CN105092026A - 一种推扫型成像光谱仪自动调焦的方法 - Google Patents

Abstract

一种推扫型成像光谱仪的自动调焦的方法，该推扫型成像光谱仪包括控制器、扫描电机、成像模块、成像光谱仪、面阵探测器、调焦电机、镜头；首先扫描电机驱动成像模块移动，确定面阵探测器需要的曝光时间，接着，调焦电机驱动成像模块反复搜索，直到调焦电机的步长减小到设定数值，完成搜索，确定焦点；本发明的有益效果为：能够快速准确的确定焦点，使成像模块处于理想的焦点状态，所捕捉的图像表现清晰，图像的细节丰富，提高了系统的空间分辨率和光谱分辨率；同时也避免了调焦时间过长的问题，保证了推扫型成像光谱仪对拍摄对象捕捉的准确性。

Description

一种推扫型成像光谱仪自动调焦的方法

技术领域

本发明涉及光谱遥感成像技术领域，更具体的说是涉及一种推扫型成像光谱仪的自动调焦的方法。

背景技术

遥感技术的发展经历了全色（黑白）、彩色摄像，多光谱扫描成像阶段之后，在上世纪80年代初期出现的成像光谱技术，使光学遥感进入了一个崭新的阶段——高光谱遥感阶段。所谓的高光谱遥感指的是具有高光谱分辨率的遥感科学和技术，成像光谱技术所使用的成像光谱仪能在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和短波红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据。成像光谱仪为每一个像元提供数十至数百个窄波段的光谱信息，由此而组成一条完整而且连续的光谱曲线。成像光谱仪将视场范围内观察的各种地物以完整的光谱曲线记录下来，而对所记录的数据进行分析处理和研究是多学科所要进行的工作。

高光谱技术是一门新兴的交叉学科，建立在传感器、计算机等技术的基础上，涉及到电磁波理论、光谱学与色度学、物理/几何光学、电子工程、信息学、地理学、农学、大气科学、海洋学等多门学科。电磁波理论则是遥感技术的物理基础，电磁波与地表物质的相互作用机理、电磁波在不同介质中的传输模型和对其进行接收、分析是综合各门学科和技术的核心所在。针对不同地物的不同光谱特征,利用高光谱图像可有效地区分和识别地物,因而被广泛地应用于大气探测、医学诊断、物质分类和目标识别、国土资源、生态、环境监测和城市遥感中。

光谱成像仪的成像原理是:当被测物体通过镜头后被光谱相机捕获，得到一个一维的影像以及相应的光谱信息，而当电控移动平台（或传送带）带动样品连续运行时，则能够得到样品目标物的连续的一维影像以及实时的光谱信息，而在此过程中所有的数据被计算机软件所记录，最终获得一个包含了影像信息和光谱信息的三维数据立方体。

光谱成像仪的扫描方式分为两种，一种是狭缝扫描方式，一种是转镜扫描方式。

推扫型成像光谱仪采用的是狭缝扫描方式，摆扫型成像光谱仪采用的是转镜扫描方式；推扫型成像光谱仪相比于摆扫型成像光谱仪，它的像元的凝视时间大大增加了，因为推扫型成像光谱仪的像元凝视时间只取决于平台运行的速度，而摆扫型成像光谱仪像元凝视时间不仅受平台运行的速度的影响，还受自身转镜结构的转动速度的影响。像元的凝视时间的增加可以大大提高系统的灵敏度和信噪比，从而能够更大地提高系统的空间分辨率和光谱分辨率。

但目前推扫型成像光谱仪的光谱分辨率受调焦技术的影响，并不是很理想；要么调焦时间过长，影响了推扫型成像光谱仪对拍摄对象的准确捕捉，要么成像模块没有处于理想的焦点状态，降低了系统的空间分辨率和光谱分辨率，导致所捕捉的图像表现的不够清晰，图像的细节不够丰富。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种推扫型成像光谱仪的自动调焦的方法，避免了调焦时间过长或者调试的焦点不准确而导致捕捉的图像不够准确、清晰的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种推扫型成像光谱仪的自动调焦的方法，所述推扫型成像光谱仪包括控制器、扫描电机、成像模块、调焦电机及镜头；所述成像模块包括成像光谱仪和面阵探测器；

