CN105334594A - 卫星遥感相机对焦装置及其对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卫星遥感相机对焦装置及其对焦方法，该装置包括用于使镜头对焦环实现小步长平面运动的对焦环组件和运动传递组件，通过采用能在轨实现小步长平面运动的对焦环组件和运动传递组件相互配合，实现对镜头对焦环的准确小范围调焦，当卫星所受空间环境的温度变化引起焦面离焦时，通过该对焦装置能精确调节遥感相机焦距，实现卫星遥感相机的清晰成像，该装置具有结构简单、操作方便、对焦精度高等优点。避免了过度调焦问题的出现。

Description

卫星遥感相机对焦装置及其对焦方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体的涉及一种卫星遥感相机对焦装置及其对焦方法。

背景技术

卫星在发射时会受到剧烈地冲击和振动。卫星上搭载的空间相机由于受到冲击、振动会造成其光学间隔的变化，例如主镜与次镜之间的距离会发生改变、校正镜在其轴向上会发生窜动等。这些变化会引起光学对焦面与CCD(电荷耦合元件)相机探测面发生相对位移，同时在轨运行时星上器件所处的空间微重力、压力以及温度场等发生变化，进而引起在轨光学元件的曲率半径、厚度等发生变化，最终导致在轨的相机镜头焦平面离焦，严重影响在轨CCD相机的成像质量。

传统对焦装置中动力传递形式主要有丝杠螺母传动、蜗轮蜗杆传动以及凸轮传动等传动形式。这几种传动装置中：

1)丝杠螺母传动装置的装配繁琐，在轨工作时丝杠与螺母之间容易发生卡滞；

2)蜗轮蜗杆传动装置的体积大，不适于星上器件的要求；

3)凸轮传动装置的凸轮曲线加工精度要求高，加工难度大，增加成本了，同时加大了装置失稳几率。

现有技术中还可以通过对在轨成像相机的对焦过程进行控制，进而实现提高相机成像质量的控制方法。该控制方法需根据已经获取的图像，判别其成像质量后，确定对焦距离和方向，以实现相机的自动对焦。但该控制方法技术复杂、可靠性低，极大地增加了微小卫星对焦装置的研制难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于解决上述现有技术问题的卫星遥感相机对焦装置及其对焦方法。

本发明提供一种卫星遥感相机对焦装置，遥感相机包括用于调焦的镜头对焦环，包括用于使镜头对焦环实现小步长平面运动的对焦环组件和运动传递组件，对焦环组件包括对焦连杆，对焦连杆的一端与运动传递组件相连接，另一端与镜头对焦环相连接；运动传递组件包括用于驱动对焦连杆进行直线运动的直线步进电机，直线步进电机的输出轴与对焦连杆相连接；小步长平面运动为镜头对焦环绕其轴线转动的同时还能沿其轴线进行小幅运动。

进一步地，运动传递组件还包括穿设于输出轴上的直线运动结构件和限位结构件，直线运动结构件的两相对端上分别设有限位凸块和安装凹槽，对焦连杆的一端插设于安装凹槽内；限位结构件上开设有沿其纵向延伸的U型槽，限位凸块插设于U型槽内。

进一步地，对焦环组件还包括分别连接于对焦连杆两端的对焦匹配件和运动传递结构件，对焦匹配件为与镜头对焦环外壁相配合的弧段；运动传递结构件插设于安装凹槽内。

进一步地，运动传递结构件的两相对端设有平面，平面于安装凹槽内壁形成狭缝。

进一步地，运动传递组件还包括夹设于直线运动结构件上下的上固定块和下固定块，输出轴穿设于上固定块和下固定块中；优选的上固定块的比热容为A，下固定块的比热容为B，述运动传递结构件的比热容为C，A≠B≠C。

进一步地，U型槽的开口端设有上限位块，U型槽的下端设有下限位块，限位凸块在上限位块与下限位块之间进行直线运动；上固定块、下固定块采用聚四氟乙烯材料制成，运动传递结构件采用金属铜材料制成。

