CN108490578B - 一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，先将连续变倍镜头与红外成像组件、电机控制组件连接在一起，组成一台能够正常成像的红外热像仪，然后依次进行齐焦性补偿值的获取和齐焦性补偿；本发明采用双列补偿值，在补偿值获取时，根据变倍电机前进或后退的步骤，将当前的补偿值记录在不同的序列中，在补偿过程中，能自动消除补偿的空回误差，使得补偿值更加准确，补偿的精度更高。

Description

一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法

技术领域

本发明属于镜头的运动控制技术领域，具体涉及一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差快速标定、补偿方法。

背景技术

光学系统通常采用大视场进行目标搜索，采用小视场进行目标监控。采用二档或三档变部镜头时，由于变倍过程中会出现视场没有图像阶段，会导致目标丢失，采用多个镜头会导致成本和光学系统尺寸增大，因此目前常采用的是连续变倍镜头方式。连续变倍镜头在变倍过程中，能对目标一直进行监控，所以光电监控系统中越来越流行采用连续变倍镜头。

由于机械加工误差和装配误差，连续变倍镜头齐焦性难以保证，在全行程中，总会有部分点齐焦性无法满足要求。此外监控用光电系统主要用于室外，很多系统用于恶劣环境中，环境温度变化剧烈，温度变化导致的热应力会使镜头齐焦性更加劣化。特别是红外连续变倍镜头，由于红外镜头汇聚红外光线，而红外光线会使得光学系统发热导致温度上长，从而使得连续变倍镜头在同样的环境温度下，都需要对镜头进行齐焦性补偿才能保证目标在视场中保持清晰。

目前国内生产的连续变倍镜头，在用于安防监控时，由于齐焦性要求不高，补偿时间不作要求，因此普遍采用基于图像的自动聚焦方式或电动调焦方式。但采用该类镜头对目标跟踪时，由于聚焦补偿时间较长，会导致跟踪目标丢失，容易出现跟错目标的现象。此外，由于变倍时，对于移动目标和小占屏比目标，有一定的聚焦错误率，会导致跟踪失败的现象出现。

对于连续变倍镜头齐焦性补偿，目前普遍采用的三种方式，第一种是自动聚焦方式，第二种是电动调焦方式，第三种是常温下几个特定保存点方式。但都无法满足连续变倍镜头对空中目标、海中目标的搜索与跟踪要求。

在光电搜索与跟踪的使用中，要求在跟踪的过程中，目标实时清晰，如果出现一定时间目标模糊，则会使得跟踪目标丢失，或跟踪上错误的目标，导致跟踪失败。另外在跟踪过程中，变倍后，聚焦补偿必须完全可靠，不允许出现任何失误，否则会导致跟踪过程前功尽弃。因此，光电成像时，需要实时提供清晰的目标，不允许出现任何一次聚焦失败。

而基于图像灰度的自动聚焦方法，由于受输出图像频的限制，过冲回调时间较长，一般需要3秒时间进行补偿，同时对于移动的目标，由于灰度梯度值不按单调性变化，容易出现聚焦失败的现象，另外对于小目标，由于灰度梯度值较小，聚焦失败的概率也较高，无法满足跟踪要求；而对于电动调焦，由于调节时间较长，调焦的精度不一致，也无法满足跟踪要求；通过MCU记录几个特殊点的位置的方式，只适用于普通的安防，无法满足在任何温度条件下，任意变倍位置的齐焦性补偿。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差快速标定、补偿方法，能方便解决任一温度条件下（工作温度范围内）连续变倍红外镜头齐焦性误差补偿的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，包括如下步骤

（一），连续变倍红外镜头的组装：将连续变倍镜头与红外成像组件、电机控制组件连接在一起，组成一台能够正常成像的红外热像仪；所述的连续变倍镜头上分别连接有补偿限位组件、变倍限位组件、变倍反馈组件、变倍电机组、补偿反馈组件和补偿电机组；所述的电机控制组件包括变倍电机驱动电路和补偿电机驱动电路，其中变倍电机组由MCU通过变倍电机驱动电路来控制，变倍电机组通过变倍凸轮来调节连续变倍镜头，所述的MCU上还连接有温度传感器和flash；所述的变倍电机组和补偿电机组分别驱动变倍镜头组和补偿镜头组，所述的变倍反馈组件和补偿反馈组件均由精密电位器或光电编码器构成，分别与变倍凸轮齿环和补偿凸轮齿环啮合；

