基于圖像數(shù)據(jù)的軌空間內(nèi)相機調(diào)焦的方法及其調(diào)焦系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空航天相機調(diào)焦控制技術領域，特別提供了一種基于圖像數(shù)據(jù)的軌 空間內(nèi)相機調(diào)焦的方法及其調(diào)焦系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 近年來，航天技術發(fā)展非常迅速，星載空間相機的應用越來越廣泛，空間相機的關 鍵任務是獲取和提供清晰完整的圖像，而要想獲得高清晰度的圖像，在相機攝像時，地面景 物應準確地成像在CCD的感光面上。但是隨著科學技術的發(fā)展，在苛刻的發(fā)射環(huán)境和空間 環(huán)境下空間相機的可靠性和精度要求越來越高，航天相機在運輸和發(fā)射過程中會受到振動 沖擊，在軌工作時空間溫度復雜多變，空間重力場是不同于地球表面的微重力環(huán)境，這些因 素都可能導致相機的成像面與焦平面不重合，即產(chǎn)生不同程度的離焦，從而導致成像質(zhì)量 下降。
[0003] 為保證相機成像質(zhì)量，要求相機對環(huán)境因素變化具有良好的適應性，在對相機進 行光學系統(tǒng)、結構支撐和電控系統(tǒng)設計時，需要在相機系統(tǒng)中加入調(diào)焦機構，采用相應的調(diào) 焦機構來微調(diào)光學系統(tǒng)中光線成像的位置，補償CCD的離焦量，使星下點目標準確成像在 CCD感光面上，以修正這種離焦，調(diào)焦機構的調(diào)焦量根據(jù)環(huán)境條件和控制精度的要求確定 的，從而使相機能得到高清晰度的圖像。此外，采用空間調(diào)焦，也可以放寬對光學系統(tǒng)各光 學反射鏡安裝位置及其精確度的要求，有利于光學遙感器在惡劣的環(huán)境下可靠地工作。
[0004] 傳統(tǒng)的焦面檢測系統(tǒng)需要自準直檢焦光信號作為參考光來計算離焦量，只能在地 面上實現(xiàn)，而在軌空間相機的焦面調(diào)整是由地面人員判斷相機是否離焦，并估測相機的離 焦量，通過衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)處理單元將相機的離焦量和調(diào)焦控制命令傳輸給相機調(diào)焦控 制系統(tǒng)，由相機調(diào)焦控制系統(tǒng)將相機焦面調(diào)整到最佳的攝像位置。缺點是相機離焦的判斷 復雜，需要地面人員判讀，具有一定的主觀性，容易造成誤差。
[0005] 因此，研制出一種新型的易于操作的在軌空間相機檢調(diào)焦系統(tǒng)勢在必行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于圖像數(shù)據(jù)的軌空間內(nèi)相機調(diào)焦的方法及 其調(diào)焦系統(tǒng)，以至少解決以往的調(diào)焦系統(tǒng)需要地面人員進行相機焦面是否離焦的判讀，存 在主觀性，容易造成誤差等問題。
[0007] 本發(fā)明一方面提供了一種基于圖像數(shù)據(jù)的軌空間內(nèi)相機調(diào)焦的方法，其特征在 于，包括：
[0008] 獲取相機在同一位置不同離焦狀態(tài)下，拍攝的兩幅圖像；
[0009] 依據(jù)上述兩幅圖像，計算獲得所述相機最佳焦面位置對應的編碼器值；
[0010] 獲取所述相機當前焦面位置對應的編碼器值；
[0011] 依據(jù)所述當前焦面位置對應的編碼器值與所述最佳焦面位置對應的編碼器值之 間的誤差，進行相應的調(diào)焦操作。
[0012] 優(yōu)選，所述依據(jù)所述當前焦面位置對應的編碼器值與所述最佳焦面位置對應的編 碼器值之間的誤差，進行相應的調(diào)焦操作包括：
[0013] 將所述當前焦面位置對應的編碼器值與所述最佳焦面位置對應的編碼器值之間 的誤差與閾值比較；
[0014] 當所述誤差小于等于閾值時，無需啟動調(diào)焦電機；
[0015] 當所述誤差大于閾值時，依據(jù)所述當前焦面位置對應的編碼器值與所述最佳焦面 位置對應的編碼器值，計算獲得調(diào)焦電機的運行步數(shù)和運行方向，進行調(diào)焦操作。
[0016] 進一步優(yōu)選，所述依據(jù)所述當前焦面位置對應的編碼器值與所述最佳焦面位置對 應的編碼器值，計算獲得調(diào)焦電機的運行步數(shù)和運行方向的計算公式為：
[0017] N = (A-A!) X&XM+ Θ
