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(jìn)行增強(qiáng)，以實(shí)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(zhǔn)、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(shì)，世界軍事強(qiáng)國都投入大量人力、物力開展先進(jìn)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(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，探測(cè)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(jìn)夜視技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是基于光電轉(zhuǎn)換的光強(qiáng)直接成像與基于計(jì)算成像的信號(hào)反演成像二者的相輔相成，即“光強(qiáng)直接成像”+“信號(hào)反演成像”。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)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(jìn)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(jìn)夜視成像裝備的發(fā)展歷程

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

傳統(tǒng)夜視成像技術(shù)基于光強(qiáng)直接探測(cè)機(jī)理、探測(cè)器像素和目標(biāo)場(chǎng)景之間通過建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系來獲取圖像。探測(cè)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(jìn)行放大增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)夜間低照度條件下目標(biāo)反射強(qiáng)度的探測(cè)，其核心器件是圖像增強(qiáng)器。提升夜視探測(cè)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(qiáng)器主要分真空像增強(qiáng)器和固態(tài)像增強(qiáng)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(shí)，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(jī)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(cè)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(shí)實(shí)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(jì)算成像的信號(hào)增強(qiáng)反演成像為夜視成像技術(shù)帶來了新的發(fā)展契機(jī)。不同于傳統(tǒng)強(qiáng)度直接成像方法，信號(hào)增強(qiáng)反演成像需要對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行光場(chǎng)調(diào)控，將更多目標(biāo)場(chǎng)景的本質(zhì)信息調(diào)制到測(cè)量的光強(qiáng)信號(hào)中。這種非直接的反演成像方式打破了傳統(tǒng)光強(qiáng)直接成像技術(shù)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)與探測(cè)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(duì)正向物理成像過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并借助于信號(hào)反演方法重構(gòu)圖像

夜視裝備的探測(cè)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(cè)器所拍攝到的圖像信噪比較低，極低照度下甚至?xí)纬韶?fù)dB信噪比（信噪比小于1）圖像。負(fù)dB信噪比信號(hào)反演成像技術(shù)基于同一信號(hào)源反射（輻射）能量短時(shí)恒定特性，以及固定圖案噪聲（暗電流噪聲和非均勻性）短時(shí)不變特性，建立幀間目標(biāo)場(chǎng)景信號(hào)S、非均勻性噪聲Np、動(dòng)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(hào)在幀間和空間不同像元的相關(guān)性，從原始負(fù)dB信噪比圖像I中將目標(biāo)場(chǎng)景信號(hào)計(jì)算反演出來，信噪比可提升一個(gè)數(shù)量級(jí)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(duì)圖像細(xì)節(jié)分辨能力的一種度量，是對(duì)成像系統(tǒng)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)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(shí)像素空間采樣不足，成像系統(tǒng)分辨率由探測(cè)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(duì)探測(cè)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(dòng)器件或空間掃描機(jī)制，為突破探測(cè)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(cè)器像素尺寸滿足奈奎斯特采樣定律時(shí)，成像系統(tǒng)的分辨率最終由成像系統(tǒng)的孔徑大小（所對(duì)應(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(jí)上升，上述因素最終限制了成像系統(tǒng)的所能達(dá)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(shí)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(dòng)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(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高分辨率成像，而未來的先進(jìn)夜視技術(shù)將基于光電轉(zhuǎn)換的光強(qiáng)直接成像與基于計(jì)算成像的信號(hào)反演成像兩條脈絡(luò)并行向前邁進(jìn)。傳統(tǒng)“光強(qiáng)直接成像”與基于計(jì)算光學(xué)成像的“信號(hào)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(diǎn)方向。本研究所展示的前期階段性研究成果讓我們堅(jiān)信：沿著該方向堅(jiān)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(jī)制，形成自主可控的新型夜視器件，推動(dòng)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(chǎng)調(diào)控機(jī)制可增強(qiáng)光電探測(cè)器對(duì)光子的吸收能力，這有望進(jìn)一步提升器件的探測(cè)靈敏度。另一方面，當(dāng)前新型光電成像機(jī)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(xiàng)目獲得江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃前沿引領(lǐng)專項(xiàng)（BK20192003）和國家自然科學(xué)基金（U21 B2033）的支持。