（二），齐焦性补偿值的获取：a1），通过温度传感器获取连续变倍镜头结构件内的温度值，将温度值分成多个工作温度段，相邻两个工作温度段相差4～8℃，将工作温度段均匀分组，每一个温度段定义一个包含镜头在当前温度条件下，所有非齐焦的位置点信息的结构体，每个温度段采用从短焦到长焦和从长焦到短焦两个补偿值序列，上述序列构成正反向补偿值序列组；a2），在某一温度条件下，采用合适的变倍步长，将连续变倍镜头变倍到某一焦距位置，然后采用灰度梯度方式，自动将图像模糊点调焦至图像清晰，然后通过精密电位器或光电编码器采样保存该补偿值；a3），在多个温度段内，获取变倍范围内多个特定位置点的齐焦性补偿值，并将该补偿值扩展成横轴为变倍位置值、纵轴为当前镜头结构件内温度值的双列二维序列值；将得到的所有特定位置点的焦距值都按焦距从小到大的顺序，温度从低到高或从高到低的顺序，存放在对应的结构体数组内，组成一个二维序列；根据当前连续变倍镜头在二维序列中的位置，精确控制补偿电机组补偿连续变倍镜头当前的齐焦性误差；a4），采用邻域替代、同值替代或先进先出替代方式，快速找到并标定各个温度段的特定位置点的齐焦性补偿值，按焦距排序方式存储标定位置点，采用快速排序及基于广度优先搜索方式，快速对补偿值进行排序，并保存到flash中；

（三），齐焦性补偿：b1），在任一温度条件下，根据连续变倍镜头所在的位置、正反向补偿值序列组以及当前的温度值，采用快速搜索算法找出存储阵列中与镜头当前位置、温度相邻的补偿点，采用双线插值方式，计算当前的补偿值；b2），连续变倍镜头在任意位置时，采用速度环和位置环的双环控制算法驱动补偿电机组补偿齐焦性误差；连续变倍镜头接近终点时，采用脉动控制算法方式驱动，在补偿电机组卸载后，进行位置检测，然后脉动驱动，最终确保补偿电机组驱动到指定的位置。

所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其MCU通过二路选择器分别连接有DSP和补偿电机驱动电路，补偿电机驱动电路连接补偿电机组，所述的补偿电机组由MCU与DSP分时控制；所述的MCU上还连接有1/2限位开关、3/4限位开关、第一ADC模块和第二ADC模块，所述的1/2限位开关和3/4限位开关分别连接变倍电机组和补偿电机组，所述的变倍反馈组件为与变倍电机组连接的第一精密电位器，所述的补偿反馈组件为与补偿电机组连接的第二精密电位器，所述的第一精密电位器和第二精密电位器同时连接基准源单元，所述的第一ADC模块和第二ADC模块分别连接有第一去混叠模块和第二去混叠模块，所述的第一去混叠模块和第二去混叠模块分别连接第一精密电位器和第二精密电位器。

所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其步骤a1）中非齐焦的位置点信息包括最短焦补偿值、最长焦补偿值、从短焦到长焦序列特定点的变倍值数组及对应该特定点的变倍值数组的补偿值数组、从短焦到长焦数组长度值、从长焦到短焦序列特定点的变倍值数组及对应该特定点的变倍值数组的补偿值数组、从长焦到短焦数组长度值，每一个补偿值对应的序列号等。

所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其a1）中某一个温度段内的温度段范围与变倍大小有如下关系：400mm焦距以下，温度段范围A±2℃；400mm焦距以上，温度段范围A±1℃；在该温度段内，变倍范围内的特定点补偿值测定完成后，通过高低温温度箱设定到另一个温度段，每个工作温度段按5～10℃间距分隔；当连续变倍镜头工作时，在任一温度值（工作温度范围内），任一变倍位置（连续变倍镜头的变倍范围内），通过二维扩展序列，采用双线插值方式计算当前的补偿值。

所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其获取变倍范围内多个特定位置点的齐焦性补偿值是通过以下方式来确定：

a21），步进变倍过程中采用邻域替代方式找到变倍凸轮的奇变点；

a22），局部磨损时，采用同值替代方式修正变倍凸轮磨损值误差；

a23），存储点超过设定的最大值后，采用先进先出方式，去掉变倍凸轮早期设置的补偿点。

所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其步骤a3）中获取补偿值时，采用DSP控制与MCU交互控制方式快速得到特定位置点的补偿值；在正常工作时，补偿值单独采用MCU控制，快速补偿齐焦性误差值。

所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，获取补偿值时，由MCU控制变倍值按给定步距走到某一个位置(也可以由通过随机数生成随机大小步距)，并由MCU控制ADC或计数器得到当前位置的补偿值，通过DSP采用灰度梯度方式将目标调节清晰，由MCU第二次检测当前位置的补偿值，如果该补偿值与第一次的值差在±1以内，则不用记录该位置点，否则记录下该位置点；每改变一次序列的补偿值，都需要进行一次曲线拟合计算。

所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其步骤b2）中双环控制算法驱动中的位置环由精密电位器或光电编码器反馈，用来控制电机使能端的占空比；前后位置差用来模拟控制电机的速度，通过该速度来调节电机的输入端通断，从而使得接近终点时采用匀减速方式来控制电机齐焦性补偿调节，防止过冲和驱动力不足。

