CN103345100A - 一种改进的航空相机调焦系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种改进的航空相机检调焦系统，由照明光源、准直透镜、目标、物镜、反射镜、电荷耦合器件、图像采集处理模块和运动控制模块组成；其中准直透镜、目标放置在照明光源发出的光束线上，以反射镜、物镜和电荷耦合器件的中心点的连线为光轴，光轴与照明光源发出的光束线平行，反射镜、物镜和电荷耦合器件依序放置在光轴上，目标的中心点与反射镜的中心点重合，图像采集处理模块与电荷耦合器件连接，运动控制模块与图像采集处理模块连接，目标与图像采集处理模块为共面，反射镜的镜面与光轴的垂线倾斜一角度；调焦工作时，运动控制模块驱动物镜的调焦组件，用于实现调焦工作；成像工作时，图像采集处理模块采集成像于电荷耦合器件上的图像。

Description

一种改进的航空相机调焦系统

技术领域

本发明涉及一种改进的航空相机调焦系统，适用于航空相机检调焦领域。

背景技术

成像质量是航空相机最重要的性能指标，受光学系统制约的同时，还受大气、杂光、温度、像移、CCD器件等多种环境因素的影响。温度、大气压力和航高等环境因素的变化，会造成相机光学焦面位置的移动，造成离焦。若离焦量超出半焦深，照相分辨力将显著下降，严重时甚至不能成像。目前的航空相机调焦，可采用对所拍摄的地面图像进行直接图像处理的方法，这种方法具有一定的局限性：它对所拍摄景物信息丰富的区域(例如城市)，调焦效果显著；然而，对于低对比度的区域(例如海洋、森林、沙漠、雪地等)，直接图像处理的方法往往难以正确对焦。

为弥补直接图像处理方法的不足，目前航空相机主要采用基于光电自准直的检调焦方式，美国KA112A、现有斜视长焦航空相机均采用光电自准直的检调焦方式进行相机调焦，其原理如图1所示调焦系统结构示意图中包括光源、光栅组件、焦面反射镜、胶片、物镜、扫摆反射镜、光电接收器和主控系统。胶片(或CCD)平面和光栅组件在光学系统的共轭位置上。在照相时，扫摆反射镜与光轴成45度，焦面反射镜处在图中虚线位置。在自动检调焦工作状态时，焦面反射镜处逆时针90度，扫摆反射镜垂直竖起。由光源发出的准直光照亮位于相机物镜焦平面上的光栅组件，光线经过相机物镜及扫摆反射镜反射回来，再经过相机物镜成像在光栅组件上，在光电接收器件上产生一个光强调制信号，光强信号由光电接收器件转换为电信号被采集以进行比较。当相机准确对焦时，由光栅组件经光学系统两次所成的光栅像重合，光强调制信号幅值最大，如图2中的(a)所示为正焦信号图，当相机离焦时，由光栅组件经光学系统两次所成的光栅像不重合，光强调制信号幅值小于重合时的幅值，如图2中的(b)所示为离焦信号图。

上述调焦系统机械结构过于复杂(焦面反射镜、光电接收器、扫摆反射镜运动等)不适用于小型化、轻量化的发展趋势。

图3为现有技术是本案发明人发明的航空相机调焦系统，(申请号：2011102803379)。该一种航空相机调焦系统以解决调焦反射镜需要扫摆、需要焦面反射镜和目标光栅，系统复杂度增大，传统图像处理调焦对低对比度目标无效等的问题。但是由于分光棱镜的存在，一方面增加了系统的机械复杂度，另一个致命的缺陷是损失部分有用光线。

发明内容

为了解决调焦反射镜需要扫摆、需要焦面反射镜、需要接收光栅，需要分光棱镜等，系统复杂度增大，传统图像处理调焦对低对比度目标无效等的问题，本发明的目的是提供一种改进的航空相机调焦系统。

本发明一种改进的航空相机检调焦系统，采用的技术方案由照明光源、准直透镜、目标、物镜、反射镜、电荷耦合器件、图像采集处理模块和运动控制模块组成；其中准直透镜、目标放置在照明光源发出的光束线上，以反射镜、物镜和电荷耦合器件的中心点的连线为光轴，光轴与照明光源发出的光束线平行，反射镜、物镜和电荷耦合器件依序放置在光轴上，目标的中心点与反射镜的中心点重合，图像采集处理模块与电荷耦合器件连接，运动控制模块与图像采集处理模块连接，目标与图像采集处理模块为共面，反射镜的镜面与光轴的垂线倾斜一角度；所述调焦系统包括调焦和成像两条光路，调焦工作时，反射镜旋转至垂直于光轴微小角度处，使目标的像成像于电荷耦合器件中心，照明光源发出的光经过准直透镜准直，均匀地为放置于物镜焦面处的目标照明，经过物镜后由反射镜反射回来，再次经过物镜，最后成像于电荷耦合器件上，即相当于对于无穷远高对比度目标成像，图像采集处理模块将图像信号按照调焦评价函数相关算法进行处理，得到调焦函数值，用于控制运动控制模块运动；运动控制模块驱动物镜的调焦组件至利用图像信息计算评价函数值的最大位置处，用于实现调焦工作；成像工作时，反射镜顺时针旋转至与地面成45度处，地面光线通过反射镜反射，经过物镜后，直接成像于电荷耦合器件上，然后由图像采集处理模块采集成像于电荷耦合器件上的图像，并将所述图像进行存储传输，完成航拍任务。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明中的反射镜不需要扫摆：调焦工作时反射镜固定角度，无需扫摆，减少了扫摆运动控制，控制复杂度降低，提高了系统稳定性；