首先，所述控制器控制扫描电机运作，扫描电机通过转接件驱动成像模块沿垂直于光轴的方向运动至设置好的位置，从而确定面阵探测器需要的曝光时间；

其次，进行自动调焦；

所述自动调焦的步骤为：

S1、所述控制器控制扫描电机运作，扫描电机通过转接件驱动成像模块沿垂直于光轴的方向运动至设置好的位置，进行调焦；

S2、所述控制器控制调焦电机运作，所述调焦电机通过转接件驱动成像模块从起始位置出发，沿着光轴的方向朝镜头移动，以一个较大的步长走遍设计的全行程，得到对焦评价函数的最大值和其成像模块的位置；

S3、调焦电机通过转接件驱动成像模块往回运动，回到S2中对焦评价函数最大位置的前一站，以此作为新的出发点，减少调焦电机的步长，再由调焦电机通过转接件驱动成像模块从新的出发点出发，沿着光轴的方向朝镜头移动至S2中对焦评价函数最大值位置的下一站，得到新的对焦评价函数的最大值和其成像模块的位置，如此反复搜索，直到驱动电机的步长减小到设定数值，完成搜索，确定焦点。

更进一步的，所述的S2中全行程为1.2cm；完成自动对焦流程所用时间为1~5s。

更进一步的，所述的第一步中的起始位置为镜头与成像模块距离最远时成像模块所在的位置。

更进一步的，所述的成像模块包括成像光谱仪和面阵探测器，所述成像光谱仪与面阵探测器为固定连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：不需要采用测距法查找并确定可获得最清晰图像时的调焦参数，能够快速准确的确定焦点，并且消除了机械累计误差，使成像模块处于理想的焦点状态，所捕捉的图像表现清晰，图像的细节丰富，提高了系统的空间分辨率和光谱分辨率；同时也避免了调焦时间过长的问题，保证了推扫型成像光谱仪对拍摄对象捕捉的准确性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明立体结构示意图；

图2为本发明整体结构平面示意图；

图3为本发明成像模块结构示意图；

图中的标号为：1、控制器；2、扫描电机；3、成像模块；31、成像光谱仪；32、面阵探测器；4、调焦电机；5、镜头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

[实施例1]

如图1、图2、图3所示的一种推扫型成像光谱仪，它的自动调焦的方法为：

首先，控制器1控制扫描电机2运作，扫描电机2通过转接件驱动成像模块3沿垂直于光轴的方向运动至设置好的位置，从而确定面阵探测器32需要的曝光时间，本实施例将该设置好的位置设置为成像光谱仪31的狭缝正对镜头的中心的位置；其次，所述控制器1控制扫描电机2运作，扫描电机2通过转接件驱动成像模块3沿垂直于光轴的方向运动至设置好位置，进行自动调焦，该设置好的位置既可为成像光谱仪31的狭缝正对镜头的中心的位置也可为方便调焦的其他位置。

在调焦的过程中，图像的清晰度的判断是其中的一个重点。在数字图像处理中，信号或图像的能量大部分集中在幅度谱的低频和中频段，但图像轮廓的锐度和细节的丰度取决于图像的高频成分，这样的话，各种检测图像的边缘信息或者计算图像高频分量的自动对焦方法随之而来。高光谱图像在采集过程中是一帧一帧的去拍摄，那么把对应的一帧图像中的视频信号的高频信号成分称之为对焦评价函数，自动对焦的过程也就是求取对焦评价函数最大值的过程。当图像在其成像系统中的焦点的时候，图像表现的非常清晰，图像的细节丰富。而图像模糊是由于信号中的高频分量有损失，图像在聚焦情况下比其在离焦图像包含更多的信息和细节，从而可依据聚焦评价函数获取的数据来评判焦点与离焦的状态。图像清晰时，自相关函数曲线将变得非常的尖锐，图像过焦点模糊时，自相关函数曲线将变得平坦。