所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其步骤b2）中脉动控制算法方式驱动的控制环路中，设置一个特定循环支路，在该支路中需要刹住并暂停直流电机驱动，让电机驱动芯片处于高阻状态、短延时，然后测量当前的补偿值，与设定补偿值比较，再脉动微步进驱动调焦走向终点。

本发明的有益效果是：

本发明通过采用补偿值获取与齐焦性补偿分离的方法，镜头的调试阶段完成齐焦性补偿值获取（通过采用特定的目标，在不同的温度条件下，完成很多个温度点的双序列齐焦补偿值获取，由于采用特定的目标，不会出现任何一次聚焦失败的情况，从而保证聚焦的可靠性），在使用过程中，只需要完成齐焦性补偿值实时查表，并准确控制电机走到特定的位置，就能保证变倍镜头的齐焦性，从而能有效地缩短自动齐焦的时间，因此该方式下，齐焦性补偿时间小于0.5秒，齐焦性补偿可靠性能100%。能满足在任何温度下，任何场景条件下，对目标的准确搜索，准确跟踪。如果在变倍过程中，先输入变倍值，则变倍与补偿是同步运动，则齐焦性补偿时间会更短，跟踪的效果会更好。

本发明采用双列补偿值，在补偿值获取时，根据变倍电机前进或后退的步骤，将当前的补偿值记录在不同的序列中，在补偿过程中，能自动消除补偿的空回误差，使得补偿值更加准确，补偿的精度更高。

本发明采用自定义的结构体数据，不仅能方便记录不同温度，不同变倍位置的补偿值，而且方便采用不同的搜索算法，能快速搜索到相应位置点的相关数据，从而节省补偿时间。

电机控制采用双环控制和脉动控制结合的方式。双环电机控制算法能快速电机走到接近预定位置，而脉动控制算法，能消除镜头薄壁金属结构件的预应力（因所有的镜头都采用的结构件很薄，快速加载较大力量时，会产生应力变形，而并没有达到设定的位置），脉动电机控制算法能较好地解决位置调节误差。同样也会提高补偿的精度。

附图说明

图1是本发明连续变倍红外镜头结构图；

图2是本发明连续变倍红外镜头齐焦性补偿原理示意图；

图3 是本发明连续变倍红外镜头结构示意图；

图4是本发明连续变倍红外镜头变倍凸轮等间距理论示意图；

图5是本发明连续变倍红外镜头变倍凸轮间距实际示意图；

图6 是本发明连续变倍红外镜头补偿设置点确定示意图；

图7 是本发明连续变倍红外镜头补偿设置点替代示意图；

图8 是本发明连续变倍红外镜头补偿值双线插值替代示意图；

图9是本发明齐焦性误差补偿方法的流程图。

各附图标记为：1—红外热像仪，2—红外成像组件，3—电机控制组件，4—连续变倍镜头，5—DC/DC电源模块，6—变倍凸轮，7—变倍镜头组，8—补偿镜头组，9—补偿凸轮齿环，10—变倍凸轮齿环，11—补偿限位组件，12—变倍限位组件，13—变倍反馈组件，14—变倍电机组，15—补偿反馈组件，16—补偿电机组，17—MCU，18—变倍电机驱动电路，19—温度传感器，20—1/2限位开关，21—第一ADC模块，22—第二ADC模块，23—二路选择器，24—flash，25—3/4限位开关，26—第一去混叠模块，27—第二去混叠模块，28—第一精密电位器，29—第二精密电位器，30—基准源单元，31—DSP，32—补偿电机驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明公开了一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，包括连续变倍红外镜头的组装、齐焦性补偿值的获取和齐焦性补偿三个阶段。

将连续变倍镜头4与红外成像组件2、电机控制组件3连接在一起，组成一台能够正常成像的红外热像仪1。

所述的连续变倍镜头4上分别连接有补偿限位组件11、变倍限位组件12、变倍反馈组件13（即变倍电位器组）、变倍电机组14、补偿反馈组件15（即补偿电位器组）和补偿电机组16。

所述的电机控制组件3包括变倍电机驱动电路18和补偿电机驱动电路32，其中变倍电机组14由MCU 17通过变倍电机驱动电路18来控制，变倍电机组14通过变倍凸轮6来调节连续变倍镜头4，所述的MCU 17上还连接有温度传感器19和flash 24。

所述的变倍电机组14和补偿电机组16分别驱动变倍镜头组7和补偿镜头组8，所述的变倍反馈组件13和补偿反馈组件15均由精密电位器或光电编码器构成，分别与变倍凸轮齿环10和补偿凸轮齿环9啮合。

所述的MCU 17通过二路选择器23分别连接有DSP 31和补偿电机驱动电路32，DSP31连接红外热像仪1，补偿电机驱动电路32连接补偿电机组16，所述的补偿电机组16由MCU17与DSP 31分时控制，即补偿采用DSP 31和MCU 17分时控制，根据需要选用主控的芯片。

