CN109068073B - 一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦系统及方法，属于红外热成像处理技术领域。该系统包括高低温环境实验箱、平行光管、红外热像仪、调焦镜、调焦镜滑动丝杆、调焦电机、丝杆位置传感器、FPGA嵌入式图像处理器、电机伺服控制器和热像仪整机温度传感器等部件；本发明针对具有大变倍比、长焦距光学系统的热像仪整机系统，压缩自动对焦搜索范围，加强了爬坡算法的边界约束条件，提高了自动对焦方法的可靠性和实时性，在工程化实现上具有显著的优势。

Description

一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦系统及方法

技术领域

本发明属于红外热成像处理技术领域，具体涉及一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦系统及方法。

背景技术

仅就自动对焦方法和实现，可见光成像系统中的成熟应用并不鲜见，但红外热像仪光学系统与可见光成像系统相比，体积、结构和质量的迥异致使常规的自动对焦方法难以适用于红外热像仪。红外热像仪具有如下特点：

1.红外传感器信号响应率较低，噪声较大，为了获得质量较好的红外视频，要求更大的通光孔径以获得更多的红外辐射，这就导致了光学系统的体积和质量较大，致使与之匹配的调焦伺服机构的运动变得笨重和缓慢，通常适用于可见光的自动对焦方法难以在红外成像整机上工程化实现。

2.红外热像仪的应用，更多的表现为军用背景，要求有较远的视距识别能力，较大变倍比，于是要求与之匹配的光学调焦系统也具有较长的调焦行程。通常，适用于可见光的自动调焦方法即使功能上能实现自动调焦的方法，但较长的调焦行程会导致实时性能退化，不能满足工程实现。

3.红外热像仪整机光学系统的齐焦性随温度漂移较大，如果不在自动调焦前对其补偿，通常的自动调焦方法难以在短时内遍历整个全温工作下的调焦行程。

当前，针对红外热像仪的自动对焦方法，大多属于可见光算法的改进和优化，通常是针对爬坡算法提出了改进和优化，或对图像清晰度评价函数采样窗口加入人工干预。针对于第一种优化自动调焦的方法，只是从增加爬坡算法的冗余性提高算法的可靠性来考虑，从方法实现上，其冗余性必将降低算法实现的实时性，缺乏工程化实现的基础。对于第二种人为增加图像清晰度评价函数采样窗口干预的方法，一方面，加入人工干预失去了自动调焦方法的意义；另一方面，面对一副完全模糊到甚至无法识别目标轮廓的图像，人工干预即使主动积极的参与，也无从下手，其方法仍然失效。上述两种改进的自动调焦方法都忽略了环境温度对红外热像仪齐焦性的影响，只能更多的适用于实验室验证，无法提供工程化实现的方法。因此如何克服现有技术的不足是目前红外热成像处理技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦系统及方法，该系统通过热像仪预先标定的焦距温度补偿参数，有效的压缩自动对焦搜索范围方法，大幅提高了热像仪自动对焦功能模块的实时性，从而使得自动对焦功能在长焦距的热像仪整机系统上得以工程化实现。本发明的工程化实现上，采用了基于FPGA的数字电路实现，充分发挥了FPGA高速并行运算能力，不但可以实时实现较为复杂的自适应自动对焦方法，而且可以把其方法模块作为一个功能模块或IP核，灵活的插入至热像仪成像处理电路的FPGA内部，并可借用其他图像处理模块计算的中间结果，降低自动对焦方法对硬件资源需求的要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦系统，包括：高低温环境实验箱、平行光管、红外热像仪、调焦镜、调焦镜滑动丝杆、调焦电机、丝杆位置传感器、FPGA嵌入式图像处理器、电机伺服控制器和热像仪整机温度传感器；

红外热像仪置于高低温环境实验箱中，在高低温环境实验箱上两侧设置开口作为观察窗口，一侧开口正对平行光管的光轴方向，另一侧开口正对场景；

电机伺服控制器的控制端与调焦电机相连，用于控制调焦电机工作；

调焦电机的动力输出端与调焦镜滑动丝杆相连；调焦镜滑动丝杆上连接有调焦镜和丝杆位置传感器，所述的丝杆位置传感器用于采集调焦镜滑动丝杆上调焦镜所在位置；

电机伺服控制器驱动调焦电机运动，调焦镜滑动丝杆将调焦电机的旋转运动转化为调焦镜以光轴为轴向的运动；

热像仪整机温度传感器设在红外热像仪，用于采集红外热像仪当前工作温度；

FPGA嵌入式图像处理器包括存储焦距温度补偿参数的非易失存储器、动态存储器、红外视频数据的采集处理模块、图像清晰度评价函数计算模块、自动调焦功能控制模块、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块和爬坡算法的实现模块；

存储焦距温度补偿参数的非易失存储器用于预存储各个温区的最小视距下斜率和截距，以及最大视距下斜率和截距；

动态存储器，分别与红外视频数据的采集处理模块、图像清晰度评价函数计算模块、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块和爬坡算法的实现模块连接，用于存储红外视频数据的采集处理模块处理过程中的数据，存储图像清晰度评价函数计算模块的计算结果，存储温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块采样数据，还存储爬坡算法的实现模块的计算数据；

