线性响应、电荷转移效率（CTE）、过扫区、本底、串扰、读出噪声、增益、16通道读出、宇宙线、背景天光、杂散光等数十种物理和电子效应，对这些细节的准确建模，是确保图像仿真正确可靠的关键。

【 无缝光谱的“分光魔术” 】

除了“绚丽的”的彩图（多色成像）外，CSST巡天相机的另一大绝技是“无缝光谱”观测——无需狭缝即可同时获取天体的空间与光谱信息。由于CSST单块探测器的面积较大，光谱区域采用了两片光栅拼接的工程设计。主焦面的整个光谱区域被分隔成24个光栅区域。仿真系统针对每个光栅区域，结合光学模型生成位置分光数据，并基于空间位置的生成光谱的分光参数，再对累积光子进行精确“分光”。

目前仿真软件能够准确模拟包含0级、+1级次的工作级次光谱以及-2、-1和+2级次的非工作级次光谱信号。此外，在光谱区域的结构设计中，每块探测器均有沿自身中心的微小旋转偏离，这些结构特征都已被完整纳入仿真实现中。

/ 数字预演，静待启航

依托这套强大的图像仿真引擎，科研团队在虚拟空间完成了一场规模宏大的“数字演习”：选定了一片相当于250个满月大小的天区（50平方度），模拟了2442次精密的指向和曝光。每一次“快门”触发，30片探测器便同步工作，吞吐海量光子信息，最终汇聚成严格符合0级数据标准的仿真数据洪流。

演习结果令人振奋：在信噪比大于5的条件下，点源探测完备度超过95%，测光星等、颜色分布等关键参数均与理论输入高度吻合。

展望未来，随着地面测试数据的持续注入与模块参数的精细迭代，仿真系统将不断进化，为CSST“看清宇宙、读准星辰”筑牢数字基石，使其取得更加丰硕的科学成果。

—— 本文选自《中国国家天文》2026年第4期

作者简介 /

韦成亮，中国科学院紫金山天文台，副研究员，主要从事望远镜观测图像仿真和引力透镜宇宙学的相关研究。 

李国亮，中国科学院紫金山天文台研究员，博士生导师，主要研究领域为引力透镜、宇宙学、望远镜成像模拟、天文数据分析等。