CN111796414A - 基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法，包括调节望远镜和图像采集设备的焦点位置并采集调好焦距的天区图像；对图像进行分区并统计各区域中心的像素量度坐标和天球坐标；由各区块中心像素量度坐标和天球坐标计算并统计各区块中心的比例尺；记录各区块中心的参考比例尺用作后期调焦；采集新观测图像，由各区块中心量度坐标和天球坐标计算各区块中心的实时比例尺；由实时比例尺与参考比例尺差值和比例关系确定调焦方向和大小；望远镜不断接收最新采集图像的调焦量大小和方向，执行调焦操作，实现望远镜的实时自动调焦。上述技术方案能有效解决现有调焦方法计算量大、工作效率低以及容易造成以偏概全，引起调焦过度的问题。

Description

基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法
技术领域
本发明涉及望远镜自动调焦技术领域，具体涉及一种基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法。
背景技术
由于环境温度变化、望远镜指向变化带来的镜头弯沉等多种因素的影响，望远镜焦距会发生变化，引起像质降低和比例尺变化。目前常规的调焦方法有根据温度变化和望远镜光机材料的膨胀系数，根据热形变理论模型，实现无反馈的自动调焦，这种方法由于与焦面上的图像无关系，难以达到理想效果。近些年显微和天文照相多个领域还提出了基于“图像清晰度”评价机制的调焦量检测手段，基本原理是通过往返调焦来搜索最佳像质(能量集中度高)的焦距位置(如，苑嘉辉等人2017年在《天文研究与技术》期刊发布的《基于能量集中度的广角望远镜自动调焦快速清晰度评价算法》)，这类基于图像清晰度的调焦方法需要统计大量图像中像点的轮廓，计算量比较大、工作效率较低，如果仅统计图像局部区域的像质容易造成以偏概全，引起调焦过度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法，能有效解决现有调焦方法计算量大、工作效率低以及容易造成以偏概全，引起调焦过度的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法，包括以下步骤：
(1)安装望远镜及其图像采集设备，并调节望远镜的焦点位置；
(2)图像采集设备通过望远镜采集3～10辐带有恒星的天区图像，并将采集的天区图像存储到终端处理设备；
(3)终端处理设备对存储的天区图像分别进行划分区块，并识别出每个区块内的星像；
(4)根据各区块中心的像素量度坐标和恒星星表中与其对应的天球坐标，得到各区块指定位置的像素量度坐标和对应的天球坐标，其中不同区块的指定位置相同；
(5)将各区块指定位置的天球坐标转换为单位矢量，并计算不同区块指定位置间的弧长，通过弧长和像素距离的比值得到各区块指定位置间的比例尺以及比例尺均值，将该比例尺均值作为整幅图像的单幅平均参考比例尺；
(6)平均各采集图像的单幅平均参考比例尺，得到参考比例尺，根据该参考比例尺重新设置望远镜的焦距；
(7)设置好焦距的望远镜按照步骤(1)～(6)对新采集的图像进行处理，并得出各区块指定位置间的比例尺和平均比例尺，该平均比例尺作为新采集图像的实时比例尺；
(8)由实时比例尺和参考比例尺的差值和比例关系确定调焦方向和大小；
(9)望远镜不断接收最新采集图像的调焦量大小和方向，并执行调焦操作；即实现望远镜的实时自动调焦。
其中，各区块的指定位置为各区块的中心位置。
步骤(2)中天区图像位置的选取为星数密集的天区。
步骤(4)具体包括：统计各区块中心的像素量度坐标，使星像在图像上的像素量度坐标与恒星星表中的天球坐标一一匹配，获得每个星像的天球坐标和像素量度坐标；之后根据各区块内的恒星像素量度坐标和天球坐标拟合出从像素量度坐标转换到天球坐标的函数，代入所拟函数得到各区块中心的像素量度坐标和对应的天球坐标。
步骤(5)中天球坐标转换为单位矢量的公式为
Figure BDA0002636475300000021
式中α，δ为天球坐标(α,δ)；i表示第一个天球坐标；不同区块中心间的弧长为
Figure BDA0002636475300000022
式中j表示第二个天球坐标；各区块中心间的比例尺为
Figure BDA0002636475300000023
式中
Figure BDA0002636475300000024
为像素距离。
基于实时比例尺值变化的调焦量大小和方向是按照下述公式计算的：
焦距R与比例尺ρ之间的成“反比”关系，它们的乘积为相机像素对应的物理尺寸pixel_size，即
