夜視成像技術(shù)是在低照度條件下，將不可見輻射加以轉(zhuǎn)換或?qū)⑽⑷醯囊固旃膺M行增強，以實現(xiàn)人眼夜間隱蔽觀察的一種成像技術(shù)，在夜間偵查瞄準、輔助駕駛、導(dǎo)航制導(dǎo)等現(xiàn)代軍事應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。為了確保“單向透明”，充分發(fā)揮“擁有黑夜”的技術(shù)優(yōu)勢，世界軍事強國都投入大量人力、物力開展先進夜視成像技術(shù)研究，使夜視裝備性能得以迅速發(fā)展。

夜視裝備戰(zhàn)術(shù)性能的提升主要依賴于核心夜視器件和信號處理技術(shù)的進步和發(fā)展，探測靈敏度（光通量）和空間分辨率（像元大?。┦且挂曆b備的核心指標(biāo)，且又相互制約。高靈敏度和高分辨率夜視成像一直是夜視技術(shù)發(fā)展所面臨的重要挑戰(zhàn)。未來先進夜視技術(shù)的發(fā)展趨勢應(yīng)該是基于光電轉(zhuǎn)換的光強直接成像與基于計算成像的信號反演成像二者的相輔相成，即“光強直接成像”+“信號反演成像”。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院陳錢教授在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“先進夜視成像技術(shù)發(fā)展探討”為主題的綜述文章。陳錢教授主要從事光電成像與信息處理等方面的研究工作。

先進夜視成像裝備的發(fā)展歷程

這項研究概要地介紹了夜視成像技術(shù)當(dāng)前的進展與所面臨的挑戰(zhàn)，并對未來先進夜視成像技術(shù)的發(fā)展趨勢——基于光電轉(zhuǎn)換的光強直接成像與基于計算成像的信號反演成像分別進行了探討與展望。

傳統(tǒng)夜視成像技術(shù)基于光強直接探測機理、探測器像素和目標(biāo)場景之間通過建立一一對應(yīng)關(guān)系來獲取圖像。探測器是傳統(tǒng)夜視成像技術(shù)的核心。微光夜視技術(shù)利用光電效應(yīng)將微弱光轉(zhuǎn)換成光電子進行放大增強，實現(xiàn)夜間低照度條件下目標(biāo)反射強度的探測，其核心器件是圖像增強器。提升夜視探測靈敏度的核心技術(shù)是光電子倍增技術(shù)，通過提高電荷倍增增益抑制輸出噪聲，從而提高信噪比。圖像增強器主要分真空像增強器和固態(tài)像增強器，前者主要基于外光電效應(yīng)，即金屬陰極表面在能力超過“紅限”的輻照作用下，吸收光子并激發(fā)出自由光電子的效應(yīng)。后者主要基于內(nèi)光電效應(yīng)，即光照射到半導(dǎo)體表面時，內(nèi)部電子吸收光子能量激發(fā)載流子，從而使其導(dǎo)電性能改變的效應(yīng)。

微光夜視器件的光電子倍增機理的發(fā)展階段

受限于器件固有的熱噪聲和光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限，夜視器件的探測靈敏度和空間分辨率已接近物理極限。而未來的軍事應(yīng)用要求夜視成像系統(tǒng)能同時實現(xiàn)高靈敏度和高分辨率成像，而傳統(tǒng)光電成像技術(shù)繼續(xù)發(fā)展已遇到瓶頸，難以滿足上述挑戰(zhàn)性的需求。在此背景下，基于計算成像的信號增強反演成像為夜視成像技術(shù)帶來了新的發(fā)展契機。不同于傳統(tǒng)強度直接成像方法，信號增強反演成像需要對光學(xué)成像系統(tǒng)進行光場調(diào)控，將更多目標(biāo)場景的本質(zhì)信息調(diào)制到測量的光強信號中。這種非直接的反演成像方式打破了傳統(tǒng)光強直接成像技術(shù)對光學(xué)系統(tǒng)與探測器水平的高度依賴，為新一代高靈敏度和高分辨率夜視成像系統(tǒng)的發(fā)展打開了廣闊的空間。

