CN105376493B - 基于图像数据的轨空间内相机调焦的方法及其调焦*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于图像数据的轨空间内相机调焦的方法及其调焦***，其中，调焦***包括：数据处理单元(1)、调焦编码器(2)、***控制器(3)和调焦执行单元(4)，其基于相位差异的图像复原理论，简化了对相机光学***离焦量的判断，避免了由地面人员主动判读相机光学***是否离焦，将光学设计与相位差异图像复原算法有机融合起来，解决空间相机调焦的一系列技术关键问题和难点，具有检测精度高、测量成本低、稳定性好以及应用领域广泛的特点，特别适用于在轨空间相机的调焦。

Description

基于图像数据的轨空间内相机调焦的方法及其调焦***

技术领域

本发明涉及航空航天相机调焦控制技术领域，特别提供了一种基于图像数据的轨空间内相机调焦的方法及其调焦***。

背景技术

近年来，航天技术发展非常迅速，星载空间相机的应用越来越广泛，空间相机的关键任务是获取和提供清晰完整的图像，而要想获得高清晰度的图像，在相机摄像时，地面景物应准确地成像在CCD的感光面上。但是随着科学技术的发展，在苛刻的发射环境和空间环境下空间相机的可靠性和精度要求越来越高，航天相机在运输和发射过程中会受到振动冲击，在轨工作时空间温度复杂多变，空间重力场是不同于地球表面的微重力环境，这些因素都可能导致相机的成像面与焦平面不重合，即产生不同程度的离焦，从而导致成像质量下降。

为保证相机成像质量，要求相机对环境因素变化具有良好的适应性，在对相机进行光学***、结构支撑和电控***设计时，需要在相机***中加入调焦机构，采用相应的调焦机构来微调光学***中光线成像的位置，补偿CCD的离焦量，使星下点目标准确成像在CCD感光面上，以修正这种离焦，调焦机构的调焦量根据环境条件和控制精度的要求确定的，从而使相机能得到高清晰度的图像。此外，采用空间调焦，也可以放宽对光学***各光学反射镜安装位置及其精确度的要求，有利于光学遥感器在恶劣的环境下可靠地工作。

传统的焦面检测***需要自准直检焦光信号作为参考光来计算离焦量，只能在地面上实现，而在轨空间相机的焦面调整是由地面人员判断相机是否离焦，并估测相机的离焦量，通过卫星有效载荷数据处理单元将相机的离焦量和调焦控制命令传输给相机调焦控制***，由相机调焦控制***将相机焦面调整到最佳的摄像位置。缺点是相机离焦的判断复杂，需要地面人员判读，具有一定的主观性，容易造成误差。

因此，研制出一种新型的易于操作的在轨空间相机检调焦***势在必行。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于图像数据的轨空间内相机调焦的方法及其调焦***，以至少解决以往的调焦***需要地面人员进行相机焦面是否离焦的判读，存在主观性，容易造成误差等问题。

本发明一方面提供了一种基于图像数据的轨空间内相机调焦的方法，其特征在于，包括：

获取相机在同一位置不同离焦状态下，拍摄的两幅图像；

依据上述两幅图像，计算获得所述相机最佳焦面位置对应的编码器值；

获取所述相机当前焦面位置对应的编码器值；

依据所述当前焦面位置对应的编码器值与所述最佳焦面位置对应的编码器值之间的误差，进行相应的调焦操作。

优选，所述依据所述当前焦面位置对应的编码器值与所述最佳焦面位置对应的编码器值之间的误差，进行相应的调焦操作包括：

将所述当前焦面位置对应的编码器值与所述最佳焦面位置对应的编码器值之间的误差与阈值比较；

当所述误差小于等于阈值时，无需启动调焦电机；

当所述误差大于阈值时，依据所述当前焦面位置对应的编码器值与所述最佳焦面位置对应的编码器值，计算获得调焦电机的运行步数和运行方向，进行调焦操作。

进一步优选，所述依据所述当前焦面位置对应的编码器值与所述最佳焦面位置对应的编码器值，计算获得调焦电机的运行步数和运行方向的计算公式为：

N＝(A-A₁)×K₁×M÷θ

其中，N为调焦电机的运行步数；A为最佳焦面位置对应的编码器值；A₁为焦面当前位置对应的编码器值；K₁为编码器编码器值变化量与编码器角度变化量的转换系数；M为调焦电机与编码器速比；θ为电机每步转动角度；A-A₁的符号表示调焦电机的运行方向。