R×ρ＝pixel_size
由此得到：
Figure BDA0002636475300000025
即：
Figure BDA0002636475300000026
式中：Rold为参考比例尺值对应的焦距；
Figure BDA0002636475300000027
实时比例尺值；
Figure BDA0002636475300000028
为参考比例尺值；调焦量的大小为ΔR的绝对值，ΔR为正值则为正向调焦，ΔR为负值则为反向调焦。
上述技术方案中提供的基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法，其基于望远镜成像焦面上不同区域间星像弧长及其变化，统计调焦量及其调焦方向，可高效且精准的实现调焦量和调焦方向的一次性检测；有效解决了现有技术中望远镜调焦与图像实际情况无关联、图像清晰度调焦机制中测量效率低、容易以偏概全的问题。另外本发明的区块均选择其中心位置进行计算和处理，这样可有效提高坐标选取准确性，从而保证比例尺计算的精确度和望远镜实时调焦准确度。
附图说明
图1为本发明所述基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法的流程图；
图2为本发明单幅图像分区以及不同区域中心之间弧长统计方式示意图；
图3为采用本发明基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法的效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
本实施例的流程图如图1所示，具体实施方式如下：
(1)在望远镜及其照相机安装到位后，由于焦距距离理想位置偏差巨大，因此先进行人为调焦；人为调焦时，可通过图像处理软件精细的分析星像的形状和畸变情况，手动调整到准确焦点位置；
(2)对天空中星数较密集的天区(本实施例选择银盘±40度范围内)进行常规拍摄，采集3～10幅图像，并存储到计算机；
(3)将所拍摄的每幅图像划分成3×3区块(参考图2)，检测识别出每块区域内的星像；
(4)利用经典的三角弧长匹配法，实现星像在图像上的像素量度坐标(x,y)与恒星星表中天球坐标(α,δ)的匹配，获得每个星像的天球坐标和恒星像素量度坐标，由每块区域内所有恒星星像量度坐标和天球坐标，通过最小二乘拟合出从量度坐标(x,y)转换到天球坐标(α,δ)的函数，进而通过中心的像素坐标(x0,y0)解算出其对应的天球坐标(α0,δ0)；
(5)计算并统计各个区域块中心间的比例尺(星间弧长/像素距离)
首先，将各个区域块中心的天球坐标转换为单位矢量(参见公式1)，计算不同区域块(优选对侧区域块或斜对角区域块)中心间的弧长(参见公式2)；
Figure BDA0002636475300000041
Figure BDA0002636475300000042
式中α，δ为天球坐标(α,δ)；i表示第一个天球坐标；式中j表示第二个天球坐标；
之后由公式3计算各个区块中心间的比例尺ρi,j，由所有ρi,j计算出比例尺均值
Figure BDA00026364753000000413
作为整幅图像的单幅平均参考比例尺；
Figure BDA0002636475300000043
式中
Figure BDA0002636475300000044
为像素距离；
(6)求取上述采集的所有图像的单幅平均参考比例尺的平均值，将该平均值作为参考比例尺值，标记为
Figure BDA0002636475300000045
(7)根据参考比例尺
Figure BDA0002636475300000046
与所用相机像素的物理尺寸pixel_size，得到参考比例尺对应的焦距
Figure BDA0002636475300000047
进入实时自动调焦步骤；
(8)对新采集的图像参照计算并统计各个区域块中心间的比例尺ρi,j，由所有ρi,j计算出比例尺均值，作为该幅新观测图像的实时比例尺，标记为
Figure BDA0002636475300000048
(9)基于实时比例尺值变化的调焦量大小和方向是按照下述公式计算的：
焦距R与比例尺ρ之间的成“反比”关系，它们的乘积为相机像素对应的物理尺寸pixel_size，即
R×ρ＝pixel_size
由此得到：
Figure BDA0002636475300000049
即：
Figure BDA00026364753000000410
式中：Rold为参考比例尺值对应的焦距；
Figure BDA00026364753000000411