所述自动调焦的步骤为：第一步，所述的控制器1控制调焦电机4运作，所述调焦电机4通过转接件驱动成像模块3从起始位置出发，沿着光轴的方向朝镜头5移动，以一个较大的步长走遍设计的全行程，成像模块3每走一步，都要计算当前的对焦评价函数值，并与前一步所得的对焦评价函数值进行比较，记下较大的对焦评价函数值及其调焦成像模块3的位置，这样当走完全程后，就可以得到对焦评价函数的最大值及其调焦成像模块的位置；第二步，调焦电机4通过转接件驱动成像模块3往回运动，回到第一步中对焦评价函数最大位置的前一站，以此作为新的出发点，减少调焦电机4的步长，再由调焦电机4通过转接件驱动成像模块3从新的出发点出发，沿着光轴的方向朝镜头5移动至第一步中对焦评价函数最大值位置的下一站，得到新的对焦评价函数的最大值和其成像模块3的位置，如此反复搜索，直到调焦电机4的步长减小到设定数值，完成搜索，确定焦点。

本实施例能够快速准确的确定焦点，使成像模块处于理想的焦点状态，所捕捉的图像表现清晰，图像的细节丰富，提高了系统的空间分辨率和光谱分辨率；同时也避免了调焦时间过长，影响了推扫型成像光谱仪对拍摄对象的准确捕捉。

[实施例2]

本实施例在实施例1的基础上做了进一步的改进，如图1、图2、图3所示的一种推扫型成像光谱仪，调焦电机4通过转接件驱动成像模块3从起始位置出发，沿着光轴的方向朝镜头5移动，以一个较大的步长走遍设计的全行程，该设计的全行程为1.2cm，完成自动对焦流程所用时间为1~5s。避免了全行程过长，而导致调焦时间的增加，同时也避免了全行程过短，而导致理想焦点不在行程范围内的问题。

[实施例4]

本实施例在实施例1的基础上做了进一步的改进，如图1、图2、图3所示的一种推扫型成像光谱仪，所述第一步中的起始位置为镜头与成像模块距离最远时成像模块所在的位置。这样方便设定调焦电机4的控制程序，节省人力物力。

[实施例3]

本实施例在实施例1的基础上做了进一步的改进，如图1、图2、图3所示的一种推扫型成像光谱仪，成像模块3包括成像光谱仪31和面阵探测器32，所述成像光谱仪31与面阵探测器32为固定连接，避免了在成像模块3的运动过程中成像光谱仪31与面阵探测器32发生位移，保证了推扫型成像光谱仪的拍摄效果。

如上所述即为本发明的实施例。本发明不局限于上述实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种推扫型成像光谱仪的自动调焦的方法，其特征在于：所述推扫型成像光谱仪包括控制器（1）、扫描电机（2）、成像模块（3）、调焦电机（4）及镜头（5）；所述成像模块（3）包括成像光谱仪（31）和面阵探测器（32）；

首先，控制器（1）控制扫描电机（2）运作，扫描电机（2）通过转接件驱动成像模块（3）沿垂直于光轴的方向运动至设置好的位置，从而确定面阵探测器（32）需要的曝光时间；

其次，进行自动调焦；

所述自动调焦的步骤为：

S1、所述控制器（1）控制扫描电机（2）运作，扫描电机（2）通过转接件驱动成像模块（3）沿垂直于光轴的方向运动至设置好的位置，进行调焦；

S2、所述控制器（1）控制调焦电机（4）运作，所述调焦电机（4）通过转接件驱动成像模块（3）从起始位置出发，沿着光轴的方向朝镜头（5）移动，以一个较大的步长走遍设计的全行程，得到对焦评价函数的最大值和其成像模块（3）的位置；

S3、调焦电机（4）通过转接件驱动成像模块（3）往回运动，回到S2中对焦评价函数最大位置的前一站，以此作为新的出发点，减少调焦电机（4）的步长，再由调焦电机（4）通过转接件驱动成像模块（3）从新的出发点出发，沿着光轴的方向朝镜头（5）移动至S2中对焦评价函数最大值位置的下一站，得到新的对焦评价函数的最大值和其成像模块（3）的位置，如此反复搜索，直到驱动电机的步长减小到设定数值，完成搜索，确定焦点。

2.根据权利要求1所述的一种推扫型成像光谱仪的自动调焦的方法，其特征在于：所述的S2中全行程为1.2cm；完成自动对焦流程所用时间为1~5s。

3.根据权利要求1所述的一种推扫型成像光谱仪的自动调焦的方法，其特征在于：所述的第一步中的起始位置为镜头与成像模块（3）距离最远时成像模块（3）所在的位置。

4.根据权利要求1所述的一种推扫型成像光谱仪的自动调焦的方法，其特征在于：所述成像光谱仪（31）与面阵探测器（32）为固定连接。