进一步地，直线运动结构件的厚度为输出轴螺距的整数倍。

本发明另一方面还提供了一种遥感相机，包括如前述的卫星遥感相机对焦装置和光学镜头组件、CCD相机组件、用于将遥感相机安装于卫星上的基板，卫星遥感相机对焦装置、光学镜头组件和CCD相机组件均间隔安装于基板上；光学镜头组件的一端外壁上套设镜头对焦环并与CCD相机组件相连接，卫星遥感相机对焦装置与镜头对焦环相连接。

进一步地，还包括用于接收地面控制指令对焦控制装置，对焦控制装置设置于基板上。

本发明另一方面还提供了一种如前述卫星遥感相机对焦装置用对焦方法，包括以下步骤：

步骤S100：对卫星遥感相机对焦装置进行在地调准，之后在轨实时获取目标图像和直线步进电机运行参数；步骤S200：对图像进行清晰度判断；步骤S300：如果图像清晰度不满足要求，则根据所获取得电机运行参数进行原因分析，对在轨发出卫星遥感相机对焦装置发出调焦和/或电机补偿指令，返回步骤S200中对所获取的下一帧图像重复步骤S200；步骤S400：当所获取的图像达到清晰度要求后，停止。

本发明的技术效果：

本发明提供卫星遥感相机对焦装置通过采用能在轨实现小步长平面运动的对焦环组件和运动传递组件相互配合，实现对镜头对焦环的准确小范围调焦，当卫星所受空间环境的温度变化引起焦面离焦时，通过该对焦装置能精确调节遥感相机焦距，实现卫星遥感相机的清晰成像，该装置具有结构简单、操作方便、对焦精度高等优点。避免了过度调焦问题的出现。

本发明提供卫星遥感相机包括卫星遥感相机对焦装置，从而实现对在轨使用的卫星遥感相机的微调焦，还能避免过度调焦导致目标物丢失。

本发明提供卫星遥感相机对焦装置用对焦方法能实现人在回路方式对焦，同时还参考了电机的输出参数，弥补了仅仅对在轨获取图像清晰度进行判断的单一性，提高了调焦准确性。

具体请参考根据本发明的卫星遥感相机对焦装置及其对焦方法提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是本发明提供的卫星遥感相机对焦装置的优选实施例使用状态示意图；

图2是本发明提供的卫星遥感相机对焦装置的优选实施例的立体示意图；

图3是本发明提供的卫星遥感相机对焦装置中对焦环组件的立体示意图；

图4是图2的侧视示意图；

图5是图2的主视示意图；

图6是图2的俯视示意图；

图7是本发明提供的卫星遥感相机对焦装置用调焦方法流程示意图。

图例说明：

100、对焦环组件；101、对焦匹配件；102、对焦连杆；103、第一紧固螺钉；104、运动传递结构件；105、第二紧固螺钉；200、运动传递组件；201、输出轴；202、上固定块；203、直线运动结构件；204、下固定块；205、直线步进电机；206、上限位块；209、下限位块；210、限位结构件；211、电机基座；212、U型槽；213、限位凸块；214、安装凹槽；300、对焦控制装置；400、基板；500、CCD相机组件；600、镜头对焦环；700、光学镜头组件。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

参见图1～2，本发明提供的卫星遥感相机对焦装置用于对在轨的遥感相机进行调焦，包括对焦环组件100和运动传递组件200。对焦环组件100的一端固定连接于镜头对焦环600的外壁上。另一端受到运动传递组件200的控制实现小步长平面运动。此处的小步长平面运动是指通过对焦环组件100限制镜头对焦环600沿其轴向的运动幅度，使得镜头对焦环600仅能进行绕其轴线转动的运动。从而防止由于镜头对焦环600沿其轴向运动幅度过大。当卫星所受空间环境的温度变化引起焦面离焦时，通过该对焦装置能精确调节遥感相机的焦距，实现卫星遥感相机的清晰成像，该装置具有结构简单、操作方便、对焦精度高等优点。显然只需能实现该功能的结构均可用于本发明中。

