專利名稱：一種光學(xué)相機(jī)自適應(yīng)快速調(diào)焦裝置及調(diào)焦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感器領(lǐng)域，涉及一種光學(xué)相機(jī)自適應(yīng)快速調(diào)焦裝置及相應(yīng)的方法，用于光學(xué)相機(jī)在軌自動(dòng)調(diào)焦。
背景技術(shù)：
高空間分辨率光學(xué)遙感器的研制一直是人類空間技術(shù)的重要組成部分，高的圖像質(zhì)量是航天光學(xué)遙感器重要的技術(shù)指標(biāo)。光學(xué)相機(jī)在發(fā)射升空瞬間將經(jīng)歷加速及劇烈震動(dòng)，負(fù)載倉內(nèi)、外存在巨大壓力差，太陽、地球輻射等因素使整星受熱不均勻，空間軌道大氣壓隨著高度變化，這一系列溫度、壓強(qiáng)、振動(dòng)等因素將引起空間光學(xué)遙感器光學(xué)元件的曲率半徑、面形、光學(xué)間隔、材料折射率等光學(xué)參數(shù)產(chǎn)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生軸向離焦現(xiàn)象，從而使得光學(xué)相機(jī)像面像質(zhì)退化。因此，“在軌自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)”是空間光學(xué)遙感器，特別是長焦距、大口徑空間光學(xué)遙感器獲得高圖像質(zhì)量關(guān)鍵技術(shù)之一。美國的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(HST)，成功使用了 “在軌自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)”，在軌運(yùn)行期間一直保持0.1'，高分辨率成像，該技術(shù)已為下一代空間望遠(yuǎn)鏡(NGST)所繼承。而在我國，通常是在衛(wèi)星升空前，利用數(shù)字或地面物理仿真、試驗(yàn)手段，得到光學(xué)相機(jī)在軌階段最佳焦面位置估計(jì)值，并將成像面預(yù)置在焦面處，但不能依據(jù)不同空間環(huán)境實(shí)現(xiàn)在軌自適應(yīng)自動(dòng)調(diào)焦。國內(nèi)現(xiàn)有在軌調(diào)焦技術(shù)，也有將圖像數(shù)據(jù)下傳到地面的方式，由人工進(jìn)行多次圖像數(shù)據(jù)判讀后，上傳調(diào)焦控制信息，以實(shí)現(xiàn)在軌相機(jī)的合焦判斷與調(diào)焦，但不能自動(dòng)調(diào)焦，調(diào)焦效果取決于成像目標(biāo)細(xì)節(jié)的豐富程度，對(duì)成像條件要求較高，調(diào)焦速度較慢。因此，迫切需要一種光學(xué)相機(jī)自適應(yīng)快速調(diào)焦裝置及相應(yīng)的方法，實(shí)現(xiàn)航天光學(xué)遙感器在軌快速自動(dòng)調(diào)焦，以適應(yīng)入軌過程、在軌運(yùn)行階段的不同空間環(huán)境變化，獲取高的圖像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種光學(xué)相機(jī)自適應(yīng)快速調(diào)焦裝置及相應(yīng)的方法，通過兩個(gè)像面比較相應(yīng)構(gòu)形熵的大小，采用最大構(gòu)形熵作為合焦判據(jù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)相機(jī)在軌自適應(yīng)調(diào)焦功能。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種光學(xué)相機(jī)自適應(yīng)快速調(diào)焦裝置，包括檢焦判斷器、圖像采集器、數(shù)據(jù)運(yùn)算器、調(diào)焦驅(qū)動(dòng)組件、運(yùn)動(dòng)部件、編碼器和鎖定部件，其中:運(yùn)動(dòng)部件:與光學(xué)相機(jī)像面固定連接，并在調(diào)焦驅(qū)動(dòng)組件的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)光學(xué)相機(jī)像面沿光學(xué)相機(jī)的光軸移動(dòng)；鎖定部件:對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鎖定；編碼器:獲取光學(xué)相機(jī)像面靜止時(shí)的位置信息己并送至檢焦判斷器；r=0時(shí)光學(xué)相機(jī)像面處于初始位置，r=l, 2，…R時(shí)光學(xué)相機(jī)像面處于第r次移動(dòng)后的位置，R為調(diào)焦完成后光學(xué)相機(jī)像面可能的總移動(dòng)次數(shù)；圖像采集器:從光學(xué)相機(jī)像面獲取原始圖像信息，對(duì)原始圖像信息進(jìn)行去噪聲和非均勻性校正處理得到校正圖像信息，對(duì)校正圖像信息按量化比特?cái)?shù)k進(jìn)行量化得到量化圖像信息并送至數(shù)據(jù)運(yùn)算器；所述的量化圖像信息包括灰度值為i的像元總數(shù)Ni,
i=0, I, 2,