自动调焦功能控制模块分别与电机伺服控制器、红外视频数据的采集处理模块、图像清晰度评价函数计算模块、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块、爬坡算法的实现模块相连，用于控制电机伺服控制器、红外视频数据的采集处理模块、图像清晰度评价函数计算模块、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块、爬坡算法的实现模块的工作；还与存储焦距温度补偿参数的非易失存储器相连，用于从存储焦距温度补偿参数的非易失存储器中获取当前工作温度所在温区的最小视距下斜率和截距以及最大视距下斜率和截距，从而得到当前工作温度在所述温区中的相对调焦范围；

红外视频数据的采集处理模块还与红外热像仪的红外探测器相连，用于将红外探测器读出的原始图像信号进行非均匀性校正、图像滤波和图像增强处理，从而获得质量优异的红外视频，并将原始图像信号和处理后的红外视频存储至动态存储器中；

图像清晰度评价函数计算模块与动态存储器相连，用于根据从动态存储器获得处理后的红外视频，计算调焦窗口内的图像清晰度评价函数值；

爬坡算法的实现模块与动态存储器相连，用于对调焦窗口内的图像进行爬坡；

温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块还分别与热像仪整机温度传感器、丝杆位置传感器、动态存储器相连，用于当爬坡算法的实现模块爬坡的同时，同步采集红外热像仪的当前工作温度、调焦镜所在位置和调焦窗口内的图像清晰度评价函数计算值。

进一步，优选的是，在-50℃至+70℃范围内，每递增10℃为一个温区。

一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦方法，包括如下步骤：

步骤(1)，根据红外热像仪的视距范围L_min～L_max，将热像仪分别正对L_min和L_max处的场景，调焦至清晰成像，通过调焦改变焦距步长，直至找到步长对成像清晰度无影响的临界最大值时，此临界最大值即为最小焦调焦步长，F_min,step；全温范围的整个调焦行程长度除以最小焦调焦步长所得的值为L’_max，之后设全温范围的相对调焦范围为：0～L’_max；

步骤(2)，根据红外热像仪的工作全温范围T_min～T_max，将全温范围划分为N个分区，N为大于1的整数，形成N+1个温度分界点；将高低温环境实验箱中的红外热像仪对准L_min处的场景，调温至各个温度分界点，之后调焦至清晰成像，记录当前相对调焦位置F_n和温度T_n，n＝1，2，…，N+1；接着，以温度为横坐标，以相对调焦位置为纵坐标，以每个温区两端的温度分界点所对应的相对调焦位置和温度形成的两个点做直线，得到该温区最小视距下斜率和截距，同理计算每个温区最小视距下斜率K_m和截距B_m，m＝1，2，…，N；

步骤(3)，根据步骤(2)划分温区形成的N+1个温度分界点，将高低温环境实验箱中的红外热像仪对准L_max处的场景，调温至各个温度分界点，之后调焦至清晰成像，记录当前相对调焦位置F_n'和温度T_n，n＝1，2，…，N+1；接着，以温度为横坐标，以相对调焦位置为纵坐标，以每个温区两端的温度分界点所对应的相对调焦位置和温度形成的两个点做直线，得到该温区最大视距下斜率和截距，同理计算每个温区最大视距下斜率K'_m和截距B'_m，m＝1，2，…，N；

步骤(4)，将每个温区K_m、B_m、K'_m和B'_m作为一组数据，存储至存储焦距温度补偿参数的非易失存储器中；

步骤(5)，对于待调焦窗口，自动调焦功能控制模块控制红外视频数据的采集处理模块采集该待调焦窗口下的红外视频，并对红外视频进行非均匀性校正、图像滤波和图像增强处理，处理后的红外视频用图像清晰度评价函数计算模块计算调焦窗口内的图像清晰度评价函数值；

步骤(6)，当调焦时，自动调焦实现的功能模块读取通过温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块采集得到的热像仪的当前工作温度，然后计算当前工作温度所在温区的相对调焦范围，之后控制电机伺服控制器驱动调焦电机运动，调焦镜滑动丝杆将电机的旋转运动转化为调焦镜以光轴为轴向的运动，到达初始调焦位置；

其中，所述的初始调焦位置为当前调焦镜所在位置距离当前工作温度位于所在温区中的相对调焦范围的两端点位置较近的一个端点所在的位置；

步骤(7)，初始调焦位置确定后，调焦镜向当前工作温度所在温区的相对调焦范围的另一个端点运动，爬坡算法的实现模块对待调焦窗口进行爬坡计算，同时，温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块同步采集红外热像仪的当前工作温度、调焦镜所在位置和调焦窗口内的图像清晰度评价函数计算值，图像清晰度评价函数计算值最大的图像对应的调焦位置即为自动调焦清晰位置。

进一步，优选的是，步骤(2)中，每个温度分界点保温并等待红外热像仪恒温至温度分界点后，再进行调焦。

进一步，优选的是，步骤(2)中，每个温度分界点保温半小时后，再进行调焦。

本发明具有温度补偿的红外热像仪自动对焦方法可以采用本发明所提供的对焦系统，但不限于该对焦系统，只要能实现本发明方法的系统均可。

本发明中非均匀性校正、图像滤波、图像增强处理、图像清晰度评价函数和爬坡算法均为现有技术，本发明对此没有特殊限制。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