参见图3，对焦环组件100包括对焦连杆102，对焦连杆102的一端与运动传递组件200相连接，另一端与镜头对焦环600相连接；运动传递组件200包括用于驱动对焦连杆102进行直线运动的直线步进电机205，直线步进电机205的输出轴201与对焦连杆102相连接。对焦连杆102可以为一个可以带动镜头对焦环600的沿其轴线转动的杆状结构即可，同时对焦连杆102通过与之相连接的直线步进电机205驱动，使其仅能在对焦连杆102与镜头对焦环600连接点所处平面内发生转动。此处直线步进电机205的输出轴201可以采用各类结构进行保护即可实现。同时由于输出轴201较长，在各类环境中均难以避免会沿镜头对焦环600轴线发生运动，从而实现了小步长平面运动。

使用时，可以将镜头对焦环600套设于光学镜头组件700的一端。CCD相机组件500安装于光学镜头组件700的一端。镜头对焦环600绕其轴线的转动即可实现对CCD相机组件500调焦。CCD相机组件500和光学镜头组件700通过支架固定安装于基板400上。对焦环组件100设有弧型端的一端固定连接于镜头对焦环600的外壁上，对焦环组件100的另一端插设于运动传递组件200中。对焦环组件100受到运动传递组件200的驱动，进而带动镜头对焦环600绕其轴线转动。由于镜头对焦环600与光学镜头组件700为螺纹连接，因而镜头对焦环600在绕其轴线转动的同时会沿其轴向移动。由于驱动对焦环组件100的运动传递组件200的直线运动结构件203卡接于一通槽内，因而镜头对焦环600沿其轴线移动的运动受到限制。从而实现对在轨遥感相机组件进行微调焦的作用。已经在地面测试实现对焦的遥感相机，由于发射过程中的振动和冲击，或者由于在轨运行时的环境变化导致的成像模糊，而此时通常仅需进行微调即可实现成像清晰。采用该装置后，能提高调焦精度，避免地面对在轨卫星进行遥控调焦时，难以准确控制其调整尺度的问题。

参见图2和3，对焦环组件100包括对焦匹配件101、对焦连杆102和运动传递结构件104。对焦匹配件101为弧型段，通过设置于其两端的第二紧固螺钉105，对焦匹配件101固定设置于镜头对焦环600的外壁上。对焦匹配件101的外壁上通过对焦连杆102与运动传递结构件104相连接。例如可以为通过第一紧固螺钉103相连接。运动传递结构件104插设于运动传递组件200中。采用该结构，一方面便于对镜头对焦环600实现准确调整，同时又能将运动传递组件200产生的调焦运动传递到镜头对焦环600上实现调焦。显然，对焦匹配件101可以根据光学镜头组件700上套设的镜头对焦环600的外径尺寸需做一些适应性调整。对焦环组件100的微幅运动能以极高地精度调节镜头焦距，进而提高遥感相机的对地成像质量。

优选的，参见图2、4～6，运动传递组件200还包括穿设于输出轴201上的直线运动结构件203和限位结构件210，直线运动结构件203的两相对端上分别设有限位凸块213和安装凹槽214，对焦连杆102的一端插设于安装凹槽214内；限位结构件210上开设有沿其纵向延伸的U型槽212，限位凸块213插设于U型槽212内。此时可以提高对输出轴201纵向运动的控制，防止其在卫星升空过程中发生脱轨。