进一步优选，所述依据上述两幅图像，计算获得所述相机最佳焦面位置对应的编码器值包括：

依据所述两幅图像，利用相位差异法计算获得离焦量；

依据所述离焦量计算获得最佳焦面位置；

依据所述最佳焦面位置计算获得最佳焦面位置对应的编码器值。

进一步优选，所述依据所述离焦量计算获得最佳焦面位置的计算公式为：

S＝K₄×α₄

其中，S为最佳焦面位置，单位为μm；K₄为泽尼克系数与最佳焦面位置之间的转换系数；α₄为一组泽尼克系数中的第四项，即离焦量。

进一步优选，所述依据所述最佳焦面位置计算获得最佳焦面位置对应的编码器值的计算公式为：

A＝A₀+(S-S₀)×K₂×K₃

其中，A为最佳焦面位置对应的编码器值；A₀为焦面零点位置对应的编码器值；S为最佳焦面位置，单位为μm；S₀为焦面零点位置，单位为μm；K₂为焦面位置变化量与编码器角度变化量的转换系数；K₃为编码器角度变化量与编码器码值变化量的转换系数；S-S₀的符号表示最佳焦面位置相对焦面零点位置的方向。

本发明另一方面还提供了一种基于图像数据的轨空间内相机调焦***，其特征在于，包括：

数据处理单元1，用于接收所述相机在同一位置不同离焦状态下，拍摄同一目标物的两幅拍摄图像，并依据所接收的两幅拍摄图像计算出所述相机最佳焦面位置对应的编码器值；

调焦编码器2，用于获取所述相机当前焦面位置对应的编码器值；

***控制器3，分别与所述数据处理单元1和所述调焦编码器2连接，用于接收所述数据处理单元1发送的相机最佳焦面位置对应的编码器值以及所述调焦编码器2发送的相机当前焦面位置对应的编码器值，并依据所述相机最佳焦面位置对应的编码器值和所述相机当前焦面位置对应的编码器值计算获得调焦信息；

调焦执行单元4，与所述***控制器3连接，用于接收所述***控制器3发送的调焦信息，并依据所述调焦信息进行所述相机的焦面调节。

优选，所述调焦执行单元4包括：

调焦电机41，与所述***控制器3连接；

调焦机构42，与所述调焦电机41连接，并由所述调焦电机41驱动进行调焦操作。

进一步优选，所述数据处理单元1包括：

离焦量计算单元11，用于接收所述相机在同一位置不同离焦状态下，拍摄同一目标物的两幅拍摄图像，并利用相位差异法计算获得离焦量；

最佳焦面位置计算单元12，与所述离焦量计算单元11连接，用于接收所述离焦量计算单元11发送的离焦量，并依据所述离焦量计算获得所述相机的最佳焦面位置；

编码器值计算单元13，与所述最佳焦面位置计算单元12连接，用于接收所述最佳焦面位置计算单元12发送的最佳焦面位置，并依据所述最佳焦面位置计算获得所述相机最佳焦面位置对应的编码器值。

本发明提供的基于图像数据的轨空间内相机调焦的方法及其调焦***，采用相位差异的图像复原理论，简化了对相机光学***离焦量的判断，避免了由地面人员主动判读相机光学***是否离焦。将光学设计与相位差异图像复原算法有机融合起来，解决空间相机检调焦的一系列技术关键和难点。

本发明提供的于图像数据的轨空间内相机调焦的方法及其调焦***，大大降低空间相机设备的复杂度、测试时间和成本，以及测量所需配套设备的费用，本发明提供的调焦方法和调焦***不需要任何附加的检焦设备，具有检测精度高、测量成本低、稳定性好以及应用领域广泛的优点。

附图说明

图1为基于图像数据的轨空间内相机调焦的方法流程图；

图2为利用相位差异法计算离焦量的流程图；

图3为基于图像数据的轨空间内相机调焦***的模块图；

图4为数据处理单元的模块图。

具体实施方式

下面以具体的实施例对本发明进行进一步解释，但是并不用于限制本发明的保护范围。

本发明的优选实施例提供了一种基于图像数据的轨空间内相机调焦的方法，参见图1：

(1)***控制器(SMJ320C30)以卫星公转一圈时间为周期控制CCD相机采集航空遥感图像，并将图像传递进入数据处理单元，数据处理单元根据相位差异法流程图计算离焦量，根据离焦量计算最佳焦面位置，再根据最佳焦面位置计算相机最佳焦面位置对应的编码器值；