1.实施效果明显，大幅提高了热像仪的自动对焦功能实时性：

在某一型号的样机(调焦行程总长为15mm，最小调焦步进20um的调焦机构)上实施本发明所提一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦方法，图1示例一个某工程化样机温度分区后，压缩搜索范围的效果。可以明显看到，相对整个调焦行程的搜索范围，每个独立的温区搜索的范围进行了大幅压缩。并针对此型号样机的自动对焦功能模块，取5000次实验样本空间，比对实施前后比对实验，以自动对焦平均完成时间考察自动对焦功能实时性，实施前、后的平均完成时间分别为3.90秒和1.05秒，提高了3.71倍。

2.方法简单可靠：

对于以嵌入式硬件开发的红外热像仪，其实现的方法简单可靠，在不额外的增加硬件开销成本的前提下，增加少量的模块，即可自动对焦功能，以上述型号样机作为测试对象，针对多种场景进行试验，取100次实验样本空间，其中有981次执行完自动对焦后达到清晰位置，有效率命中率为98.1％。

3.实施方案操作灵活，适应性强：

本发明实施方案通过简单调整，已经运用于多个不同型号无人机热像仪产品，并产生相应的社会经济效益。

说明书附图

图1为本发明调焦行程压缩的示意图，即分段温区与全温区的调焦搜索范围的对照图。

图2为具有温度补偿的红外热像仪自动对焦系统的结构示意图示意图。

其中，101、高低温环境实验箱；102、平行光管；201、红外热像仪；301、调焦镜；302、调焦镜滑动丝杆；303、调焦电机；304、丝杆位置传感器；401、FPGA嵌入式图像处理器；402、电机伺服控制器；403、存储焦距温度补偿参数的非易失存储器；404、动态存储器；405、热像仪整机温度传感器；501、红外视频数据的采集处理模块；502、图像清晰度评价函数计算模块；503、自动调焦功能控制模块；504、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块；505、爬坡算法的实现模块；箭头方向为数据或信号走向。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术、连接关系或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术、连接关系、条件或者按照产品说明书进行。所用材料、仪器或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

实施例1

一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦系统，包括：高低温环境实验箱101、平行光管102、红外热像仪201、调焦镜301、调焦镜滑动丝杆302、调焦电机303、丝杆位置传感器304、FPGA嵌入式图像处理器401、电机伺服控制器402和热像仪整机温度传感器405；

红外热像仪201置于高低温环境实验箱101中，在高低温环境实验箱101上两侧设置开口作为观察窗口，一侧开口正对平行光管102的光轴方向，另一侧开口正对场景；

电机伺服控制器402的控制端与调焦电机303相连，用于控制调焦电机303工作；

调焦电机303的动力输出端与调焦镜滑动丝杆302相连；调焦镜滑动丝杆302上连接有调焦镜301和丝杆位置传感器304，所述的丝杆位置传感器304用于采集调焦镜滑动丝杆上调焦镜所在位置；

电机伺服控制器402驱动调焦电机303运动，调焦镜滑动丝杆302将调焦电机303的旋转运动转化为调焦镜301以光轴为轴向的运动；

热像仪整机温度传感器405设在红外热像仪201，用于采集红外热像仪当前工作温度；

FPGA嵌入式图像处理器401包括存储焦距温度补偿参数的非易失存储器403、动态存储器404、红外视频数据的采集处理模块501、图像清晰度评价函数计算模块502、自动调焦功能控制模块503、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块504和爬坡算法的实现模块505；

存储焦距温度补偿参数的非易失存储器403用于预存储各个温区的最小视距下斜率和截距，以及最大视距下斜率和截距；

动态存储器404，分别与红外视频数据的采集处理模块501、图像清晰度评价函数计算模块502、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块504和爬坡算法的实现模块505连接，用于存储红外视频数据的采集处理模块501处理过程中的数据，存储图像清晰度评价函数计算模块502的计算结果，存储温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块504采样数据，还存储爬坡算法的实现模块505的计算数据；

自动调焦功能控制模块503分别与电机伺服控制器402、红外视频数据的采集处理模块501、图像清晰度评价函数计算模块502、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块504、爬坡算法的实现模块505相连，用于控制电机伺服控制器402、红外视频数据的采集处理模块501、图像清晰度评价函数计算模块502、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块504、爬坡算法的实现模块505的工作；自动调焦功能控制模块503还与存储焦距温度补偿参数的非易失存储器403相连，用于从存储焦距温度补偿参数的非易失存储器403中获取当前工作温度所在温区的最小视距下斜率和截距以及最大视距下斜率和截距，从而得到当前工作温度在所述温区中的相对调焦范围；

红外视频数据的采集处理模块501还与红外热像仪201的红外探测器相连，用于将红外探测器读出的原始图像信号进行非均匀性校正、图像滤波和图像增强处理，从而获得质量优异的红外视频，并将原始图像信号和处理后的红外视频存储至动态存储器404中；

