机载航空侦察相机调焦机构设计

本文针对一种机载和航空侦察相机,研究了导致航空相机焦面偏离的各种原因,指出温度、大气压力变化和照相距离的变化,是导致相机离焦的主要原因。通过对该原因的分析、研究,确定了自动调焦系统方案,设计了一套原理简单、结构可靠的调焦机构。对该调焦机构进行精度分析并进行了相关的试验。试验结果表明,该调焦机构设计合理可行。     

空间多光谱CCD相机调焦精度分析

调焦精度是保证多光谱CCD相机成像质量的关键技术之一,针对星载对地观测多光谱CCD相机大视场角、宽地面覆盖的离轴三返光学系统结构特点,设计实现了一种高精度调焦系统。首先以CCD多光谱相机感应谱段中最短波长计算出相机调焦需求精度10.00 m,根据多光谱CCD相机的光学系统特点,对比常用的传统航天相机的三种调焦方式,选择CCD焦平面调焦方式;然后提出采用以步进电机为动力源驱动高精度涡轮蜗杆副、齿轮副做旋转运动,通过超精密级滚珠丝杠将旋转运动转换为直线运动,并结合直线导轨约束运动形式,以14位绝对式编码器为位置检元件组成高精度调焦系统,经计算,调焦系统的理论灵敏度为0.12 m,该调焦系统具有结构简单紧凑、调焦灵敏度高的优点;最后通过实验测试,在2.2 mm调焦行程内实际调焦精度3.62 m（3）,调焦系统随相机经过力学环境实验、热真空环境实验后的复测调焦精度为3.64 m（3）。测试结果表明:所设计的调焦系统设计合理,结构可靠,调焦精度稳定性高,满足多光谱CCD相机成像清晰对调焦精度的要求。     

航空相机调焦单元仿真系统的实时显示方法研究

依据某型号航空相机内部系统通讯协议,对航空相机调焦单元仿真系统在通信工程中的实时显示方法进行了研究.提出了一种利用计算机仿真技术,以计算机算法控制为核心,以通信控制电路为基础的实时显示的方法.阐述了航空相机调焦单元的工作原理,设计了仿真系统的硬件实现电路,给出了仿真系统的软件设计流程.工程实践表明,该仿真系统可以同时对4台相机调焦系统进行控制,具有操作简便、信息量大、数据读取直观等特点.     

单幅图像估计离焦量的航空摄像机自动调焦系统

为了改进航空相机自动调焦的方法,解决传统对焦深度法自身不可避免的多峰值问题和实时性问题。本文提出一种新型自动调焦方法,建立了调焦模型,并通过实验装置验证了该方法,调焦时间相比传统方法短,实现了一次定位的调焦方法。首先,通过采集大量不同离焦程度的自然图像作为分析样本的总体,对总体中分类采样出小块样本进行运算分析,经过迭代运算获得所需模板;然后,在凸轮机构完成粗调焦以后采集当前图像,通过对当前图像采样,把采集的样本小块放入建立好的模板中计算,得到当前镜头的离焦量。最后,根据离焦量的结果,换算为调焦执行机构的位移量,驱动调焦电机移动相应位移完成调焦。实验结果表明:在目前实验条件下离焦量计算时间为0.4 s,较传统方法的4~8 s调焦时间有了大幅度提高。在保证调焦精度的前提下,实现了一种具有实时性的自动调焦方法。     

双波段航空相机红外调焦机构的设计

为了补偿双波段航空相机在复杂环境下产生的离焦,设计了一套调焦机构。该调焦机构通过采用蜗轮蜗杆和 偏心凸轮的传动方式,将凸轮的旋转运动转化为调焦镜的直线运动,解决了离焦问题。该机构具有传动比大、运行平 稳,结构紧凑,抗振、抗冲击,可实现自锁以及模块化等优点。通过计算可知,该机构的调焦镜的位移 精度为0.0026mm,满足使用要求。仿真分析结果表明,该方法具有可行性。     

长焦面空间相机调焦机构分析与验证

为了补偿空间相机由于地面定标环境和在轨工作环境不同及发射时振动冲击引起的焦面离焦,保证空间相机在轨成像质量,设计了焦面调焦机构。首先,针对尺寸超长焦面,采用增设调焦内框来增加焦面基板刚度,通过蜗轮蜗杆传动驱动丝杠运动实现机构自锁。其次,利用有限元分析软件patran/nastran建立了调焦机构的有限元模型,用mpc模拟导轨连接,对调焦机构进行模态分析。最后,对调焦机构进行了力学试验验证和精度测试。试验及测试结果表明:设计的调焦机构动态刚度高,一阶计算模态为228.7Hz,而试验得到一阶模态为223.9Hz,两者相差2%;调焦灵敏度达0.25m,调焦精度达到6.3m,焦面基板两端同步误差达到4m,满足航天相机对调焦机构高分辨率、高精度、高可靠性的要求。     