结构图组成框图如图1所示，在连续变倍红外镜头标定和补偿过程中，将连续变倍镜头4与红外热像仪1以及DC/DC电源模块5连接在一起，能正常成像；电机控制组件3与红外热像仪1的电路连接在一起，可节省空间；变倍电机组14驱动连续变倍镜头4，精密电位器或光电编码器构成的变倍反馈组件13直接与连续变倍镜头4啮合，以减小齿轮空回，变倍限位组件12与变倍反馈组件13组成的双重保护，用于保护变倍镜头组；补偿电机组16驱动补偿镜头组8，同样精密电位器或光电编码器构成的补偿反馈组件15直接与补偿镜头组8啮合，以减小齿轮空回，补偿限位组件11与补偿反馈组件15组成的双重保护，用于保护补偿运动组件。

进一步，所述的MCU 17上还连接有1/2限位开关20、3/4限位开关25、第一ADC模块21和第二ADC模块22，所述的1/2限位开关20和3/4限位开关25分别连接变倍电机组14和补偿电机组16，所述的变倍反馈组件13为与变倍电机组14连接的第一精密电位器28，所述的补偿反馈组件15为与补偿电机组16连接的第二精密电位器29，所述的第一精密电位器28和第二精密电位器29同时连接基准源单元30，所述的第一ADC模块21和第二ADC模块22分别连接有第一去混叠模块26和第二去混叠模块27，所述的第一去混叠模块26和第二去混叠模块27分别连接第一精密电位器28和第二精密电位器29。

本发明电气框图如图2所示，变倍电机组14由MCU 17通过变倍电机驱动电路18来控制，变倍电机组14通过齿轮来调节变倍镜头组，变倍镜头组与精密电位器连接，由精密电位器来确定当前的变倍镜头的位置；补偿电机组16由MCU 17与DSP 31分时控制，在补偿值在线设置阶段，DSP 31与MCU 17分时控制，从而达到快速准确设定补偿值的目的；在工作阶段，缺省设置为MCU 17来快速补偿齐焦性误差，如果需要自动聚焦时，可通过串口控制命令控制。

所述齐焦性补偿值的获取包括如下步骤：

a1），通过温度传感器19获取连续变倍镜头4结构件内的温度值，将温度值分成多个工作温度段，相邻两个工作温度段相差4～8℃，将工作温度段均匀分组，每一个温度段定义一个包含镜头在当前温度条件下，所有非齐焦的位置点信息的结构体，每个温度段采用从短焦到长焦和从长焦到短焦两个补偿值序列；用于消除变倍凸轮正反向运动的间隙误差。

其中非齐焦的位置点信息包括最短焦补偿值、最长焦补偿值、从短焦到长焦序列特定点的变倍值数组及对应该特定点的变倍值数组的补偿值数组、从短焦到长焦数组长度值、从长焦到短焦序列特定点的变倍值数组及对应该特定点的变倍值数组的补偿值数组、从长焦到短焦数组长度值，每一个补偿值对应的序列号等。

其中某一个温度段内的温度段范围与变倍大小有如下关系：400mm焦距以下，温度段范围A±2℃；400mm焦距以上，温度段范围A±1℃；在该温度段内，变倍范围内的特定点补偿值测定完成后，通过高低温温度箱设定到另一个温度段，每个工作温度段按5～10℃间距分隔；当连续变倍镜头4工作时，在任一温度值（工作温度范围内），任一变倍位置（连续变倍镜头的变倍范围内），通过二维扩展序列，采用双线插值方式计算当前的补偿值。

在室温下，设定当前连续变倍镜头的一个补偿基值，每个补偿值是当前电位器的测试值与基值的差。

获取补偿值时，在高低温温度箱内将温度设定在固定的值，连续变倍镜头与红外热像仪配合，通过温度传感器测量当前的镜头结构件内的温度值，如果满足在±1℃的跳动范围，则可以进行补偿值的测试。

a2），采用在线快速标定方式，在某一温度条件下，通过程序控制，采用固定变倍步长，将连续变倍镜头4变倍到某一焦距位置，然后采用灰度梯度方式，将图像模糊点微调焦至图像清晰，然后通过精密电位器或光电编码器采样即可保存该补偿值。

其中获取变倍范围内多个特定位置点的齐焦性补偿值是通过以下方式来确定特定：

a21），步进变倍过程中采用邻域替代方式找到变倍凸轮的奇变点；

a22），局部磨损时，采用同值替代方式可以修正变倍凸轮磨损值误差；

a23），存储点超过设定的最大值后，采用先进先出方式，去掉变倍凸轮早期设置的补偿点。

变倍凸轮结构加工槽在理想情况应如图3所示，变倍凸轮槽的间隔基本应该是固定的值，从而可以保证变倍正、反向驱动时，同一个位置的补偿值不变。由于加工的误差，后期使用的不均匀磨损，很难保证变倍凸轮的正向曲线与反向曲线完全一致，会有一定的间隙误差。图4是放大变倍凸轮示意图，可以看出明显的不一致。因此为了保证补偿值的准确性，采用两个序列来拟合变倍凸轮的正反向。