图像清晰度评价函数计算模块502与动态存储器404相连，用于根据从动态存储器404获得处理后的红外视频，计算调焦窗口内的图像清晰度评价函数值；

爬坡算法的实现模块505与动态存储器404相连，用于对调焦窗口内的图像进行爬坡；

温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块504还分别与热像仪整机温度传感器405、丝杆位置传感器304、动态存储器404相连，用于当爬坡算法的实现模块505爬坡的同时，同步采集红外热像仪201的当前工作温度、调焦镜301所在位置和调焦窗口内的图像清晰度评价函数计算值。

一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦方法，采用上述具有温度补偿的红外热像仪自动对焦系统，包括如下步骤：

步骤(1)，根据红外热像仪的视距范围L_min～L_max，将热像仪分别正对L_min和L_max处的场景，调焦至清晰成像，通过调焦改变焦距步长，直至找到步长对成像清晰度无影响的临界最大值时，此临界最大值即为最小焦调焦步长，F_min,step；全温范围的整个调焦行程长度除以最小焦调焦步长所得的值为L’_max，之后设全温范围的相对调焦范围为：0～L’_max；

步骤(2)，根据红外热像仪的工作全温范围T_min～T_max，将全温范围划分为N个分区，N为大于1的整数，形成N+1个温度分界点；将高低温环境实验箱中的红外热像仪对准L_min处的场景，调温至各个温度分界点，之后调焦至清晰成像，记录当前相对调焦位置F_n和温度T_n，n＝1，2，…，N+1；接着，以温度为横坐标，以相对调焦位置为纵坐标，以每个温区两端的温度分界点所对应的相对调焦位置和温度形成的两个点做直线，得到该温区最小视距下斜率和截距，同理计算每个温区最小视距下斜率K_m和截距B_m，m＝1，2，…，N；

步骤(3)，根据步骤(2)划分温区形成的N+1个温度分界点，将高低温环境实验箱中的红外热像仪对准L_max处的场景，调温至各个温度分界点，之后调焦至清晰成像，记录当前相对调焦位置F_n'和温度T_n，n＝1，2，…，N+1；接着，以温度为横坐标，以相对调焦位置为纵坐标，以每个温区两端的温度分界点所对应的相对调焦位置和温度形成的两个点做直线，得到该温区最大视距下斜率和截距，同理计算每个温区最大视距下斜率K'_m和截距B'_m，m＝1，2，…，N；

步骤(4)，将每个温区K_m、B_m、K'_m和B'_m作为一组数据，存储至存储焦距温度补偿参数的非易失存储器中；

步骤(5)，对于待调焦窗口，自动调焦功能控制模块控制红外视频数据的采集处理模块采集该待调焦窗口下的红外视频，并对红外视频进行非均匀性校正、图像滤波和图像增强处理，处理后的红外视频用图像清晰度评价函数计算模块计算调焦窗口内的图像清晰度评价函数值；

步骤(6)，当调焦时，自动调焦实现的功能模块读取通过温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块采集得到的热像仪的当前工作温度，然后计算当前工作温度所在温区的相对调焦范围，之后控制电机伺服控制器驱动调焦电机运动，调焦镜滑动丝杆将电机的旋转运动转化为调焦镜以光轴为轴向的运动，到达初始调焦位置；

其中，所述的初始调焦位置为当前调焦镜所在位置距离当前工作温度位于所在温区中的相对调焦范围的两端点位置较近的一个端点所在的位置；

步骤(7)，初始调焦位置确定后，调焦镜向当前工作温度所在温区的相对调焦范围的另一个端点运动，爬坡算法的实现模块对待调焦窗口进行爬坡计算，同时，温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块同步采集红外热像仪的当前工作温度、调焦镜所在位置和调焦窗口内的图像清晰度评价函数计算值，图像清晰度评价函数计算值最大的图像对应的调焦位置即为自动调焦清晰位置。

实施例2

一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦系统，包括：高低温环境实验箱101、平行光管102、红外热像仪201、调焦镜301、调焦镜滑动丝杆302、调焦电机303、丝杆位置传感器304、FPGA嵌入式图像处理器401、电机伺服控制器402和热像仪整机温度传感器405；

红外热像仪201置于高低温环境实验箱101中，在高低温环境实验箱101上两侧设置开口作为观察窗口，一侧开口正对平行光管102的光轴方向，另一侧开口正对场景；

电机伺服控制器402的控制端与调焦电机303相连，用于控制调焦电机303工作；

调焦电机303的动力输出端与调焦镜滑动丝杆302相连；调焦镜滑动丝杆302上连接有调焦镜301和丝杆位置传感器304，所述的丝杆位置传感器304用于采集调焦镜滑动丝杆上调焦镜所在位置；

电机伺服控制器402驱动调焦电机303运动，调焦镜滑动丝杆302将调焦电机303的旋转运动转化为调焦镜301以光轴为轴向的运动；

热像仪整机温度传感器405设在红外热像仪201，用于采集红外热像仪当前工作温度；

FPGA嵌入式图像处理器401包括存储焦距温度补偿参数的非易失存储器403、动态存储器404、红外视频数据的采集处理模块501、图像清晰度评价函数计算模块502、自动调焦功能控制模块503、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块504和爬坡算法的实现模块505；