更优选的，运动传递组件200包括电机基座211、限位结构件210、直线步进电机205、上固定块202、下固定块204和夹设于上固定块202和下固定块204之间的直线运动结构件203。运动传递组件200通过电机基座211安装于基板400上。电机基座211的底面上设有凸块，凸块下安放直线步进电机205。直线步进电机205安装于基板400上的通孔中。限位结构件210通过螺钉固定连接于电机基座211上。限位结构件210上设有U型槽212。直线运动结构件203为圆盘状，一侧沿其径向向外突出形成限位凸块213，限位凸块213伸入U型槽212中。上固定块202、下固定块204具有提高直线运动结构件203运行稳定性的作用。

为了提高调焦准确性，U型槽212的上端设有上限位块206。防止进行在轨调焦时，限位凸块213从U型槽212中脱出。同时为了更进一步的提高调焦精度，U型槽212的下端设有下限位块209，防止限位凸块213在轨调焦过程中超出调焦范围。而导致目标物丢失。上限位块206和下限位块209可以通过螺钉连接。

直线运动结构件203与设有限位凸块213的相对侧上设有安装凹槽214，运动传递结构件104卡接于安装凹槽214中。限位凸块213与安装凹槽214设置于直线运动结构件203相对侧壁上，能实现对焦环组件100对镜头对焦环600运动的准确控制，避免增加镜头对焦环600沿其轴向运动量的增加。

优选的，参见图2～3，运动传递结构件104的两相对侧设有平面，该平面垂直直线运动结构件203的轴线设置。从而使得运动传递结构件104与安装凹槽214之间形成间隙，在镜头对焦环600沿其轴线移动时留有间隙，通过限制运动传递结构件104在直线运动结构件203内的移动位置来限制镜头对焦环600的运动行程。实现精准调焦。

直线步进电机205的输出轴201穿设于上固定块202、直线运动结构件203和下固定块204中。用于驱动上固定块202、直线运动结构件203和下固定块204沿其轴线进行直线往返运动。显然上固定块202、直线运动结构件203和下固定块204中的上固定块202和下固定块204可以省略，仅需直线运动结构件203即可实现对镜头对焦环600微调。采用直线步进电机205直接实现运动形式转化并达到减速目的，改变传统旋转电机依靠蜗轮蜗杆或凸轮凸杆等复杂装置进行运动减速转化，具有结构简单、易加工装配等特点。

优选的，直线运动结构件203的厚度为输出轴201螺距的整数倍，以防止在直线运动输出中出现卡死。

优选的，直线步进电机205具有断电抱死功能从而实现对焦装置自锁，可有效防止卫星发射过程以及在轨运行中因外界振动等造成对焦装置运动导致光学镜头离焦而影响成像质量。

优选的，直线步进电机205为可从标准起始位置处移动步进范围约为-25000～+25000步的电机。可有效实现准确对焦。

优选的，上固定块202、下固定块204和运动传递结构件104分别采用比热容不同的材料制成。上固定块202的比热容为A，下固定块204的比热容为B，述运动传递结构件104的比热容为C，A≠B≠C。可有效避免运动传递结构件104在压紧状态以及调焦过程中出现冷凝现象。导致调焦失败。例如可以采用金属材料制成运动传递结构件104，采用高分子塑料材料制成上固定块202、下固定块204。

更优选的，上固定块202、下固定块204采用聚四氟乙烯材料制成，运动传递结构件104采用金属铜材料制成。二者比热容相差较大，在卫星发射过程和在轨运行过程中，可以避免二者粘结而无法进行调焦。更优选的，直线运动结构件203为铝合金材料制成。从而彻底的避免各运动部件之间由于温度改变而粘结。

参见图1，本发明的另一方面还提供了卫星遥感相机，包括如前的卫星遥感相机对焦装置和光学镜头组件700、CCD相机组件500、基板400。基板400上安装有卫星遥感相机对焦装置、光学镜头组件700和CCD相机组件500。光学镜头组件700和CCD相机组件500通过支架安装于基板400上。光学镜头组件700的一端与CCD相机组件500相连接。镜头对焦环600套设于光学镜头组件700用于对焦的外壁上。并与卫星遥感相机对焦装置运动连接。采用该遥感相机能实现在轨精确微调焦，提高调焦准确性，减少误调焦的发生。

