淺析高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像噪聲特性
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作者：鄭曉敏
本文通過(guò)對(duì)加性噪聲和乘性噪聲特性進(jìn)行分析，對(duì)單脈沖距離選通水下激光雷達(dá)圖像、高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像和經(jīng)多幀平均后的高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像的噪聲特性進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單脈沖距離選通水下激光雷達(dá)圖像主要受到乘性噪聲的影響，高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像受到加性噪聲和乘性噪聲兩種噪聲的雙重影響，并且當(dāng)對(duì)高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像做多幀累加平均后，圖像主要含有乘性噪聲。
1 圖像信號(hào)和噪聲構(gòu)成分析
1.1噪聲源分析
高重頻距離選通水下激光雷達(dá)采用ICCD作為系統(tǒng)關(guān)鍵成像器件，其主要由光電陰極、微通道板、熒光屏和CCD組成。噪聲則由像增強(qiáng)器和CCD兩部分產(chǎn)生的噪聲組成。ICCD輸出圖像的噪聲是其各組成部分各類噪聲的綜合，也是整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間域噪聲與空間域噪聲的綜合。
噪聲按產(chǎn)生過(guò)程可以分為6-7：1）信號(hào)的內(nèi)在噪聲，也稱作輸入噪聲或者光子噪聲，指光信號(hào)輻射過(guò)程中出現(xiàn)的光量子隨機(jī)起伏；2）暗電流噪聲，由于溫度的影響和材料本身的性質(zhì)，即使在無(wú)光照的情況下光電陰極也會(huì)有暗電子逸出；3）讀出噪聲，即從CCD讀出信號(hào)、量化過(guò)程中引入的噪聲，如復(fù)位噪聲和產(chǎn)生復(fù)合噪聲等。在ICCD中，微通道板(Microchannel Plate，MCP)的電子增益倍數(shù)很高。在高增益作用下，進(jìn)入到MCP之前引入的噪聲對(duì)信號(hào)的影響將是主要因素，因此對(duì)成像質(zhì)量影響更大的是像增強(qiáng)器的噪聲。
根據(jù)信號(hào)和噪聲的關(guān)系，噪聲可以分為加性噪聲和乘性噪聲。當(dāng)噪聲與信號(hào)呈不相關(guān)的獨(dú)立過(guò)程時(shí)為加性噪聲，當(dāng)噪聲與信號(hào)相關(guān)時(shí)，噪聲為乘性噪聲。
1.2 圖像噪聲統(tǒng)計(jì)特性
1.2.1 加性噪聲統(tǒng)計(jì)特性
圖像的加性噪聲統(tǒng)計(jì)特性可表示為
式中：I(i，j)為(i，j)處的像素強(qiáng)度；，n(i，j)為圖像不含噪聲處的像素強(qiáng)度；n1(i，j)為零均值高斯隨機(jī)噪聲，服從獨(dú)立同分布，并且標(biāo)準(zhǔn)差為盯，；M和N為圖像的行與列。當(dāng)圖像為均勻圖像時(shí)，假設(shè)目標(biāo)為具有高斯分布的加性噪聲的圖像概率密度函數(shù)為
圖像強(qiáng)度用灰度表示，灰度超過(guò)閾值，的概率P(I)為
由上式可以看出，概率P(/)即為灰度值的互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)( ICDF)。由于信號(hào)與噪聲不相關(guān)，得出I（i，j）噪聲方差為
在勻質(zhì)目標(biāo)條件下，var[，0(i，j)]=0，則圖像方差為
將一幅圖像以某像素點(diǎn)為中心建立mxm模板，則模板的均值和方差為像素點(diǎn)的局部均值和方差。若局部噪聲方差相同，則逐點(diǎn)計(jì)算像素方差得到的方差圖應(yīng)為一幅相對(duì)平坦的圖像。
1.2.2 乘性噪聲統(tǒng)計(jì)特性
圖像的乘性噪聲統(tǒng)計(jì)特性可表示為
式中，n：(i，j)為獨(dú)立同分布的歸一化均值噪聲，標(biāo)準(zhǔn)差為盯，。在均勻目標(biāo)的假設(shè)條件下，并假設(shè)乘性噪聲服從負(fù)指數(shù)分布，灰度超過(guò)閾值/的概率P(I)（互補(bǔ)累積分布函數(shù)）為
可得I（i，j）的均值和方差分別為
同理，若局部噪聲方差相同，則逐點(diǎn)計(jì)算像素方差得到的方差與均值平方比圖應(yīng)為一幅相對(duì)平坦的圖像。計(jì)算圖像的ICDF曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行擬合，當(dāng)原數(shù)據(jù)曲線更接近高斯分布時(shí)，可以判定圖像以加性噪聲為主；當(dāng)原數(shù)據(jù)曲線更接近負(fù)指數(shù)分布時(shí)，則圖像以乘性噪聲為主。
2不同水下圖像噪聲特性分析
本節(jié)通過(guò)對(duì)水池實(shí)驗(yàn)得到的單脈沖距離選通水下激光雷達(dá)圖像、高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像以及經(jīng)過(guò)多幀累加平均的高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像進(jìn)行分析，根據(jù)上節(jié)的分析觀察對(duì)兩種圖像處理得到方差圖和方差均值之比圖分析，并將圖像的ICDF曲線與高斯分布及負(fù)指數(shù)分布的ICDF曲線相對(duì)比，來(lái)得到不同圖像噪聲特性。