(2)***控制器通过串行通讯协议与调焦编码器进行通讯，读取当前焦面位置对应编码器值(采用16位光电轴角编码器作为焦面的侧量器，***控制器与调焦编码器之间采用RS485串行通讯协议，波特率为62500Bps，应用DS26C31和DS26C32元件将串行通讯信号进行差分，提高串行通讯的抗干扰能力和可靠性)；

(3)依据***设计中的技术指标要求(离焦量大于20um时，焦面需调整)，如果相机离焦，执行步骤(4)，如果相机未离焦，返回步骤(1)。

(4)计算调焦电机运行方向和运行步数(采用步进电机作为调焦机构的驱动元件，控制方式为四相八拍，运行频率P为1KHz)；

(5)***控制器根据步骤(4)计算的结果，控制调焦电机运行。

(6)调焦电机运行结束后，再次读取当前焦面位置对应编码器值，并与最佳焦面位置对应编码器值进行比较，判断焦面调整误差是否满足***要求(编码器码值不大于10)。

如果误差不满足***要求，返回步骤(4)，如果误差满足***要求，返回步骤(1)。

其中，参见图2为离焦量的具体计算过程为：

①分别将两幅图像i₁、i₂进行傅里叶变换，得到I₁，I₂；

②设置归一化参数光瞳方程p(x，y)＝1，{α}₀＝0；

③设定中断条件，通常用最大迭代次数或最长迭代时间作为停止准则；

④计算两幅图像的点扩散函数其中原始通道的相位φ₁(x，y)＝Z(α)，离焦通道的相位φ₂(x，y)＝Z(α)*(x²+y²)；光学传递函数

⑤根据公式计算目标函数L({α}_t)；

⑥利用L-BGFS方法对目标函数进行优化，搜索目标函数L({α}_t)的最小值；

⑦得到一组泽尼克系数{α}_t的估计值，若不满足中断条件，则返回④，否则输出恢复结果，即一组泽尼克多项式系数，其中泽尼克多项式系数中的第四项表示离焦量。

上述L-BFGS算法：

Step 0：选定初始点和初始对称正定矩阵设定搜索精度ε＞0和有限记忆次数m，计算梯度g(x⁰)，并令k＝0；

Step 1：若||g(x^k)||＜ε则算法终止，得到最优解x^k，否则，令

Step2：采用非精确线性搜索策略确定步长α_k，更新x^k+1＝x^k+α_kd^k，并计算梯度值g(x^k+1)；

Step 3：利用初始值H₀或者中间信息构造反复利用式(10)进行m+1次修正得到H_k+1，

其中，s_k＝x^k+1-x^k，y_k＝g(x^k+1)-g(x^k)。

Step4：令k＝k+1，转Step 1。

根据离焦量计算最佳焦面位置的计算公式为：

S＝K₄×α₄，其中，K₄为0.21，α₄为上述泽尼克系数中的第四项，即离焦量。

根据最佳焦面位置计算最佳焦面位置对应的编码器值的计算公式为：

A＝A₀+(S-S₀)×K₂×K₃，其中，A₀为8000H，S₀为0，K₂为0.045，K₃为182。

计算调焦电机运行方向和运行步数的公式为：

N＝(A-A₁)×K₁×M÷θ，其中，K₁为0.0055，M为40，θ为0.9°。

本实施例的调焦方法简化了对相机光学***离焦的判断，实现了自动实时判断，避免了将图像数据下传至地面，由地面人员判读相机光学***是否离焦；光学***离焦补偿及时，实现了自动实时补偿，省去了对下传数据、判断相机离焦、计算离焦量、传输离焦量与调焦命令的处理，避免了由于离焦补偿不及时，焦面调整后不在最佳位置的错误调整；光学***离焦补偿精度高，相机光学***离焦后可及时识别和补偿，实现焦面、步进电机与编码器的闭环调整。

本发明的另一个优选实施例提供了一个基于图像数据的轨空间内相机调焦***，参见图3，其中轨空间内相机以CCD相机为例，包括：

数据处理单元1，用于接收CCD相机在同一位置不同离焦状态下，拍摄同一目标物的两幅拍摄图像，并依据所接收的两幅拍摄图像计算出CCD相机最佳焦面位置对应的编码器值；

调焦编码器2，用于获取CCD相机当前焦面位置对应的编码器值；

***控制器3，可选用SMJ320C30通过RS-485串行通讯协议与调焦编码器2进行通讯，读取CCD相机当前焦面位置对应的编码器值，***控制器3还与数据处理单元1连接，用于读取CCD相机最佳焦面位置对应的编码器值，并依据当前焦面位置对应编码和最佳焦面位置对应的编码计算获得调焦信息；