存储焦距温度补偿参数的非易失存储器403用于预存储各个温区的最小视距下斜率和截距，以及最大视距下斜率和截距；在-50℃至+70℃范围内，每递增10℃为一个温区。

动态存储器404，分别与红外视频数据的采集处理模块501、图像清晰度评价函数计算模块502、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块504和爬坡算法的实现模块505连接，用于存储红外视频数据的采集处理模块501处理过程中的数据，存储图像清晰度评价函数计算模块502的计算结果，存储温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块504采样数据，还存储爬坡算法的实现模块505的计算数据；

自动调焦功能控制模块503分别与电机伺服控制器402、红外视频数据的采集处理模块501、图像清晰度评价函数计算模块502、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块504、爬坡算法的实现模块505相连，用于控制电机伺服控制器402、红外视频数据的采集处理模块501、图像清晰度评价函数计算模块502、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块504、爬坡算法的实现模块505的工作；自动调焦功能控制模块503还与存储焦距温度补偿参数的非易失存储器403相连，用于从存储焦距温度补偿参数的非易失存储器403中获取当前工作温度所在温区的最小视距下斜率和截距以及最大视距下斜率和截距，从而得到当前工作温度在所述温区中的相对调焦范围；

红外视频数据的采集处理模块501还与红外热像仪201的红外探测器相连，用于将红外探测器读出的原始图像信号进行非均匀性校正、图像滤波和图像增强处理，从而获得质量优异的红外视频，并将原始图像信号和处理后的红外视频存储至动态存储器404中；

图像清晰度评价函数计算模块502与动态存储器404相连，用于根据从动态存储器404获得处理后的红外视频，计算调焦窗口内的图像清晰度评价函数值；

爬坡算法的实现模块505与动态存储器404相连，用于对调焦窗口内的图像进行爬坡；

温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块504还分别与热像仪整机温度传感器405、丝杆位置传感器304、动态存储器404相连，用于当爬坡算法的实现模块505爬坡的同时，同步采集红外热像仪201的当前工作温度、调焦镜301所在位置和调焦窗口内的图像清晰度评价函数计算值。

一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦方法，采用上述具有温度补偿的红外热像仪自动对焦系统，包括如下步骤：

步骤(1)，根据红外热像仪的视距范围L_min～L_max，将热像仪分别正对L_min和L_max处的场景，调焦至清晰成像，通过调焦改变焦距步长，直至找到步长对成像清晰度无影响的临界最大值时，此临界最大值即为最小焦调焦步长，F_min,step；全温范围的整个调焦行程长度除以最小焦调焦步长所得的值为L’_max，之后设全温范围的相对调焦范围为：0～L’_max；

步骤(2)，根据红外热像仪的工作全温范围T_min～T_max，将全温范围划分为N个分区，N为大于1的整数，形成N+1个温度分界点；将高低温环境实验箱中的红外热像仪对准L_min处的场景，调温至各个温度分界点，之后调焦至清晰成像，记录当前相对调焦位置F_n和温度T_n，n＝1，2，…，N+1；接着，以温度为横坐标，以相对调焦位置为纵坐标，以每个温区两端的温度分界点所对应的相对调焦位置和温度形成的两个点做直线，得到该温区最小视距下斜率和截距，同理计算每个温区最小视距下斜率K_m和截距B_m，m＝1，2，…，N；

步骤(3)，根据步骤(2)划分温区形成的N+1个温度分界点，将高低温环境实验箱中的红外热像仪对准L_max处的场景，调温至各个温度分界点，之后调焦至清晰成像，记录当前相对调焦位置F_n'和温度T_n，n＝1，2，…，N+1；接着，以温度为横坐标，以相对调焦位置为纵坐标，以每个温区两端的温度分界点所对应的相对调焦位置和温度形成的两个点做直线，得到该温区最大视距下斜率和截距，同理计算每个温区最大视距下斜率K'_m和截距B'_m，m＝1，2，…，N；

步骤(4)，将每个温区K_m、B_m、K'_m和B'_m作为一组数据，存储至存储焦距温度补偿参数的非易失存储器中；

步骤(5)，对于待调焦窗口，自动调焦功能控制模块控制红外视频数据的采集处理模块采集该待调焦窗口下的红外视频，并对红外视频进行非均匀性校正、图像滤波和图像增强处理，处理后的红外视频用图像清晰度评价函数计算模块计算调焦窗口内的图像清晰度评价函数值；

步骤(6)，当调焦时，自动调焦实现的功能模块读取通过温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块采集得到的热像仪的当前工作温度，然后计算当前工作温度所在温区的相对调焦范围，之后控制电机伺服控制器驱动调焦电机运动，调焦镜滑动丝杆将电机的旋转运动转化为调焦镜以光轴为轴向的运动，到达初始调焦位置；

其中，所述的初始调焦位置为当前调焦镜所在位置距离当前工作温度位于所在温区中的相对调焦范围的两端点位置较近的一个端点所在的位置；

步骤(7)，初始调焦位置确定后，调焦镜向当前工作温度所在温区的相对调焦范围的另一个端点运动，爬坡算法的实现模块对待调焦窗口进行爬坡计算，同时，温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块同步采集红外热像仪的当前工作温度、调焦镜所在位置和调焦窗口内的图像清晰度评价函数计算值，图像清晰度评价函数计算值最大的图像对应的调焦位置即为自动调焦清晰位置。