首先测确定最短焦距和最长焦距位置的补偿值：将连续变倍镜头变倍到最短焦距位置，通过DSP控制补偿电机，调节该点到最佳聚焦位置，通过ADC测试当前的值，与补偿基值差为当前位置的补偿值。然后将连续变倍镜头变倍到最长焦距位置，通过DSP控制补偿电机，调节该点到最佳聚焦位置，通过ADC测试当前的值，与补偿基值差为当前位置的补偿值。

根据当前最大焦距和最小焦距补偿值，拟合当前的凸轮齐焦性曲线1。随着插入点的增加，拟合的凸轮齐焦性曲线1会实时的改变。

a3），在多个温度段内，获取变倍范围内多个特定位置点的齐焦性补偿值，并将该补偿值扩展成横轴为变倍位置值、纵轴为当前镜头结构件内温度值的双列二维序列值；将得到所有特定位置点的焦距值都按焦距从小到大的顺序，温度从低到高或从高到低的顺序，存放在对应的结构体数组（按顺序）内，组成一个二维序列；根据当前连续变倍镜头4在二维序列中的位置，精确控制补偿电机组16补偿电机补偿连续变倍镜头4当前的齐焦性误差。

其中获取补偿值时，采用DSP 31控制与MCU 17交互控制方式快速得到特定位置点的补偿值；在正常工作时，补偿值单独采用MCU控制，快速补偿齐焦性误差值。

a4），采用邻域替代、同值替代或先进先出替代方式，快速找到并标定各个温度段的特定位置点的齐焦性补偿值，按焦距排序方式存储标定位置点，采用快速排序及基于广度优先搜索方式，快速对补偿值进行排序，并保存到Flash中。

从长焦按固定的步长1(在某些非齐变突变点较密集的位置，也可以用随机步长)向短焦走一步，通过DSP取得的数字视频图像，根据数字视频图像灰度梯度值，调节该点到聚焦清晰的位置，然后，由MCU控制ADC采样当前的电位器的值，如果该值处于拟合曲线上，则暂存当前的值，如果该值与拟合曲线1值不匹配，则将该值存入到数据结构体中，重新拟合当前的齐焦性曲线。（步骤一）

以固定的步长1，向短焦再直一步，通过DSP取得的数字视频图像，根据数字视频图像灰度梯度值，调节该点到聚焦清晰的位置，然后，由MCU控制ADC采样当前的电位器的值，如果该值还是处于拟合曲线上，则去掉上一步的暂存值，将当前值暂存，如果该值不处于拟合曲线1上，则将该值存入到数据结构体中，重新拟合当前的齐焦性曲线。补偿点确认如图4所示，由于插入点M与拟合曲线1重合，而插入点N与拟合曲线不重合，则只需要保存N点。（步骤二）

重复步骤一、步骤二，直到连续变部红外镜头步进走到最短焦距处。

从短焦按固定的步长1向长焦走一步，通过DSP取得的数字视频图像，根据数字视频图像灰度梯度值，调节该点到聚焦清晰的位置，然后，由MCU控制ADC采样当前的电位器的值，如果该值处于拟合曲线2上，则暂存当前的值，如果该值与拟合曲线值2不匹配，则将该值存入到数据结构体中，重新拟合当前的齐焦性曲线。（步骤三）

固定的步长1，向短焦再直一步，通过DSP取得的数字视频图像，根据数字视频图像灰度梯度值，调节该点到聚焦清晰的位置，然后，由MCU控制ADC采样当前的电位器的值，如果该值还是处于拟合曲线2上，则去掉上一步的暂存值，将当前值暂存，如果该值不处于拟合曲线2上，则将该值存入到数据结构体中，重新拟合当前的齐焦性曲线。（步骤四）

重复步骤三、步骤四，直到连续变部红外镜头步进走到最长焦距处。（步骤五）

由于连续变倍镜头的变倍凸轮都不会有突变点，经过一次上述的补偿值设置，都可以满足齐焦性的要求。为了保证补偿值的可靠性，采用固定的步长2，按步骤一、步骤二重复一次从长焦步进到短焦的过程，一直到步骤10。再从步骤三、步骤四重复一次从短焦步进到长焦的过程，一直到步骤五。