为实时比例尺值；
Figure BDA00026364753000000412
为参考比例尺值；调焦量的大小为ΔR的绝对值，ΔR为正值则为正向调焦，ΔR为负值则为反向调焦。
(10)将调焦量反馈给望远镜执行调焦控制，循环(8)～(10)步骤即可实现望远镜的实时自动调焦。
图3为基于本发明方法实现自动调焦的效果图，横坐标是UTC时间，纵坐标为自动调焦后的实时焦距(单位毫米)，调焦量的检测精度可优于1微米。
附注：本实施例中所使用的望远镜为口径18cm，焦距20cm；照相机为F9000-CCD相机，靶面边长3.5cm。
上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)安装望远镜及其图像采集设备，并调节望远镜的焦点位置；
(2)图像采集设备通过望远镜采集3～10辐带有恒星的天区图像，并将采集的天区图像存储到终端处理设备；
(3)终端处理设备对存储的天区图像分别进行划分区块，并识别出每个区块内的星像；
(4)根据各区块指定位置的像素量度坐标和恒星星表中与其对应的天球坐标，得到各区块指定位置的像素量度坐标和对应的天球坐标，其中不同区块的指定位置相同；
(5)将各区块指定位置的天球坐标转换为单位矢量，计算不同区块指定位置间的弧长，通过弧长和像素距离的比值得到各区块指定位置间的比例尺以及比例尺均值，将该比例尺均值作为整幅图像的单幅平均参考比例尺；
(6)平均各采集图像的单幅平均参考比例尺，得到参考比例尺，根据该参考比例尺重新设置望远镜的焦距；
(7)设置好焦距的望远镜按照步骤(1)～(6)对新采集的图像进行处理，并得出各区块指定位置间的比例尺和平均比例尺，将该平均比例尺作为新采集图像的实时比例尺；
(8)由实时比例尺和参考比例尺的差值和比例关系确定调焦方向和大小；
(9)望远镜不断接收最新采集图像的调焦量大小和方向，并执行调焦操作；即实现望远镜的实时自动调焦。
2.根据权利要求1所述的基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法，其特征在于：各区块的指定位置为各区块的中心位置。
3.根据权利要求2所述的基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法，其特征在于：步骤(2)中天区图像位置的选取为星数密集的天区。
4.根据权利要求3所述的基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法，其特征在于，步骤(4)具体包括：统计各区块中心的像素量度坐标，使星像在图像上的像素量度坐标与恒星星表中的天球坐标一一匹配，获得每个星像的天球坐标和恒星像素量度坐标；之后根据各区块内的恒星像素量度坐标和天球坐标拟合出从像素量度坐标转换到天球坐标的函数，代入所拟函数得到各区块中心的像素量度坐标和对应的天球坐标。
5.根据权利要求4所述的基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法，其特征在于：步骤(5)中天球坐标转换为单位矢量的公式为
Figure FDA0002636475290000011
式中α，δ为天球坐标(α,δ)；i表示第一个天球坐标。
6.根据权利要求5所述的基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法，其特征在于：步骤(5)中不同区块中心间的弧长为
Figure FDA0002636475290000021
式中j表示第二个天球坐标。
7.根据权利要求6所述的基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法，其特征在于：步骤(5)中各区块中心间的比例尺为
Figure FDA0002636475290000022
式中
Figure FDA0002636475290000023
为像素距离。
8.根据权利要求7所述的基于恒星间弧长变化的望远镜自动调焦方法，其特征在于：按照下述公式计算基于实时比例尺值变化的调焦量大小和方向：
Figure FDA0002636475290000024
式中：Rold为参考比例尺值对应的焦距；
Figure FDA0002636475290000025
为实时比例尺值；
Figure FDA0002636475290000026
为参考比例尺值；调焦量的大小为ΔR的绝对值，ΔR为正值则为正向调焦，ΔR为负值则为反向调焦。
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