對正向物理成像過程進行數(shù)學(xué)建模并借助于信號反演方法重構(gòu)圖像

夜視裝備的探測能力取決于成像系統(tǒng)的信噪比，最終受限于光子起伏噪聲和器件熱噪聲。在低照度下，探測器所拍攝到的圖像信噪比較低，極低照度下甚至?xí)纬韶?span lang='EN-US'>dB信噪比（信噪比小于1）圖像。負dB信噪比信號反演成像技術(shù)基于同一信號源反射（輻射）能量短時恒定特性，以及固定圖案噪聲（暗電流噪聲和非均勻性）短時不變特性，建立幀間目標(biāo)場景信號S、非均勻性噪聲Np、動態(tài)噪聲Nr、成像投影矩陣間的互相關(guān)理論模型，利用同源信號在幀間和空間不同像元的相關(guān)性，從原始負dB信噪比圖像I中將目標(biāo)場景信號計算反演出來，信噪比可提升一個數(shù)量級甚至更高，最終獲得清晰的目標(biāo)圖像。

圖像的空間分辨率是對圖像細節(jié)分辨能力的一種度量，是對成像系統(tǒng)圖像質(zhì)量評價的關(guān)鍵性指標(biāo)。成像系統(tǒng)的分辨率主要包括圖像分辨率（像元尺寸）與光學(xué)分辨率（衍射極限）。夜視器件為了保證足夠的靈敏度，要求像元具有較大的感光面積，此時像素空間采樣不足，成像系統(tǒng)分辨率由探測器像素的奈奎斯特采樣頻率決定。像素混疊和衍射極限共同成為成像系統(tǒng)分辨率的兩大制約因素。

基于孔徑編碼像素超分辨成像原理

針對探測器空間采樣不足造成的圖像像素混疊難題，該研究提出了基于孔徑編碼的像素超分辨成像技術(shù)。該方法不借助于物理移動器件或空間掃描機制，為突破探測器空間采樣不足所造成的分辨率受限提供了一條嶄新的思路。另外，當(dāng)探測器像素尺寸滿足奈奎斯特采樣定律時，成像系統(tǒng)的分辨率最終由成像系統(tǒng)的孔徑大?。ㄋ鶎?yīng)艾里斑的尺寸）所決定。在波長一定的情況下，只有增大孔徑才能提高成像分辨率。但是隨著孔徑的增大，光學(xué)系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和加工成本呈指數(shù)級上升，上述因素最終限制了成像系統(tǒng)的所能達到的極限分辨率。解決此問題的關(guān)鍵在于如何在非相干條件下實現(xiàn)合成孔徑成像，即非相干合成孔徑反演成像技術(shù)。

非相干合成孔徑技術(shù)原理

在軍事需求牽引和光電成像器件發(fā)展的推動下，夜視成像技術(shù)與裝備性能得到了迅速的發(fā)展。未來的軍事應(yīng)用要求夜視成像系統(tǒng)能同時實現(xiàn)高靈敏度和高分辨率成像，而未來的先進夜視技術(shù)將基于光電轉(zhuǎn)換的光強直接成像與基于計算成像的信號反演成像兩條脈絡(luò)并行向前邁進。傳統(tǒng)“光強直接成像”與基于計算光學(xué)成像的“信號反演成像”二者的結(jié)合為夜視成像技術(shù)下一階段的發(fā)展提供嶄新的思路，這也是目前研究的重點方向。本研究所展示的前期階段性研究成果讓我們堅信：沿著該方向堅持不懈的探索，將有望打破夜視成像系統(tǒng)靈敏度與分辨率之間的制約，建立夜視成像技術(shù)新機制，形成自主可控的新型夜視器件，推動我國夜視技術(shù)與裝備的跨越式發(fā)展。

值得說明的是，當(dāng)前新興的光電功能材料與基于微納結(jié)構(gòu)的光場調(diào)控機制可增強光電探測器對光子的吸收能力，這有望進一步提升器件的探測靈敏度。另一方面，當(dāng)前新型光電成像機理與方法仍在不斷涌現(xiàn)，也將持續(xù)密切關(guān)注并探索這些新技術(shù)在夜視領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。

該項目獲得江蘇省基礎(chǔ)研究計劃前沿引領(lǐng)專項（BK20192003）和國家自然科學(xué)基金（U21 B2033）的支持。