(2)本发明不需要分光棱镜：有用光线完全被利用，重量轻，有利于小型化、轻量化；

本发明减少系统机械结构、重量，提高稳定性。由于大面阵CCD帧频的限制，若需要提高效率，可以使用binning结构或者将大面阵CCD当成线阵CCD使用。本发明可适于具有扫摆反射镜的中长焦航空相机的调焦，调焦光路直接指导成像光路成像。

附图说明

图1为现有技术的调焦系统结构示意图；

图2为现有调焦技术信号图；

图3为现有航空相机调焦系统的结构示意图；

图4对焦评价函数与聚焦镜头位置关系曲线；

图5为本发明的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图5所示，本发明改进的航空相机调焦系统由照明光源1、准直透镜2、目标3、物镜4、反射镜5、电荷耦合器件6(CCD)、图像采集处理模块7和运动控制模块8组成，其中目标3与电荷耦合器件6为共面。其中准直透镜2、目标3放置在照明光源1发出的光束线上，以反射镜5、物镜4和电荷耦合器件6的中心点的连线为光轴ab，光轴ab与照明光源1发出的光束线平行，反射镜5、物镜4和电荷耦合器件6依序放置在光轴ab上，目标3的中心点与反射镜5的中心点重合，图像采集处理模块7与电荷耦合器件6连接，运动控制模块8与图像采集处理模块7连接，目标3与图像采集处理模块7为共面，反射镜5的镜面与光轴ab的垂线倾斜一角度θ；所述调焦系统包括调焦和成像两条光路，调焦工作时，反射镜5旋转至垂直于光轴ab微小角度θ处，使目标3的像成像于电荷耦合器件6中心，照明光源1发出的光经过准直透镜2准直，均匀地为放置于物镜5焦面处的目标照明，经过物镜4后由反射镜5反射回来，再次经过物镜4，最后成像于电荷耦合器件6上，即相当于对于无穷远高对比度目标成像，图像采集处理模块7将图像信号按照调焦评价函数相关算法进行处理，得到调焦函数值，用于控制运动控制模块8运动；运动控制模块8驱动物镜4的调焦组件至利用图像信息计算评价函数值fI的最大位置处，用于实现调焦工作；成像工作时，反射镜6顺时针旋转至与地面成45度处，地面光线通过反射镜5反射，经过物镜4后，直接成像于电荷耦合器件6上，然后由图像采集处理模块8采集成像于电荷耦合器件6上的图像，并将所述图像进行存储传输，完成航拍任务。

图像采集处理模块7包括CCD驱动电路，图像处理单元；运动控制模块8包括中央处理器(CPU)及位置反馈模块、调焦驱动模块，所述中央处理器CPU可以用数字信号处理器DSP代替。CCD驱动电路直接得到目标3的图像，图像采集处理模块7对传入的目标3的图像进行预处理和计算调焦函数，并将函数值发送给运动控制模块8，运动控制模块8通过位置反馈闭环控制调焦电机M；物镜4的调焦组每移动一个位置计算一次调焦函数值，当找到最大函数值时，即为正确的焦面位置，完成调焦。

采用能量梯度函数计算所述评价函数值f(I)如下表示：

$f\left(I\right)=\underset{x=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\{{[I(x+1,y)-I(x,y)]}^2-{[I(x,y+1)-I(x,y)]}^2\},$

其中I(x，y)为图像I在(x，y)处的灰度值，x，y为图像灰度矩阵中的指定位置，m，n分别表示灰度矩阵长度和宽度。

1、相关部件选择

照明光源1选择：可见光相机的工作波段为400nm～1000nm，峰值在500nm～600nm之间，为了与电荷耦合器件6的波段范围相匹配(400nm-900nm)，照明光源1可采用波段范围为400nm-900nm的单色光源。例如XLamp7090型超亮发光二极管LED。准直透镜2的焦距可以根据航空相机的具体要求及光源发射角进行确定。在调焦光路中，可将准直透镜2的光阑位置设定为其出瞳位置，方便于与目标3的拼接，实现高的照明均匀性。