航空红外相机自动调焦设计

为克服恶劣复杂的航空环境给系统带来的失焦现象,系统中引入自动调焦模块。通过采集、分析不同程度失焦的中波红外图像序列,对空域内几种调焦评价函数的灵敏度、无偏性、稳定性、计算速度等指标进行测试和验证,最终得到适合于红外成像自动调焦系统的调焦评价函数。为了提高该调焦评价函数的信噪比,提出了一种基于图像预处理的信噪比改善算法,保证函数在正焦面两侧呈单调性。最终制定出粗细结合的快速爬山搜索策略,先以大步距进行粗略调焦缩短时间,再用低于半倍焦深的小歩距精细调焦保证精度。基于640×512中波制冷探测器,搭建了一个焦距为300 mm、F/2的卡塞格伦折反式红外光学系统。试验结果表明该自动调焦模块可以保证实时性和准确性,满足具有较大噪声的红外成像系统的需要。     

环境因素对红外相机成像质量的影响浅析

针对红外航空相机所处的工作环境进行了研究,指出相机在高空工作时,温度和大气压力的变化会使相机的像点产生变化,导致相机离焦,从而影响相机的成像质量。总结了关于温度和大气压力对相机成像质量的影响的规律。针对相机工作环境的特点,分别分析了温度变化和大气压力变化引起相机离焦的规律,提出了近似计算方法,并对其进行了试验验证。对于不同种类的相机提出了相应的调焦补偿方式,对红外相机的研制工作具有一定的参考价值。     

长焦距空间相机调焦机构设计

长焦距空间相机容易因环境变化产生离焦现象,引起相机成像质量下降。根据空间相机不同的结构特点和工作环境,需要设计相应的调焦机构。从保证相机成像质量和结构空间要求的角度出发,阐述了调焦机构的工作原理和组成,进行了调焦机构的方案选择,分析了调焦机构误差分布,提出了一种由精密滚珠丝杠和直线轴承实现导向和运动方向转换的调焦机构。对调焦机构进行了力学试验和分析。试验结果表明,调焦机构较强的结构刚度和稳定性能够满足空间相机在复杂环境条件下精确可靠调节调平面位置的要求。     

基于功率谱的遥感相机自动调焦算法研究与实现

应用图像处理法针对线阵CCD推扫成像的遥感相机进行自动调焦研究.推扫成像的线阵CCD相机在任意时刻所拍摄的景物都是不同的,这就给对焦评价函数的选取增加了难度.用功率谱的方法对任意景物在空间频域进行分析表明,功率谱对于自然景物具有一定的不变性.由此建立了基于功率谱的对焦评价函数,并采用DSP FPGA的高速硬件系统方案实现自动调焦的算法.一系列的调焦实验表明,系统有较好的自动调焦性能,基于功率谱的对焦评价函数是可行的.     

TDI-CCD全景航空相机快速自动检调焦方法

为了提高航空相机的实时侦察能力,提出了一种针对时间延迟电荷耦合器件(TDI-CCD)全景航空相机的快速自动检调焦方法。在检焦过程中,焦平面上的靶标图案经相机自身光学系统成像在TDI-CCD上,同时调焦反射镜沿光学系统主光轴在镜头后截距给定范围内连续快速移动,利用TDI-CCD的全帧转移工作模式,对经光学系统调制后的靶标图案进行高速采集,结合精密调焦驱动结构对采集到的图像进行高空间分辨率的定位。采用梯度算子、拉普拉斯算子、傅立叶变换、小波变换等7种聚焦评价函数对采集的调制靶标图案进行了比较分析,给出了各种算法的检焦精度。实验结果表明,本方法的检焦时间小于1s,采用小波变换作为评价函数的检焦重复性精度优于9.6μm,满足成像系统对离焦量允许值的要求。     

基于红外自动聚焦过程的最优函数选取

与可见光自动聚焦系统相比，红外自动聚焦系统的核心问题在于因红外探测器特殊的成像原理，聚焦过程被分为由远及近聚焦和由近及远聚焦。针对这两个过程所使用的自动聚焦函数，在分析各自聚焦函数曲线特征的基础上，运用灵敏度、陡峭区宽度、陡峭度、平缓区波动量和时间5个针对性的评价指标，对常用的13个典型的清晰度评价函数进行定量分析，提出适合两个聚焦过程的最优函数。结论表明:在由近及远的聚焦过程中，F_Laplace可作为该过程的最优函数；而由远及近的聚焦过程中，F_Laplace和F_SML可作为最优函数的选取。     

基于八面梯度均方差的跟踪系统自动调焦方法

为了实现目标跟踪系统的自动调焦,针对其实时性、准确性的要求,提出了基于八面梯度均方差的自动调焦方法.该方法以像素周围8个方向的梯度均方差作为清晰度评价函数,对消除噪声及光线波动的影响效果很好,能够准确地计算图像清晰度.同时,制定了强制连续调焦与精确调焦相结合的调焦策略.通过对几种评价函数的研究仿真,验证了八面梯度均方差函数在单峰性、灵敏性和稳定性等方面的优越之处;通过反复进行自动调焦实验,说明了调焦策略在克服评价函数局部峰值和精确聚焦方面的良好表现.该方法已应用于目标跟踪系统的自动调焦.     