本发明压缩自动对焦搜索调焦范围，以实现快速自动对焦的方法。

本发明高低温环境实验箱101，负责提供满足热像仪工作温区的工作环境，通过将热像仪保温到各温区的分界点，满足参数标定的温度条件；

平行光管102，在高低温环境实验箱101提供的各个温度条件下，模拟无穷远处的目标。

热像仪视距范围和工作温度范围的确定：热像仪的应用要求和性能指标确定。视距范围，热像仪指标要求的能清晰成像的景深范围，比如：10米至2000米，或50米至无穷远等。其下限称为最小视距，其上限称为最大视距。通常到达一定的视距后，焦距的变化值将不大，工程实际运用中将无穷远替代最大的视距，对方法的实现不会造成影响。

自动对最小焦调焦步长的确定：对最小或最大视距，能引起图像清晰度变化的最小调焦物理变化量，对最小或最大视距目标场景，通过调焦实验方法即可实现。针对上述场景，调焦至清晰成像，通过调焦改变焦距步长，直至找到步长对成像清晰度无影响的临界最大值时，此临界最大值即为最小焦调焦步长，定义为：F_min,step。实验的操作过程中，其值可以通过最小焦调焦步长对应的调焦位置传感器采样信号的变化量计算得到，并将此值作为伺服运动时对精度要求提出的约束条件。

全温范围的相对调焦范围定义为：全温范围的整个调焦行程长度除以最小焦调焦步长F_min,step，将此值相对调焦范围为上限，取下限0。

根据热像仪适用环境温度将标定温区人为划分为任意N个分区，N为大于1的整数，第一条线段记录为1区，第二条线段记录为2区，…，第N条线段记录为N区，其中1区为温度最低的温区，N区为温度最高的温区。N值的大小，参考全温范围的相对调焦范围的大小，红外热像仪光学系统随温度的漂移严重程度，和工程实现中标定实验的工作量和期望压缩的范围大小相关。通常情况下，全温范围的相对调焦范围较大，光学系统随温度的漂移程度越严重，分区个数越多，但实验中标定的工作量也会更多，同时意味更高的压缩比，然而当分区增加到一定程度，更多的分区只是意味着更多的标定工作量，并不一定能够实现期望的压缩的范围，所以在具体的工程实践中，一般分区的个数与非均匀多点校正的分区取相同的值。

FPGA嵌入式图像处理器和电机伺服控制器上电，正常工作后，红外视频数据的采集处理模块、自动调焦功能控制模块、图像清晰度评价函数计算模块与温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块并行工作，通过动态存储器共享数据。自动调焦功能控制模块一旦受到自动调焦指令，立即读取温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块采集热像仪整机温度传感器提供的当前工作温度值，计算当前工作温度值所在温区的相对调焦范围，控制电机伺服控制器驱动调焦电机运动，调焦镜滑动丝杆将电机的旋转运动，转化为调焦镜以光轴为轴向的运动，到达初始调焦位置。初始调焦位置为当前温区的相对调焦范围的上下限位置，若当前位置距离上限的位置较近，则到达上限位置，反之，到达下限位置。

在到达初始调焦位置后，图像清晰度评价函数计算模块通过共享和借用红外视频数据的采集处理模块的中间结果计算图像清晰度评价函数，自动调焦功能控制模块通过访问共享的数据，递归调用爬坡算法的实现模块完成自动对焦功能的实现。

红外视频数据的采集处理模块负责对从红外探测器读出的原始图像信号进行非均匀性校正、图像滤波及图像增强等处理，以获得质量较好的红外视频。在进行实时的图像增强时，整幅图像的清晰度评价函数值作为增强算法的中间结果(灰度关于帧频的差分项)也可以在此被计算出来。

图像清晰度评价函数计算模块只需将默认调焦窗口内的图像清晰度评价函数进行计算，并将其作为调焦时评价图像清晰度的指标，放入共享数据区，即动态存储器，供自动调焦功能控制模块访问。

在到达初始调焦位置后，根据当前爬坡方向和步长进行爬坡，寻找最佳调焦位置。在每一步爬坡过程中，温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块对分别对爬坡前和爬坡后的焦距及图像对应的清晰度评价函数值进行同步采样，并认为在爬坡过程中搜索得到的图像清晰度评价函数值最大值对应的焦距位置，即为图像最清晰的位置，并完成自动对焦。

自动调焦功能控制模块递归调用爬坡算法的实现模块，不断的执行爬坡，并依据每一步爬坡前后的图像清晰度评价函数值作为自动调焦是否到位的判据，图像清晰度评价函数值最大的图像对应的调焦位置即为自动调焦清晰位置。

应用实例

对于某一红外热像仪，在当前室温+20℃下，当前焦距相对260，位置其应用实例如下：

步骤一：参考其使用说明书，确定视距范围：200米～无穷远；工作温度-50℃～+70℃。

步骤二：分别将红外热像仪正对200米处的目标场景和平行光管靶标，调焦至清晰成像，通过调焦改变焦距步长，直至改变量对成像的清晰度无影响时，最小焦调焦步长对应的位置传感器对应的变化量为0.0044伏，而整个调焦行程总长为15mm对应的调焦行程总长为3.3伏，则最小的步长F_min,step＝15mm×(0.0044÷3.3)＝20μm。