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)相機(jī)自適應(yīng)快速調(diào)焦裝置，其特征在于包括:檢焦判斷器(I)、圖像采集器(2)、數(shù)據(jù)運(yùn)算器(3)、調(diào)焦驅(qū)動(dòng)組件(9)、運(yùn)動(dòng)部件(6)、編碼器(7)和鎖定部件(8)，其中: 運(yùn)動(dòng)部件(6):與光學(xué)相機(jī)像面(10)固定連接，并在調(diào)焦驅(qū)動(dòng)組件(9)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)光學(xué)相機(jī)像面(10)沿光學(xué)相機(jī)的光軸移動(dòng)； 鎖定部件(8):對(duì)運(yùn)動(dòng)部件(6)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鎖定； 編碼器(7):獲取光學(xué)相機(jī)像面(10)靜止時(shí)的位置信息己并送至檢焦判斷器(I) ；r=0時(shí)光學(xué)相機(jī)像面(10)處于初始位置，r=l, 2,…R時(shí)光學(xué)相機(jī)像面(10)處于第r次移動(dòng)后的位置，R為調(diào)焦完成后光學(xué)相機(jī)像面(10)可能的總移動(dòng)次數(shù)； 圖像采集器(2):從光學(xué)相機(jī)像面(10)獲取原始圖像信息，對(duì)原始圖像信息進(jìn)行去噪聲和非均勻性校正處理得到校正圖像信息，對(duì)校正圖像信息按量化比特?cái)?shù)k進(jìn)行量化得到量化圖像信息并送至數(shù)據(jù)運(yùn)算器(3);所述的量化圖像信息包括灰度值為i的像元總數(shù)Ni,
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)相機(jī)自適應(yīng)快速調(diào)焦裝置，其特征在于:所述的光學(xué)相機(jī)像面(10)每次移動(dòng)的距離作為調(diào)焦步長，調(diào)焦步長按照以下原則設(shè)定:初始調(diào)焦步長為調(diào)焦量范圍內(nèi)20 30倍的光學(xué)相機(jī)焦深，隨后對(duì)光學(xué)相機(jī)像面(10)移動(dòng)的方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若光學(xué)相機(jī)像面(10)移動(dòng)的方向沒有改變，則光學(xué)相機(jī)像面(10)下一次移動(dòng)時(shí)的調(diào)焦步長保持與上一次移動(dòng)時(shí)的調(diào)焦步長一致；若光學(xué)相機(jī)像面(10)移動(dòng)的方向發(fā)生了改變，則光學(xué)相機(jī)像面(10)下一次移動(dòng)時(shí)的調(diào)焦步長為上一次移動(dòng)時(shí)的調(diào)焦步長的δ倍，0〈 δ〈I。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光學(xué)相機(jī)自適應(yīng)快速調(diào)焦裝置，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)運(yùn)算器(3)按像元順序一次完成整幅圖像不同灰度級(jí)i所對(duì)應(yīng)像元數(shù)Ni的統(tǒng)計(jì)，對(duì)應(yīng)每個(gè)灰度級(jí)i，每增加一個(gè)像元就自動(dòng)將與該灰度級(jí)i相應(yīng)的Ni值加I。
4.一種光學(xué)相機(jī)自適應(yīng)快速調(diào)焦方法，其特征在于步驟如下: (A)從光學(xué)相機(jī)像面(10)在靜止位置獲取原始圖像信息，對(duì)原始圖像信息進(jìn)行去噪聲和非均勻性校正處理得到校正圖像信息； (B)對(duì)校正圖像信息按量化比特?cái)?shù)k進(jìn)行量化得到量化圖像信息；所述的量化圖像信息包括灰度值為i的像元總數(shù)Ni, i=0, I, 2，...2k-l ；(C)建立Mi和Ni的映射關(guān)系表并存儲(chǔ)，根據(jù)量化圖像信息采用公式
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光學(xué)相機(jī)自適應(yīng)快速調(diào)焦方法，其特征在于:所述的光學(xué)相機(jī)像面(10)每次改變位置時(shí)移動(dòng)的距離作為調(diào)焦步長，調(diào)焦步長按照以下原則設(shè)定:初始調(diào)焦步長為調(diào)焦量范圍內(nèi)20 30倍的光學(xué)相機(jī)焦深，隨后對(duì)光學(xué)相機(jī)像面(10)移動(dòng)的方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若光學(xué)相機(jī)像面(10)移動(dòng)的方向沒有改變，貝1J光學(xué)相機(jī)像面(10)下一次移動(dòng)時(shí)的調(diào)焦步長保持與上一次移動(dòng)時(shí)的調(diào)焦步長一致；若光學(xué)相機(jī)像面(10)移動(dòng)的方向發(fā)生了改變，則光學(xué)相機(jī)像面(10)下一次移動(dòng)時(shí)的調(diào)焦步長為上一次移動(dòng)時(shí)的調(diào)焦步長的 δ 倍，0〈 δ〈I。
全文摘要
一種光學(xué)相機(jī)自適應(yīng)快速調(diào)焦裝置，包括檢焦判斷器(1)、圖像采集器(2)、數(shù)據(jù)運(yùn)算器(3)、調(diào)焦驅(qū)動(dòng)組件(9)、編碼器(7)。編碼器(7)獲取光學(xué)相機(jī)像面(10)的位置，圖像采集器(2)獲取量化圖像，數(shù)據(jù)運(yùn)算器(3)計(jì)算圖像的構(gòu)形熵，檢焦判斷器(1)計(jì)算兩個(gè)不同位置處的圖像構(gòu)形熵并根據(jù)結(jié)果發(fā)出調(diào)焦信息至調(diào)焦驅(qū)動(dòng)組件(9)，帶動(dòng)光學(xué)相機(jī)像面(10)到達(dá)最大構(gòu)形熵所在位置。光學(xué)相機(jī)自適應(yīng)快速調(diào)焦方法，通過比較光學(xué)相機(jī)像面(10)在兩個(gè)不同位置處所成圖像的構(gòu)形熵的比較結(jié)果調(diào)整移動(dòng)方向，最終找到最大圖像構(gòu)形熵所在的位置作為光學(xué)相機(jī)像面(10)合焦位置。本發(fā)明調(diào)焦速度快精度高，滿足弱對(duì)比度目標(biāo)的航天遙感。
文檔編號(hào)H04N5/232GK103237173SQ201310156008
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月28日
發(fā)明者郭玲華, 曹桂興, 劉乃金, 鄧崢, 李聰, 顧偉琪 申請(qǐng)人:中國空間技術(shù)研究院