所述齐焦性补偿包括如下步骤：

b1），在任一温度条件下，根据连续变倍镜头4所在的位置、正反向补偿值序列组以及当前的温度值，找出存储阵列中与镜头当前位置、温度相邻的补偿点，采用双线插值方式，计算当前的补偿值；补偿值由精密电位器与12位以上的ADC模块（采样频率>250kbps）或大于512分辨率绝对编码器（需要作4倍频）与高速计数器组合来完成。

b2），连续变倍镜头4在其它位置时，采用速度环和位置环的双环控制算法驱动补偿电机组16补偿齐焦性误差，采用分段控制方式；连续变倍镜头4接近终点时，由于镜头采用的结构件钢度和硬件不足，电机预加载力都会导致形变，最后位置都采用脉动控制算法方式驱动，在补偿电机组16卸载后，进行位置检测，然后脉动驱动，最终确保补偿电机组16驱动到指定的位置；该算法能保证补偿时间小于0.5秒(比自动聚焦速度更快)，如果需要更快的速度，可以适当调节电机的减速比。

双环控制算法驱动中的位置环由精密电位器或光电编码器反馈，用来控制电机使能端的占空比；前后位置差用来模拟控制电机的速度，通过该速度来调节电机的输入端通断，从而使得接近终点时采用匀减速方式来控制电机齐焦性补偿调节，防止过冲和驱动力不足；脉动控制算法方式驱动的控制环路中，设置一个特定循环支路，在该支路中需要刹住并暂停直流电机驱动，让电机驱动芯片处于高阻状态、短延时，然后测量当前的补偿值，与设定补偿值比较，再脉动微步进驱动调焦走向终点。

获取补偿值时，由MCU控制变倍值按给定步距走到某一个位置(也可以由通过随机数生成随机大小步距)，并由MCU控制ADC或计数器得到当前位置的补偿值，通过DSP采用灰度梯度方式将目标调节清晰，由MCU第二次检测当前位置的补偿值，如果该补偿值与第一次的值差在±1以内，则不用记录该位置点，否则记录下该位置点。每改变一次序列的补偿值，都需要进行一次曲线拟合计算。

在某一温度条件下，通过控制连续变倍红外镜头步进变倍来完成红外镜头全行程过程中，特定的非齐焦点的搜索、发现并获取该类点的齐焦性误差值；在齐焦性误码率差的获取过程中，采用两列数组来存储连续变倍红外镜头正反向齐焦性误差址，从而可消除变倍凸轮间隙导致的误差；采用自定义的数据结构，既可以方便在线对非齐焦点的插入、替代和顺序排列，也方便计算、快速查找和曲线拟合上术的齐焦点；补偿值的调节采用灰度梯度值，使得齐焦性设置具有更好的一致性，也可以简化操作，采用人眼观察来判断齐焦性。

处一时完一个温度点的数据后，通过改变当前的环境温度值，来测试另一个温度条件下的补偿值，每个温度段按固定的间隔排列。取得工作温度段的分布的温度点的补偿值后，将该补偿值扩展成二维空间数据。

在连续变倍红外镜头工作时，在任一温度点、任一变倍位置，通过二维空间数据，采用双线插值方式，快速获得对应位置的补偿值，并采用双环控制算法和脉动控制算法，完成补偿值的精确补偿。

在步进驱动补偿组，调节图像清晰的过程中，应采用变步距的方式，保证正、向像时有一定的步距差值，避免聚焦点正好处理一步的中间，一直调节不清的情况发生。

在设定补偿值时，应该在电机所有的驱动力暂停期间测试反馈电位器或光电编码器的值。

在第二次的插入点的过程中，如果出现如图6所示的情况，A、B、C点是已存在的拟合曲线点，M点是新增加的点，如果C点与M点很接近，则直接采用M点替代C点，不用插入新的点。如果M点与C点重合，而不用进行排序判断，直接替代。如果插入的点超过了设定的最大值，则采用先进先出方式，去掉最先设置的点。

如果检测到插正反两个方向上的插入点都在拟合曲线上，则该温度段的补偿点设置完成。

按间隔5-8℃，将当前的环境温度设置到另一个温度段，保温一段时间，如果温度满足在±1℃的跳动范围，则可以进行补偿值的测试。

按上述要求，在两个方向上重复设定该温度下的补偿点。

存储数据结构

typedef struct

{uint bianj_v1[22]；

Uchar tiaoj_v1[22]；

Uchar num1_mark[22]；

uint bianj_v2[22]；

Uchar tiaoj_v2[22]；

Uchar num2_mark[22]；

Uchar tiaoj_zd；

Uchar tiaoj_zx；

Uchar num_v1；

Uchar num_v2；

}buchang_jgt；

Buchang_jgt xdata lixububei[21]；

将温度从-40℃按每间隔5度分段，分成21等份，设置完成后，将上述结构体的数据全部存在Flash中，结构体中设定最大的非齐焦点的值（22）和温度分段的值可以根据连续变倍红外镜头的要求精度来设定。

如果工作温度范围内的设置点设置完成（必须包括工作温度范围内的最大温度值和最小温度值），则可以将所有的设定补偿点扩展成两个二维数组，二维数组如图7所示，一个二维数据代表从短焦走向长焦的变倍凸轮补偿值，另一个代表从长焦走向短焦的变倍凸轮补偿值。