步骤三：全温范围的整个调焦行程长度除以最小焦调焦步长，即F_max＝15mm÷20μm＝750，全温范围的相对调焦范围为：0～750。

步骤四：以红外热像仪适用环境温度从-50℃至+70℃，以每10℃递增，划分12个温区，如表1的第1列。

步骤五：将红外热像仪放入高低温环境实验箱，并调整红外热像仪位置，使其通过高低温环境实验箱的观察窗口，观察到200米目标场景。根据步骤四划分的分区，分别将高低温箱升、降温至相应温区的温度分界点，保温并等待热像仪恒温至温度分界点，并调焦至清晰成像，记录当前相对调焦位置和温度，如表1的第2,4列。

步骤六：调整红外热像仪以光轴对准平行光管的靶标，分别将高低温环境实验箱升、降温至相应温区的温度分界点，保温并等待红外热像仪恒温后，调焦至清晰成像，记录当前相对调焦位置和温度，如表1的第2,3列。

步骤七：对于步骤四划分的12个分区，分别以温区端点的温度和相对调焦值，计算相应分区线段的斜率和截距，如表1的第5,6,7和8列。

步骤八：将所有分区斜率和截距作为一组数据，存储至存储焦距温度补偿参数的非易失存储器中；

步骤九：对焦时，自动调焦实现的功能模块首先读取温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块(504)的采集到的当前工作温度，其值表示为T＝35℃，由30≤T<40的条件确定当前T所属分区，并从存储焦距温度补偿参数的非易失存储器读取对应的K_m、B_m、K'_m和B'_m，并计算确定相对调焦范围；

相对调焦范围的上限：F_{up_limit}＝K'_mT+B'_m＝4.6×35+339＝500；

相对调焦范围的下限：F_{down_limit}＝K_mT+B_m＝5.2×35+268＝450。

自动调焦实现的功能模块控制电机伺服控制器驱动调焦电机运动，调焦镜滑动丝杆，将电机的旋转运动转化为调焦镜以光轴为轴向的运动，到达初始调焦位置：450。

在到达初始调焦位置后，调焦镜向当前工作温度所在温区的相对调焦范围的另一个端点运动，爬坡算法的实现模块对待调焦窗口进行爬坡计算，同时，温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块同步采集红外热像仪的当前工作温度、调焦镜所在位置和调焦窗口内的图像清晰度评价函数计算值，图像清晰度评价函数计算值最大的图像对应的调焦位置即为自动调焦清晰位置。图像清晰度评价函数计算值最大的图像对应的调焦位置476即为自动调焦清晰位置。

表1

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦系统，其特征在于，包括：高低温环境实验箱(101)、平行光管(102)、红外热像仪(201)、调焦镜(301)、调焦镜滑动丝杆(302)、调焦电机(303)、丝杆位置传感器(304)、FPGA嵌入式图像处理器(401)、电机伺服控制器(402)和热像仪整机温度传感器(405)；

红外热像仪(201)置于高低温环境实验箱(101)中，在高低温环境实验箱(101)上两侧设置开口作为观察窗口，一侧开口正对平行光管(102)的光轴方向，另一侧开口正对场景；

电机伺服控制器(402)的控制端与调焦电机(303)相连，用于控制调焦电机(303)工作；

调焦电机(303)的动力输出端与调焦镜滑动丝杆(302)相连；调焦镜滑动丝杆(302)上连接有调焦镜(301)和丝杆位置传感器(304)，所述的丝杆位置传感器(304)用于采集调焦镜滑动丝杆上调焦镜所在位置；

电机伺服控制器(402)驱动调焦电机(303)运动，调焦镜滑动丝杆(302)将调焦电机(303)的旋转运动转化为调焦镜(301)以光轴为轴向的运动；

热像仪整机温度传感器(405)设在红外热像仪(201)，用于采集红外热像仪当前工作温度；

FPGA嵌入式图像处理器(401)包括存储焦距温度补偿参数的非易失存储器(403)、动态存储器(404)、红外视频数据的采集处理模块(501)、图像清晰度评价函数计算模块(502)、自动调焦功能控制模块(503)、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块(504)和爬坡算法的实现模块(505)；

存储焦距温度补偿参数的非易失存储器(403)用于预存储各个温区的最小视距下斜率和截距，以及最大视距下斜率和截距；

动态存储器(404)，分别与红外视频数据的采集处理模块(501)、图像清晰度评价函数计算模块(502)、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块(504)和爬坡算法的实现模块(505)连接，用于存储红外视频数据的采集处理模块(501)处理过程中的数据，存储图像清晰度评价函数计算模块(502)的计算结果，存储温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块(504)采样数据，还存储爬坡算法的实现模块(505)的计算数据；