调焦执行单元4，与***控制器3连接，用于接收所述***控制器3发送的调焦信息，并依据调焦信息进行所述相机的焦面调节。

参见图3所述调焦执行单元4包括：

调焦电机41，与***控制器3连接；

调焦机构42，与调焦电机41连接，并由调焦电机41驱动进行调焦操作。

参见图4，所述数据处理单元1包括：

离焦量计算单元11，用于接收相机在同一位置不同离焦状态下，拍摄同一目标物的两幅拍摄图像，并利用相位差异法计算获得离焦量；

最佳焦面位置计算单元12，与离焦量计算单元11连接，用于接收离焦量计算单元11发送的离焦量，并依据离焦量计算获得相机的最佳焦面位置；

编码器值计算单元13，与最佳焦面位置计算单元12连接，用于接收最佳焦面位置计算单元12发送的最佳焦面位置，并依据最佳焦面位置计算获得相机最佳焦面位置对应的编码器值。

该调焦***的具体工作原理为：***控制器控制CCD相机采集拍摄航空遥感图像，并将图像传递到数据处理单元中，计算得到CCD相机最佳焦面位置对应的编码器值，***控制器通过RS-485串行通讯协议与调焦编码器进行通讯，读取CCD相机当前焦面位置对应的编码器值，***控制器根据当前焦面位置的编码器值和最佳焦面位置的编码器值计算调焦电机运行步数和运行方向，并控制调焦电机运行，调焦电机驱动调焦机构移动，完成焦面位置的调整，***控制器通过调焦编码器值判断焦面调整后是否满足误差要求，形成调焦电机和调焦编码器的闭环控制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于图像数据的轨空间内相机调焦的方法，其特征在于，包括：

获取相机在同一位置不同离焦状态下，拍摄的两幅图像；

依据上述两幅图像，计算获得所述相机最佳焦面位置对应的编码器值；

获取所述相机当前焦面位置对应的编码器值；

依据所述当前焦面位置对应的编码器值与所述最佳焦面位置对应的编码器值之间的误差，进行相应的调焦操作；

所述依据上述两幅图像，计算获得所述相机最佳焦面位置对应的编码器值包括：

依据所述两幅图像，利用相位差异法计算获得离焦量；

依据所述离焦量计算获得最佳焦面位置；

依据所述最佳焦面位置计算获得最佳焦面位置对应的编码器值；

所述依据所述离焦量计算获得最佳焦面位置的计算公式为：

S＝K₄×α₄

其中，S为最佳焦面位置，单位为μm；K₄为泽尼克系数与最佳焦面位置之间的转换系数；α₄为一组泽尼克系数中的第四项，即离焦量。

2.按照权利要求1所述基于图像数据的轨空间内相机调焦的方法，其特征在于，所述依据所述当前焦面位置对应的编码器值与所述最佳焦面位置对应的编码器值之间的误差，进行相应的调焦操作包括：

将所述当前焦面位置对应的编码器值与所述最佳焦面位置对应的编码器值之间的误差与阈值比较；

当所述误差小于等于阈值时，无需启动调焦电机；

当所述误差大于阈值时，依据所述当前焦面位置对应的编码器值与所述最佳焦面位置对应的编码器值，计算获得调焦电机的运行步数和运行方向，进行调焦操作。

3.按照权利要求2所述基于图像数据的轨空间内相机调焦的方法，其特征在于，所述依据所述当前焦面位置对应的编码器值与所述最佳焦面位置对应的编码器值，计算获得调焦电机的运行步数和运行方向的计算公式为：

N＝(A-A₁)×K₁×M÷θ

其中，N为调焦电机的运行步数；A为最佳焦面位置对应的编码器值；A₁为焦面当前位置对应的编码器值；K₁为编码器编码器值变化量与编码器角度变化量的转换系数；M为调焦电机与编码器速比；θ为电机每步转动角度；A-A₁的符号表示调焦电机的运行方向。

4.按照权利要求1所述基于图像数据的轨空间内相机调焦的方法，其特征在于，所述依据所述最佳焦面位置计算获得最佳焦面位置对应的编码器值的计算公式为：

A＝A₀+(S-S₀)×K₂×K₃

其中，A为最佳焦面位置对应的编码器值；A₀为焦面零点位置对应的编码器值；S为最佳焦面位置，单位为μm；S₀为焦面零点位置，单位为μm；K₂为焦面位置变化量与编码器角度变化量的转换系数；K₃为编码器角度变化量与编码器码值变化量的转换系数；S-S₀的符号表示最佳焦面位置相对焦面零点位置的方向。