夜視成像技術是在低照度條件下，將不可見輻射加以轉換或將微弱的夜天光進行增強，以實現人眼夜間隱蔽觀察的一種成像技術，在夜間偵查瞄準、輔助駕駛、導航制導等現代軍事應用中發揮著重要作用。為了確保“單向透明”，充分發揮“擁有黑夜”的技術優勢，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研究，使夜視裝備性能得以迅速發展。
夜視裝備戰術性能的提升主要依賴于核心夜視器件和信號處理技術的進步和發展，探測靈敏度（光通量）和空間分辨率（像元大小）是夜視裝備的核心指標，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發展所面臨的重要挑戰。未來先進夜視技術的發展趨勢應該是基于光電轉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”。
據麥姆斯咨詢報道，近期，南京理工大學電子工程與光電技術學院陳錢教授在《紅外與激光工程》期刊上發表了以“先進夜視成像技術發展探討”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展歷程
這項研究概要地介紹了夜視成像技術當前的進展與所面臨的挑戰，并對未來先進夜視成像技術的發展趨勢——基于光電轉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。
傳統夜視成像技術基于光強直接探測機理、探測器像素和目標場景之間通過建立一一對應關系來獲取圖像。探測器是傳統夜視成像技術的核心。微光夜視技術利用光電效應將微弱光轉換成光電子進行放大增強，實現夜間低照度條件下目標反射強度的探測，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是光電子倍增技術，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像增強器，前者主要基于外光電效應，即金屬陰極表面在能力超過“紅限”的輻照作用下，吸收光子并激發出自由光電子的效應。后者主要基于內光電效應，即光照射到半導體表面時，內部電子吸收光子能量激發載流子，從而使其導電性能改變的效應。
受限于器件固有的熱噪聲和光學系統的衍射極限，夜視器件的探測靈敏度和空間分辨率已接近物理極限。而未來的軍事應用要求夜視成像系統能同時實現高靈敏度和高分辨率成像，而傳統光電成像技術繼續發展已遇到瓶頸，難以滿足上述挑戰性的需求。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帶來了新的發展契機。不同于傳統強度直接成像方法，信號增強反演成像需要對光學成像系統進行光場調控，將更多目標場景的本質信息調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光強直接成像技術對光學系統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的發展打開了廣闊的空間。
對正向物理成像過程進行數學建模并借助于信號反演方法重構圖像
夜視裝備的探測能力取決于成像系統的信噪比，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，極低照度下甚至會形成負 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，建立幀間目標場景信號 S、非均勻性噪聲 Np、動態噪聲 Nr、成像投影矩陣間的互相關理論模型，利用同源信號在幀間和空間不同像元的相關性，從原始負 dB信噪比圖像 I中將目標場景信號計算反演出來，信噪比可提升一個數量級甚至更高，最終獲得清晰的目標圖像。
圖像的空間分辨率是對圖像細節分辨能力的一種度量，是對成像系統圖像質量評價的關鍵性指標。成像系統的分辨率主要包括圖像分辨率（像元尺寸）與光學分辨率（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。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，當探測器像素尺寸滿足奈奎斯特采樣定律時，成像系統的分辨率最終由成像系統的孔徑大小（所對應艾里斑的尺寸）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，光學系統的體積、質量和加工成本呈指數級上升，上述因素最終限制了成像系統的所能達到的極限分辨率。解決此問題的關鍵在于如何在非相干條件下實現合成孔徑成像，即 非相干合成孔徑反演成像技術。
非相干合成孔徑技術原理
在軍事需求牽引和光電成像器件發展的推動下，夜視成像技術與裝備性能得到了迅速的發展。未來的軍事應用要求夜視成像系統能同時實現高靈敏度和高分辨率成像，而未來的先進夜視技術將基于光電轉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并行向前邁進。傳統“光強直接成像”與基于計算光學成像的“信號反演成像”二者的結合為夜視成像技術下一階段的發展提供嶄新的思路，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靈敏度與分辨率之間的制約，建立夜視成像技術新機制，形成自主可控的新型夜視器件，推動我國夜視技術與裝備的跨越式發展。
值得說明的是，當前新興的光電功能材料與基于微納結構的光場調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，當前新型光電成像機理與方法仍在不斷涌現，也將持續密切關注并探索這些新技術在夜視領域的前沿應用。