本发明实施例中选取XLamp7090型超亮发光二极管LED，其光谱集中于585nm-595nm之间，发散角20°，中心光通量40lm，电流I＝350mA)；准直透镜2由于航空相机结构和重量限制，焦距选择为35mm；所述目标3选用空间频率在8p/mm-12lp/mm的光栅或分辨力板，以保证目标在电荷耦合器件6上呈清晰像。目标3综合电荷耦合器件响应和相机结构选择10lp/mm光栅；物镜4由设计要求决定，需要有自带的调焦组件进行调焦，选择中长焦定焦可调焦镜头；调焦工作时，反射镜5的角度能够使光栅像成像于电荷耦合器件6中心区域。反射镜5位于物镜4前方；电荷耦合器件6为大面阵电荷耦合器件；

图像采集处理模块7包括CCD驱动电路，图像处理单元DSP6000系列，运动控制模块8包括数字信号处理器DSP2000系列及位置反馈单元M、调焦驱动单元M。

2、信号预处理方式

由图像采集处理模块7按照空间域，如均值滤波、顺序统计滤波、自适应滤波方式，或者频域带阻滤波器、带通滤波器、陷波滤波器、维纳(wiener)滤波等方式，如果需要也可采用小波方式进行滤波。

3、系统相关评价函数

图像采集处理模块7中各离焦位置处图像的调焦评价函数选择尤其重要，可按照下表，按照单峰性，即在对焦范围内只有一个极值；无偏性，即只有在成像系统处于最佳对焦状态时，对焦评价函数才给出极大值或极小值；能反映离焦的极性(在焦前位置还是在焦后位置)；抗噪性，即能抵抗图像中含有的各类噪声；广泛的适应性，即对不同内容的图像都能对焦；运算的快速性，即要保证对焦的快速实现。等进行选择设计评价函数。

表各类评价函数

4、搜索算法选取及优化

自动对焦的过程就是求对焦评价函数最大值的过程，按照3中函数选择方式，获得的对焦评价函数与聚焦镜头位置之间的曲线如附图4所示。

检调焦是在镜头所需的调节范围内不断移动，基于一定的评价函数寻找对焦位置的过程，是一种一维最优值的搜索过程，搜索的每一步都应该是对极值点的不断逼近。自动检调焦常用的搜索策略有：遍历搜索法、黄金分割法、函数逼近法、爬山法等几种。可选用爬山精调到一定程度，根据抛物线拟合求极值，极值位置即目标位置。

上述为一维搜索算法，一个离焦位置计算一次调焦评价函数值，利用上述搜索算法找到最大函数值，完成检调焦工作。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (6)

1.一种改进的航空相机调焦系统，其特征在于：由照明光源、准直透镜、目标、物镜、反射镜、电荷耦合器件、图像采集处理模块和运动控制模块组成；其中准直透镜、目标放置在照明光源发出的光束线上，以反射镜、物镜和电荷耦合器件的中心点的连线为光轴，光轴与照明光源发出的光束线平行，反射镜、物镜和电荷耦合器件依序放置在光轴上，目标的中心点与反射镜的中心点重合，图像采集处理模块与电荷耦合器件连接，运动控制模块与图像采集处理模块连接，目标与图像采集处理模块为共面，反射镜的镜面与光轴的垂线倾斜一角度；所述调焦系统包括调焦和成像两条光路，调焦工作时，反射镜旋转至垂直于光轴微小角度处，使目标的像成像于电荷耦合器件中心，照明光源发出的光经过准直透镜准直，均匀地为放置于物镜焦面处的目标照明，经过物镜后由反射镜反射回来，再次经过物镜，最后成像于电荷耦合器件上，即相当于对于无穷远高对比度目标成像，图像采集处理模块将图像信号按照调焦评价函数相关算法进行处理，得到调焦函数值，用于控制运动控制模块运动；运动控制模块驱动物镜的调焦组件至利用图像信息计算评价函数值的最大位置处，用于实现调焦工作；成像工作时，反射镜顺时针旋转至与地面成45度处，地面光线通过反射镜反射，经过物镜后，直接成像于电荷耦合器件上，然后由图像采集处理模块采集成像于电荷耦合器件上的图像，并将所述图像进行存储传输，完成航拍任务。

2.根据权利要求1所述的改进的航空相机调焦系统，其特征在于：采用能量梯度函数计算所述评价函数值f(I)如下表示：

$f\left(I\right)=\underset{x=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\{{[I(x+1,y)-I(x,y)]}^2-{[I(x,y+1)-I(x,y)]}^2\},$

其中I(x，y)为图像I在(x，y)处的灰度值，x，y为图像灰度矩阵中的指定位置，m，n分别表示灰度矩阵长度和宽度。

3.根据权利要求1所述的改进的航空相机调焦系统，其特征在于：所述照明光源采用波段范围为400nm-900nm的单色光源。

4.根据权利要求1所述的改进的航空相机调焦系统，其特征在于：所述目标选用空间频率在8p/mm-12lp/mm的光栅或分辨力板，以保证目标在电荷耦合器件上呈清晰像。

5.根据权利要求1所述的改进的航空相机调焦系统，其特征在于：调焦工作时，反射镜的角度能够使光栅像成像于电荷耦合器件中心区域。

6.根据权利要求1所述的改进的航空相机调焦系统，其特征在于：所述物镜采用其自带的调焦组件进行调焦。

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