2.1 單脈沖距離選通水下激光雷達(dá)圖像
圖1a是單脈沖距離選通水下激光雷達(dá)圖像的目標(biāo)靶板部分，成像距離為25 m，門寬10 ns，激光器能量為100%，ICCD增益為1400 V；圖1b和圖1c分別是圖1a的方差圖和方差與均值平方的比值圖。從圖1b可以看出，白色條紋的方差大，黑色條紋的方差小；而圖1c目標(biāo)靶板的黑白條紋的方差與均值平方比值小。
由圖2可以看出，單脈沖距離選通水下圖像ICDF曲線擬合更接近于負(fù)指數(shù)分布。由上述分析可以得到，單脈沖距離選通水下圖像噪聲由乘性噪聲和加性噪聲混合而成，且以乘性噪聲為主。
2.2高重頻脈沖距離選通水下激光雷達(dá)圖像
圖3a是高重頻距離選通水下激光雷達(dá)原始圖像，成像距離為20 m，門寬20 ns，激光器能量為100%．ICCD增益為1250 V；圖3b和圖3c分別是圖3a的方差圖和方差與均值平方的比值圖。
由圖3可以看出，高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像中目標(biāo)白色條紋的方差和方差與均值的比值均高于黑色條紋以及背景，圖像不平坦。高重頻圖像像素灰度ICDF曲線擬合如圖4所示。
由圖4可以看出，高重頻距離選通水下圖像ICDF曲線擬合既不服從負(fù)指數(shù)分布，也不服從高斯分布，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)接近負(fù)指數(shù)分布。因此，可以判定高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像同時(shí)受到加性噪聲和乘性噪聲的影響，且兩種噪聲的影響都很大。
2.3經(jīng)多幀平均的高重頻脈沖距離選通水下激光雷達(dá)圖像
圖5a是經(jīng)過(guò)多幀累加平均的高重頻距離選通水下激光雷達(dá)原始圖像，成像距離為20 m，門寬20 ns，激光器能量為100%，ICCD增益為1250 V；圖5b和圖5c分別是圖5a的方差圖和方差與均值平方的比值圖。
由圖5可以看出，經(jīng)過(guò)多幀累加平均的高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像中目標(biāo)白色條紋的方差高于黑色條紋以及背景，圖像不平坦；目標(biāo)區(qū)域的方差與均值平方的比值相對(duì)于背景不明顯，目標(biāo)區(qū)域平坦。經(jīng)多幀平均的高重頻圖像像素灰度ICDF曲線擬合如圖6所示。
由圖6可以看出，經(jīng)過(guò)多幀累加平均后的高重頻距離選通水下圖像ICDF曲線擬合近似服從負(fù)指數(shù)分布，多幀累加平均后圖像的加性噪聲得到了有效的抑制，與圖5的分析結(jié)果一致。但是圖像的乘性噪聲并不能通過(guò)累加消除，只能通過(guò)后期圖像處理消除。
3結(jié)論
分析圖像噪聲特性，是進(jìn)一步采用圖像后期處理方式提高成像質(zhì)量的必要工作。本文對(duì)高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像噪聲特性進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)加性噪聲和乘性噪聲特性進(jìn)行分析，對(duì)單脈沖距離選通水下激光雷達(dá)圖像、高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像和經(jīng)多幀平均后的高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像的噪聲特性進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單脈沖距離選通水下激光雷達(dá)圖像主要受到乘性噪聲的影響，高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像受到加性噪聲和乘性噪聲兩種噪聲的雙重影響，并且當(dāng)對(duì)高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像做多幀累加平均后，圖像主要含有乘性噪聲。
4摘要：高重頻距離選通水下激光雷達(dá)采用多脈沖累積方式成像。分析高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像噪聲特性，是進(jìn)一步采用圖像后期處理方式提高成像質(zhì)量的必要工作。通過(guò)對(duì)加性噪聲和乘性噪聲特性進(jìn)行分析，對(duì)單脈沖距離選通水下激光雷達(dá)圖像、高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像和經(jīng)多幀平均后的高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像的噪聲特性進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單脈沖距離選通水下激光雷達(dá)圖像主要受到乘性噪聲的影響，高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像受到加性噪聲和乘性噪聲兩種噪聲的雙重影響，并且當(dāng)對(duì)高重頻距離選通水下激光雷達(dá)圖像做多幀累加平均后，圖像主要含有乘性噪聲。