本专利算法采用结构体组方式，将工作温度段均匀分组，每一个结构体代表一个温度段，每两个温度段间隔在4～8℃之间，每个结构体中包含镜头在当前温度条件下，所有不齐焦的位置点信息：最小视场调焦补偿值、最大视场调焦补偿值、该温度条件下多个模糊点位置的变倍值（包括正反两个方向变倍）及补偿值、以及这些补偿值的顺序号值、温度值等。采用在线快速标定方式，在该温度条件下，均匀变倍，在图像模糊点微调焦至图像清晰，即可保存该补偿值，标定位置点采用三种替代方式，邻域替代，同值替代及先进先出替代方式，可以快速标定该温度段的齐焦性。标定点采用按焦距排序方式存储。每个温度段采用两个序段，一个表示从短焦到长焦，另一个表示从长焦到短焦，用于消除变倍凸轮的迟滞误差。电机补偿时，采用快速排序及基于广度优先搜索方式，根据镜头所在的位置，正反向补偿值序列组，当前的温度值，找出存储阵列中与镜头当前位置，温度相邻的补偿点，采用双线插值方式，计算当前的补偿值。补偿值由精密电位器与12位以上的ADC（采样频率>250kbps）或大于512分辨率（需要作4倍频）与高速计数器组合来完成。电机控制必须采用双环控制（速度环和位置环），保证补偿时间小于0.5秒。

在连续变倍红外镜头工作时，根据当前镜头结构体测量的温度值与当前镜头变倍的值，采用双线插值方法，如图7所示：最接近的4个点分别为A/B和C/D，通过插值，由a/b得到M点，由C/D得到N点，最后由M/N得到P点的值。

本发明补偿方法采用双环控制的电机驱动方式，由电位器采样当前的位置值，由电位器采集值与前一次的差作为电机的速度，实时控制电机，将补偿镜头调节到设定的补偿值位置。

由于镜头采用的是薄壁结构件，和微小的传动轴类结构件，在电机的驱动下产生的形变较大，在高低温下会更在明显，因此，经过双环控制的驱动算法后，还需要进行多次脉动电机驱动算法，通过释放电机的所有加载应力，重复检测当前的值的方式（补偿值的检测过程中，也需要上述的电机控制方式），减小结构体形变的影响，将补偿镜头组驱动到设定值的位置。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤

（一），连续变倍红外镜头的组装：

将连续变倍镜头（4）与红外成像组件（2）、电机控制组件（3）连接在一起，组成一台能够正常成像的红外热像仪（1）；

所述的连续变倍镜头（4）上分别连接有补偿限位组件（11）、变倍限位组件（12）、变倍反馈组件（13）、变倍电机组（14）、补偿反馈组件（15）和补偿电机组（16）；

所述的电机控制组件（3）包括变倍电机驱动电路（18）和补偿电机驱动电路（32），其中变倍电机组（14）由MCU（17）通过变倍电机驱动电路（18）来控制，变倍电机组（14）通过变倍凸轮（6）来调节连续变倍镜头（4），所述的MCU（17）上还连接有温度传感器（19）和flash（24）；

所述的变倍电机组（14）和补偿电机组（16）分别驱动变倍镜头组（7）和补偿镜头组（8），所述的变倍反馈组件（13）和补偿反馈组件（15）均由精密电位器或光电编码器构成，分别与变倍凸轮齿环（10）和补偿凸轮齿环（9）啮合；

（二），齐焦性补偿值的获取：

a1），通过温度传感器（19）获取连续变倍镜头（4）结构件内的温度值，将温度值分成多个工作温度段，相邻两个工作温度段相差4～8℃，将工作温度段均匀分组，每一个温度段定义一个包含镜头在当前温度条件下，所有非齐焦的位置点信息的结构体，每个温度段采用从短焦到长焦和从长焦到短焦两个补偿值序列，上述序列构成正反向补偿值序列组；

a2），在某一温度条件下，采用合适的变倍步长，将连续变倍镜头（4）变倍到某一焦距位置，然后采用灰度梯度方式，自动将图像模糊点调焦至图像清晰，然后通过精密电位器或光电编码器采样保存该补偿值；

a3），在多个温度段内，获取变倍范围内多个特定位置点的齐焦性补偿值，并将该补偿值扩展成横轴为变倍位置值、纵轴为当前镜头结构件内温度值的双列二维序列值；将得到的所有特定位置点的焦距值都按焦距从小到大的顺序，温度从低到高或从高到低的顺序，存放在对应的结构体数组内，组成一个二维序列；根据当前连续变倍镜头（4）在二维序列中的位置，精确控制补偿电机组（16）补偿连续变倍镜头（4）当前的齐焦性误差；

a4），采用邻域替代、同值替代或先进先出替代方式，快速找到并标定各个温度段的特定位置点的齐焦性补偿值，按焦距排序方式存储标定位置点，采用快速排序及基于广度优先搜索方式，快速对补偿值进行排序，并保存到flash（24）中；

