夜视成像技术是在低照度条件下，将不可见辐射加以转换或将微弱的夜天光进行增强，以实现人眼夜间隐蔽观察的一种成像技术，在夜间侦查瞄准、辅助驾驶、导航制导等现代军事应用中发挥着重要作用。为了确保“单向透明”，充分发挥“拥有黑夜”的技术优势，世界军事强国都投入大量人力、物力开展先进夜视成像技术研究，使夜视装备性能得以迅速发展。
夜视装备战术性能的提升主要依赖于核心夜视器件和信号处理技术的进步和发展，探测灵敏度（光通量）和空间分辨率（像元大小）是夜视装备的核心指标，且又相互制约。高灵敏度和高分辨率夜视成像一直是夜视技术发展所面临的重要挑战。未来先进夜视技术的发展趋势应该是基于光电转换的光强直接成像与基于计算成像的信号反演成像二者的相辅相成，即“光强直接成像”+“信号反演成像”。
据麦姆斯咨询报道，近期，南京理工大学电子工程与光电技术学院陈钱教授在《红外与激光工程》期刊上发表了以“先进夜视成像技术发展探讨”为主题的综述文章。陈钱教授主要从事光电成像与信息处理等方面的研究工作。
这项研究概要地介绍了夜视成像技术当前的进展与所面临的挑战，并对未来先进夜视成像技术的发展趋势——基于光电转换的光强直接成像与基于计算成像的信号反演成像分别进行了探讨与展望。
传统夜视成像技术基于光强直接探测机理、探测器像素和目标场景之间通过建立一一对应关系来获取图像。探测器是传统夜视成像技术的核心。微光夜视技术利用光电效应将微弱光转换成光电子进行放大增强，实现夜间低照度条件下目标反射强度的探测，其核心器件是图像增强器。提升夜视探测灵敏度的核心技术是光电子倍增技术，通过提高电荷倍增增益抑制输出噪声，从而提高信噪比。图像增强器主要分真空像增强器和固态像增强器，前者主要基于外光电效应，即金属阴极表面在能力超过“红限”的辐照作用下，吸收光子并激发出自由光电子的效应。后者主要基于内光电效应，即光照射到半导体表面时，内部电子吸收光子能量激发载流子，从而使其导电性能改变的效应。
受限于器件固有的热噪声和光学系统的衍射极限，夜视器件的探测灵敏度和空间分辨率已接近物理极限。而未来的军事应用要求夜视成像系统能同时实现高灵敏度和高分辨率成像，而传统光电成像技术继续发展已遇到瓶颈，难以满足上述挑战性的需求。在此背景下，基于计算成像的信号增强反演成像为夜视成像技术带来了新的发展契机。不同于传统强度直接成像方法，信号增强反演成像需要对光学成像系统进行光场调控，将更多目标场景的本质信息调制到测量的光强信号中。这种非直接的反演成像方式打破了传统光强直接成像技术对光学系统与探测器水平的高度依赖，为新一代高灵敏度和高分辨率夜视成像系统的发展打开了广阔的空间。
夜视装备的探测能力取决于成像系统的信噪比，最终受限于光子起伏噪声和器件热噪声。在低照度下，探测器所拍摄到的图像信噪比较低，极低照度下甚至会形成负dB信噪比（信噪比小于1）图像。负dB信噪比信号反演成像技术基于同一信号源反射（辐射）能量短时恒定特性，以及固定图案噪声（暗电流噪声和非均匀性）短时不变特性，建立帧间目标场景信号S、非均匀性噪声Np、动态噪声Nr、成像投影矩阵间的互相关理论模型，利用同源信号在帧间和空间不同像元的相关性，从原始负dB信噪比图像I中将目标场景信号计算反演出来，信噪比可提升一个数量级甚至更高，最终获得清晰的目标图像。
图像的空间分辨率是对图像细节分辨能力的一种度量，是对成像系统图像质量评价的关键性指标。成像系统的分辨率主要包括图像分辨率（像元尺寸）与光学分辨率（衍射极限）。夜视器件为了保证足够的灵敏度，要求像元具有较大的感光面积，此时像素空间采样不足，成像系统分辨率由探测器像素的奈奎斯特采样频率决定。像素混叠和衍射极限共同成为成像系统分辨率的两大制约因素。
针对探测器空间采样不足造成的图像像素混叠难题，该研究提出了基于孔径编码的像素超分辨成像技术。该方法不借助于物理移动器件或空间扫描机制，为突破探测器空间采样不足所造成的分辨率受限提供了一条崭新的思路。另外，当探测器像素尺寸满足奈奎斯特采样定律时，成像系统的分辨率最终由成像系统的孔径大小（所对应艾里斑的尺寸）所决定。在波长一定的情况下，只有增大孔径才能提高成像分辨率。但是随着孔径的增大，光学系统的体积、质量和加工成本呈指数级上升，上述因素最终限制了成像系统的所能达到的极限分辨率。解决此问题的关键在于如何在非相干条件下实现合成孔径成像，即非相干合成孔径反演成像技术。
在军事需求牵引和光电成像器件发展的推动下，夜视成像技术与装备性能得到了迅速的发展。未来的军事应用要求夜视成像系统能同时实现高灵敏度和高分辨率成像，而未来的先进夜视技术将基于光电转换的光强直接成像与基于计算成像的信号反演成像两条脉络并行向前迈进。传统“光强直接成像”与基于计算光学成像的“信号反演成像”二者的结合为夜视成像技术下一阶段的发展提供崭新的思路，这也是目前研究的重点方向。本研究所展示的前期阶段性研究成果让我们坚信：沿着该方向坚持不懈的探索，将有望打破夜视成像系统灵敏度与分辨率之间的制约，建立夜视成像技术新机制，形成自主可控的新型夜视器件，推动我国夜视技术与装备的跨越式发展。
值得说明的是，当前新兴的光电功能材料与基于微纳结构的光场调控机制可增强光电探测器对光子的吸收能力，这有望进一步提升器件的探测灵敏度。另一方面，当前新型光电成像机理与方法仍在不断涌现，也将持续密切关注并探索这些新技术在夜视领域的前沿应用。
该项目获得江苏省基础研究计划前沿引领专项（BK20192003）和国家自然科学基金（U21 B2033）的支持。