优选的，卫星遥感相机还包括设置于基板400上的对焦控制装置300，对焦控制装置300可以用于接收地面控制装置发出的调焦指令，控制卫星遥感相机对焦装置中的直线步进电机205进行调焦。

参见图7，本发明的另一方面还提供了上述卫星遥感相机对焦装置的对焦方法，包括以下步骤：

步骤S100：对卫星遥感相机对焦装置进行在地调准，之后在轨实时获取目标图像和直线步进电机205运行参数；

步骤S200：对图像进行清晰度判断；

步骤S300：如果图像清晰度不满足要求，则根据所获取得电机运行参数进行原因分析，对在轨发出卫星遥感相机对焦装置发出调焦和/或电机补偿指令，返回步骤S200中对所获取的下一帧图像重复步骤S200；

步骤S400：当所获取的图像达到清晰度要求后，停止。

采用该方法可以实现地面操控人员通过向卫星注入对焦指令调整空间相机光学镜头焦距，实现对探测目标的清晰图像，能够显著提高卫星遥感相机的成像质量和成像效率。还能实现人在回路方式对焦，提高对焦的准确性和效率。该方法不单一根据图像清晰度进行判断，还参考了电机的运行参数，提高对焦准确性。

优选的，步骤S100中还包括地面调试步骤S110：卫星在地面进行总装时，以地面测试实验时，将光学镜头组件700的焦距对准无穷远处为参考点装调对焦环组件100，使其能对参考点实现清晰成像，锁定对焦环组件100的位置。通过地面调试后，能使得该装置聚焦的位置靠近目标物。提高在轨精确对焦的可能。参考点的获取可以根据现有技术进行。

具体的该方法包括以下步骤：

步骤1、卫星在地面进行总装时，按照装调对焦环组件100和运动传递组件200的相对位置来装配运动传递组件200，然后小幅调节直线运动结构件203并使其基本位于限位结构件210上U型槽212的中间位置，最后安装对焦装置控制系统300，保证电机输出的直线运动稳定传递到对焦环组件100处。

步骤2、地面标定时，松开镜头700的锁紧螺钉，将摄像机对准无穷远处并成像，小幅调节直线运动结构件203并使其基本位于U型槽212的中间位置，将该位置标定为标准起始位置，紧固镜头700的锁紧螺钉；

步骤3、在轨运行中待卫星飞行至探测目标上方时，CCD相机组件500中的空间相机开机，并向地面操控人员下传实时图像；

步骤4、通过分析卫星下传图像的质量，判断直线步进电机205的运转方向和步数，并生成对焦控制指令；具体的判断可以根据人工经验判断。也可以根据专门的分析软件来判断。

步骤5、地面操控人员向卫星注入对焦控制指令来调整空间相机的光学镜头的焦距，并在此成像并向地面传输；

步骤6、地面操控人员再次分析对焦调整后的卫星成像，并判断所得图像的质量，判断相机是否准确对焦；

步骤7、若注入对焦控制指令后，卫星遥感相机仍未准确对焦，则循环执行步骤4～6，直到卫星图像质量满足要求；

步骤8、待卫星下传实时清晰图像时，直线步进电机205断电实现自锁保持当前焦距位置，至此完成卫星遥感相机的对焦。

采用该方法成像，能提高成像效率，实现人在轨道操控，提高操作准确性，实现对目标快速准确聚焦。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (10)

1.一种卫星遥感相机对焦装置，所述遥感相机包括用于调焦的镜头对焦环(600)，其特征在于，包括用于使所述镜头对焦环(600)实现小步长平面运动的对焦环组件(100)和运动传递组件(200)，