自动调焦功能控制模块(503)分别与电机伺服控制器(402)、红外视频数据的采集处理模块(501)、图像清晰度评价函数计算模块(502)、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块(504)、爬坡算法的实现模块(505)相连，用于控制电机伺服控制器(402)、红外视频数据的采集处理模块(501)、图像清晰度评价函数计算模块(502)、温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块(504)、爬坡算法的实现模块(505)的工作；还与存储焦距温度补偿参数的非易失存储器(403)相连，用于从存储焦距温度补偿参数的非易失存储器(403)中获取当前工作温度所在温区的最小视距下斜率和截距以及最大视距下斜率和截距，从而得到当前工作温度在所述温区中的相对调焦范围；

红外视频数据的采集处理模块(501)还与红外热像仪(201)的红外探测器相连，用于将红外探测器读出的原始图像信号进行非均匀性校正、图像滤波和图像增强处理，从而获得质量优异的红外视频，并将原始图像信号和处理后的红外视频存储至动态存储器(404)中；

图像清晰度评价函数计算模块(502)与动态存储器(404)相连，用于根据从动态存储器(404)获得处理后的红外视频，计算调焦窗口内的图像清晰度评价函数值；

爬坡算法的实现模块(505)与动态存储器(404)相连，用于对调焦窗口内的图像进行爬坡；

温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块(504)还分别与热像仪整机温度传感器(405)、丝杆位置传感器(304)、动态存储器(404)相连，用于当爬坡算法的实现模块(505)爬坡的同时，同步采集红外热像仪(201)的当前工作温度、调焦镜(301)所在位置和调焦窗口内的图像清晰度评价函数计算值。

2.根据权利要求1所述的具有温度补偿的红外热像仪自动对焦系统，其特征在于：在-50℃至+70℃范围内，每递增10℃为一个温区。

3.一种具有温度补偿的红外热像仪自动对焦方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，根据红外热像仪的视距范围L_min～L_max，将热像仪分别正对L_min和L_max处的场景，调焦至清晰成像，通过调焦改变焦距步长，直至找到步长对成像清晰度无影响的临界最大值时，此临界最大值即为最小焦调焦步长，F_min,step；全温范围的整个调焦行程长度除以最小焦调焦步长所得的值为L’_max，之后设全温范围的相对调焦范围为：0～L’_max；

步骤(2)，根据红外热像仪的工作全温范围T_min～T_max，将全温范围划分为N个分区，N为大于1的整数，形成N+1个温度分界点；将高低温环境实验箱中的红外热像仪对准L_min处的场景，调温至各个温度分界点，之后调焦至清晰成像，记录当前相对调焦位置F_n和温度T_n，n＝1，2，…，N+1；接着，以温度为横坐标，以相对调焦位置为纵坐标，以每个温区两端的温度分界点所对应的相对调焦位置和温度形成的两个点做直线，得到该温区最小视距下斜率和截距，同理计算每个温区最小视距下斜率K_m和截距B_m，m＝1，2，…，N；

步骤(3)，根据步骤(2)划分温区形成的N+1个温度分界点，将高低温环境实验箱中的红外热像仪对准L_max处的场景，调温至各个温度分界点，之后调焦至清晰成像，记录当前相对调焦位置F_n'和温度T_n，n＝1，2，…，N+1；接着，以温度为横坐标，以相对调焦位置为纵坐标，以每个温区两端的温度分界点所对应的相对调焦位置和温度形成的两个点做直线，得到该温区最大视距下斜率和截距，同理计算每个温区最大视距下斜率K'_m和截距B'_m，m＝1，2，…，N；

步骤(4)，将每个温区K_m、B_m、K'_m和B'_m作为一组数据，存储至存储焦距温度补偿参数的非易失存储器中；

步骤(5)，对于待调焦窗口，自动调焦功能控制模块控制红外视频数据的采集处理模块采集该待调焦窗口下的红外视频，并对红外视频进行非均匀性校正、图像滤波和图像增强处理，处理后的红外视频用图像清晰度评价函数计算模块计算调焦窗口内的图像清晰度评价函数值；

步骤(6)，当调焦时，自动调焦实现的功能模块读取通过温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块采集得到的热像仪的当前工作温度，然后计算当前工作温度所在温区的相对调焦范围，之后控制电机伺服控制器驱动调焦电机运动，调焦镜滑动丝杆将电机的旋转运动转化为调焦镜以光轴为轴向的运动，到达初始调焦位置；

其中，所述的初始调焦位置为当前调焦镜所在位置距离当前工作温度位于所在温区中的相对调焦范围的两端点位置较近的一个端点所在的位置；

步骤(7)，初始调焦位置确定后，调焦镜向当前工作温度所在温区的相对调焦范围的另一个端点运动，爬坡算法的实现模块对待调焦窗口进行爬坡计算，同时，温度、焦距和图像清晰度评价函数同步采样模块同步采集红外热像仪的当前工作温度、调焦镜所在位置和调焦窗口内的图像清晰度评价函数计算值，图像清晰度评价函数计算值最大的图像对应的调焦位置即为自动调焦清晰位置。

4.根据权利要求3所述的具有温度补偿的红外热像仪自动对焦方法，其特征在于，步骤(2)中，每个温度分界点保温并等待红外热像仪恒温至温度分界点后，再进行调焦。

5.根据权利要求4所述的具有温度补偿的红外热像仪自动对焦方法，其特征在于，步骤(2)中，每个温度分界点保温半小时后，再进行调焦。

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