TFT-LCD面板光学检测自动聚焦算法研究与比较

针对当前TFT-LCD玻璃基板在线检测过程中存在的显微图像对焦模糊问题,对基于图像处理的自动调焦方法在TFT-LCD玻璃基板检测中的应用进行了研究。基于对TFT-LCD液晶面板的光学检测,重点介绍了目前较为常用的、具有代表性的几种基于图像处理的清晰度评价算法,并从算法的单峰性、无偏性、灵敏性以及计算量等方面进行了比较与分析,提出了一种粗细调相结合的复合自动对焦方法,分别选取斜边缘检测算子和梯度滤波器算子作为调焦粗搜索和精搜索阶段的对焦评价算子。实验结果表明:使用调焦行程为15步的全局搜索算法,传统单一算法耗时2.18s,得到图像的清晰度评价函数值为46.78;粗细调相结合的复合自动对焦方法时间仅为1.41s,得到图像的清晰度评价函数值为52.49。该方法不仅对焦精度高,有较大的对焦范围,还能保证高的计算效率。     

基于图像处理的一体化摄像机自动聚焦系统设计

研究一体化摄像机中的自动聚焦控制功能,运用数字图像处理技术来实现自动聚焦。采用加权中值滤波算子作为判断图像清晰度的评价函数,此算法可减小外部噪声对聚焦的干扰,并结合传统摄像构图采用的黄金分割理论来选择聚焦区域,然后利用改进的爬山算法来搜索焦点。在此基础上,运用FPGA开发平台实现该自动聚焦技术。通过实验验证,设计的系统的灵敏度高、稳定性好。     

简析光学系统自动调焦的方法

自动调焦技术已经广泛应用于各种光学仪器中。常见的调焦方法,从基本原理上可分成基于物方测距的主动式和基于像检测法的被动式两大类。主动、被动式自动对焦方式各有千秋,主动式由系统主动发出光波,可以在低反差、弱光线下对焦,但当被摄体能吸收或反射光或波时对焦困难。被动式直接接收来自景物自身的反光,对具有一定亮度的被摄体能理想地自动对焦,自身不要发射系统,耗能少,有利于小型化。被动法中的以数字图像处理作为调焦检测函数的方法,理想的评价函数要求无偏性、单峰性、能反映离焦的极性、对噪声敏感度低等。为提高效率,往往还希望计算量尽可能地小。文章介绍了目前应用于光学系统的几种基于光电测试和图像处理的自动调焦方法。     

激光扫描共聚焦显微镜自动对焦研究

目的：针对激光扫描共聚焦显微镜在二维平面扫描样本时不能自动准确定位焦平面的不足,提出一种基于全自动光学显微镜自动聚焦原理的数字图像处理算法解决这个问题。方法：利用激光扫描共聚焦最微镜获得具有一定厚度的显微样本不同焦距下序型固傻,首先应用灰度方差算子全局搜索进行粗聚焦,对粗聚焦得到的焦平面附近各一个扫描步距范围内的图像再利用基于Sobel梯度的熵函数进,行目标区域的精确聚焦,单向搜索以提高聚焦速度.结果：实验表明该方法对于无荧光标记的样本的均可以准确对焦,粗细两次聚焦可以提高自动对焦的精度,基于Sobel梯度的熵函数对于图像边缘敏感,比以往的空域自动对焦方法更符合生物显微样本对焦精确度高的需求。     

红外系统中自动调焦爬山搜索算法的优化设计

图像调焦越准确,高频分量的能量越多,系统的调焦评价函数反映了图像高频分量的能量,自动调焦的过程就是运用爬山搜索算法求取调焦评价函数最大值的过程.普通的爬山搜索算法会受到调焦评价函数局部极值的干扰而不能准确调焦,优化的调焦评价函数能有效地排除这种干扰,使系统可靠地调焦.本文详细介绍了在红外系统中优化的爬山搜索算法的原理和实现方法.     

一种梯度阈值自动调焦算法

传统的梯度自动调焦算法计算量大,抗噪声能力弱,影响调焦的实时性及调焦曲线的单峰性和灵敏度,因此提出一种梯度阈值自动调焦算法,提高调焦性能,满足光电跟踪系统能实时、准确地进行自动调焦的要求。该算法先以图像的局部方差作为局部阈值区分边缘像素与非边缘像素,再计算整幅图像的一种新的标准差作为全局阈值来削弱噪声和背景的影响,最后对阈值预处理后的图像采用梯度调焦算法计算其调焦值,进行清晰度评价。大量实验结果表明,该算法具有实时性好,单峰性强,灵敏度高的特点和良好的抗噪性能。该算法用于光电跟踪系统的自动调焦中时,依然保持上述良好的性能,明显优于传统梯度自动调焦算法。     

CCD数字航空相机高分辨力成像关键技术与发展

介绍了国外最新航空CCD相机的发展状况.根据世界航空CCD相机的发展概况,全面分析了高分辨率航空CCD相机的各关键技术;就像移补偿、振动控制、自动调焦技术、光学系统以及图像数据采集等问题进行详尽的阐述,并研究了各关键技术实现途径;最后指出了航空CCD侦察相机未来的发展趋势和方向.