（三），齐焦性补偿：

b1），在任一温度条件下，根据连续变倍镜头（4）所在的位置、正反向补偿值序列组以及当前的温度值，找出存储阵列中与镜头当前位置、温度相邻的补偿点，采用双线插值方式，计算当前的补偿值；

b2），连续变倍镜头（4）在任意位置时，采用速度环和位置环的双环控制算法驱动补偿电机组（16）补偿齐焦性误差；连续变倍镜头（4）接近终点时，采用脉动控制算法方式驱动，在补偿电机组（16）卸载后，进行位置检测，然后脉动驱动，最终确保补偿电机组（16）驱动到指定的位置。

2. 根据权利要求1所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其特征在于， 所述的MCU（17）通过二路选择器（23）分别连接有DSP（31）和补偿电机驱动电路（32），补偿电机驱动电路（32）连接补偿电机组（16），所述的补偿电机组（16）由MCU（17）与DSP（31）分时控制；所述的MCU（17）上还连接有1/2限位开关（20）、3/4限位开关（25）、第一ADC模块（21）和第二ADC模块（22），所述的1/2限位开关（20）和3/4限位开关（25）分别连接变倍电机组（14）和补偿电机组（16），所述的变倍反馈组件（13）为与变倍电机组（14）连接的第一精密电位器（28），所述的补偿反馈组件（15）为与补偿电机组（16）连接的第二精密电位器（29），所述的第一精密电位器（28）和第二精密电位器（29）同时连接基准源单元（30），所述的第一ADC模块（21）和第二ADC模块（22）分别连接有第一去混叠模块（26）和第二去混叠模块（27），所述的第一去混叠模块（26）和第二去混叠模块（27）分别连接第一精密电位器（28）和第二精密电位器（29）。

3.根据权利要求1所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其特征在于，所述步骤a1）中非齐焦的位置点信息包括最短焦补偿值、最长焦补偿值、从短焦到长焦序列特定点的变倍值数组及对应该特定点的变倍值数组的补偿值数组、从短焦到长焦数组长度值、从长焦到短焦序列特定点的变倍值数组及对应该特定点的变倍值数组的补偿值数组、从长焦到短焦数组长度值，每一个补偿值对应的序列号。

4.根据权利要求1所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其特征在于，所述步骤a1）中某一个温度段内的温度段范围与变倍大小有如下关系：400mm焦距以下，温度段范围A±2℃；400mm焦距以上，温度段范围A±1℃；在该温度段内，变倍范围内的特定点补偿值测定完成后，通过高低温温度箱将镜头所处的环境温度设定到另一个温度段，每个工作温度段按4～8℃间距分隔；当连续变倍镜头（4）工作时，在任一温度值，任一变倍位置，通过二维扩展序列，采用双线插值方式计算当前的补偿值。

5.根据权利要求1所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其特征在于，获取变倍范围内多个特定位置点的齐焦性补偿值是通过以下方式来确定：

a21），步进变倍过程中采用邻域替代方式找到变倍凸轮（6）的奇变点；

a22），局部磨损时，采用同值替代方式修正变倍凸轮（6）磨损值误差；

a23），存储点超过设定的最大值后，采用先进先出方式，去掉变倍凸轮（6）早期设置的补偿点。

6.根据权利要求2所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其特征在于，所述步骤a3）中获取补偿值时，采用DSP（31）控制与MCU（17）交互控制方式快速得到特定位置点的补偿值；在正常工作时，补偿值单独采用MCU（17）控制，快速补偿齐焦性误差值。

7.根据权利要求2所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其特征在于，获取补偿值时，由MCU（17）控制变倍值按给定步距走到某一个位置，并由MCU（17）控制第一ADC模块（21）和第二ADC模块（22），或计数器得到当前位置的补偿值，通过DSP（31）采用灰度梯度方式将目标调节清晰，由MCU（17）第二次检测当前位置的补偿值，如果该补偿值与第一次的值差在±1以内，则不用记录该位置点，否则记录下该位置点。

8.根据权利要求1所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其特征在于，所述步骤b2）中双环控制算法驱动中的位置环由精密电位器或光电编码器反馈，用来控制电机使能端的占空比；前后位置差用来模拟控制电机的速度，通过该速度来调节电机的输入端通断，从而使得开始时，采用匀加速方式，接近终点时采用匀减速方式来控制电机齐焦性补偿调节，防止电机打滑、过冲和驱动力不足。

9.根据权利要求1所述的一种连续变倍红外镜头的齐焦性误差补偿方法，其特征在于，所述步骤b2）中脉动控制算法方式驱动的控制环路中，设置一个特定循环支路，在该支路中需要刹住并暂停直流电机驱动，让电机驱动芯片处于高阻状态，然后测量当前的补偿值，与设定补偿值比较，再脉动微步进驱动调焦走向终点。

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