所述对焦环组件(100)包括对焦连杆(102)，所述对焦连杆(102)的一端与所述运动传递组件(200)相连接，另一端与所述镜头对焦环(600)相连接；

所述运动传递组件(200)包括用于驱动对焦连杆(102)进行直线运动的所述直线步进电机(205)，所述直线步进电机(205)的输出轴与对焦连杆(102)相连接；

所述小步长平面运动为所述镜头对焦环(600)绕其轴线转动的同时还能沿其轴线进行小幅运动。

2.根据权利要求1所述的卫星遥感相机对焦装置，其特征在于，所述运动传递组件(200)还包括穿设于所述输出轴(201)上的直线运动结构件(203)和限位结构件(210)，所述直线运动结构件(203)的两相对端上分别设有限位凸块(213)和安装凹槽(214)，所述对焦连杆(102)的一端插设于所述安装凹槽(214)内；

所述限位结构件(210)上开设有沿其纵向延伸的U型槽(212)，所述限位凸块(213)插设于所述U型槽(212)内。

3.根据权利要求2所述的卫星遥感相机对焦装置，其特征在于，所述对焦环组件(100)还包括分别连接于所述对焦连杆(102)两端的对焦匹配件(101)和运动传递结构件(104)，所述对焦匹配件(101)为与所述镜头对焦环(600)外壁相配合的弧段；

所述运动传递结构件(104)插设于所述安装凹槽(214)内。

4.根据权利要求3所述的卫星遥感相机对焦装置，其特征在于，所述运动传递结构件(104)的两相对端设有平面，所述平面于所述安装凹槽(214)内壁形成狭缝。

5.根据权利要求4所述的卫星遥感相机对焦装置，其特征在于，所述运动传递组件(200)还包括夹设于所述直线运动结构件(203)上下的上固定块(202)和下固定块(204)，所述输出轴(201)穿设于所述上固定块(202)和下固定块(204)中；

优选的所述上固定块(202)的比热容为A，所述下固定块(204)的比热容为B，所述运动传递结构件(104)的比热容为C，A≠B≠C。

6.根据权利要求5所述的卫星遥感相机对焦装置，其特征在于，所述U型槽(212)的开口端设有上限位块(206)，所述U型槽(212)的下端设有下限位块(209)，所述限位凸块(213)在所述上限位块(206)与所述下限位块(209)之间进行直线运动；

所述上固定块(202)、所述下固定块(204)采用聚四氟乙烯材料制成，所述运动传递结构件(104)采用金属铜材料制成。

7.根据权利要求2～6中任一项所述的卫星遥感相机对焦装置，其特征在于，所述直线运动结构件(203)的厚度为所述输出轴(201)螺距的整数倍。

8.一种卫星遥感相机，其特征在于，包括如权利要求1～7中任一项所述的卫星遥感相机对焦装置和光学镜头组件(700)、CCD相机组件(500)、用于将所述遥感相机安装于卫星上的基板(400)，所述卫星遥感相机对焦装置、所述光学镜头组件(700)和所述CCD相机组件(500)均间隔安装于所述基板(400)上；所述光学镜头组件(700)的一端外壁上套设镜头对焦环(600)并与所述CCD相机组件(500)相连接，所述卫星遥感相机对焦装置与所述镜头对焦环(600)相连接。

9.根据权利要求8所述的遥感相机，其特征在于，还包括用于接收地面控制指令对焦控制装置(300)，所述对焦控制装置(300)设置于所述基板(400)上。

10.一种如权利要求1～7所述卫星遥感相机对焦装置用对焦方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：对所述卫星遥感相机对焦装置进行在地调准，之后在轨实时获取目标图像和直线步进电机(205)运行参数；

步骤S200：对所述图像进行清晰度判断；

步骤S300：如果图像清晰度不满足要求，则根据所获取得电机运行参数进行原因分析，对在轨发出卫星遥感相机对焦装置发出调焦和/或电机补偿指令，返回步骤S200中对所获取的下一帧所述图像重复步骤S200；

步骤S400：当所获取的所述图像达到清晰度要求后，停止。