[0018] 其中，N為調(diào)焦電機的運行步數(shù);A為最佳焦面位置對應的編碼器值；4為焦面 當前位置對應的編碼器值屯為編碼器編碼器值變化量與編碼器角度變化量的轉換系數(shù)； Μ為調(diào)焦電機與編碼器速比；Θ為電機每步轉動角度；A-A。的符號表示調(diào)焦電機的運行方 向。
[0019] 進一步優(yōu)選，所述依據(jù)上述兩幅圖像，計算獲得所述相機最佳焦面位置對應的編 碼器值包括：
[0020] 依據(jù)所述兩幅圖像，利用相位差異法計算獲得離焦量；
[0021 ] 依據(jù)所述離焦量計算獲得最佳焦面位置；
[0022] 依據(jù)所述最佳焦面位置計算獲得最佳焦面位置對應的編碼器值。
[0023] 進一步優(yōu)選，所述依據(jù)所述離焦量計算獲得最佳焦面位置的計算公式為：
[0024] S = Κ4Χ α 4
[0025] 其中，S為最佳焦面位置，單位為μπι;Κ4為澤尼克系數(shù)與最佳焦面位置之間的轉 換系數(shù)；α 4為一組澤尼克系數(shù)中的第四項，即離焦量。
[0026] 進一步優(yōu)選，所述依據(jù)所述最佳焦面位置計算獲得最佳焦面位置對應的編碼器值 的計算公式為：
[0028] 其中，Α為最佳焦面位置對應的編碼器值;Α。為焦面零點位置對應的編碼器值；S 為最佳焦面位置，單位為μ m;S。為焦面零點位置，單位為μ m;K2為焦面位置變化量與編碼 器角度變化量的轉換系數(shù)；K3為編碼器角度變化量與編碼器碼值變化量的轉換系數(shù)；S-S。 的符號表示最佳焦面位置相對焦面零點位置的方向。
[0029] 本發(fā)明另一方面還提供了一種基于圖像數(shù)據(jù)的軌空間內(nèi)相機調(diào)焦系統(tǒng)，其特征在 于，包括：
[0030] 數(shù)據(jù)處理單元1，用于接收所述相機在同一位置不同離焦狀態(tài)下，拍攝同一目標物 的兩幅拍攝圖像，并依據(jù)所接收的兩幅拍攝圖像計算出所述相機最佳焦面位置對應的編碼 器值；
[0031] 調(diào)焦編碼器2,用于獲取所述相機當前焦面位置對應的編碼器值；
[0032] 系統(tǒng)控制器3,分別與所述數(shù)據(jù)處理單元1和所述調(diào)焦編碼器2連接，用于接收所 述數(shù)據(jù)處理單元1發(fā)送的相機最佳焦面位置對應的編碼器值以及所述調(diào)焦編碼器2發(fā)送的 相機當前焦面位置對應的編碼器值，并依據(jù)所述相機最佳焦面位置對應的編碼器值和所述 相機當前焦面位置對應的編碼器值計算獲得調(diào)焦信息；
[0033] 調(diào)焦執(zhí)行單元4,與所述系統(tǒng)控制器3連接，用于接收所述系統(tǒng)控制器3發(fā)送的調(diào) 焦信息，并依據(jù)所述調(diào)焦信息進行所述相機的焦面調(diào)節(jié)。
[0034] 優(yōu)選，所述調(diào)焦執(zhí)行單元4包括：
[0035] 調(diào)焦電機41，與所述系統(tǒng)控制器3連接；
[0036] 調(diào)焦機構42,與所述調(diào)焦電機41連接，并由所述調(diào)焦電機41驅動進行調(diào)焦操作。
[0037] 進一步優(yōu)選，所述數(shù)據(jù)處理單元1包括：
[0038] 離焦量計算單元11，用于接收所述相機在同一位置不同離焦狀態(tài)下，拍攝同一目 標物的兩幅拍攝圖像，并利用相位差異法計算獲得離焦量；
[0039] 最佳焦面位置計算單元12,與所述離焦量計算單元11連接，用于接收所述離焦量 計算單元11發(fā)送的離焦量，并依據(jù)所述離焦量計算獲得所述相機的最佳焦面位置；
[0040] 編碼器值計算單元13,與所述最佳焦面位置計算單元12連接，用于接收所述最佳 焦面位置計算單元12發(fā)送的最佳焦面位置，并依據(jù)所述最佳焦面位置計算獲得所述相機 最佳焦面位置對應的編碼器值。
[0041] 本發(fā)明提供的基于圖像數(shù)據(jù)的軌空間內(nèi)相機調(diào)焦的方法及其調(diào)焦系統(tǒng)，采用相位 差異的圖像復原理論，簡化了對相機光學系統(tǒng)離焦量的判斷，避免了由地面人員主動判讀 相機光學系統(tǒng)是否離焦。將光學設計與相位差異圖像復原算法有機融合起來，解決空間相 機檢調(diào)焦的一系列技術關鍵和難點。
[0042] 本發(fā)明提供的于圖像數(shù)據(jù)的軌空間內(nèi)相機調(diào)焦的方法及其調(diào)焦系統(tǒng)，大大降低空 間相機設備的復雜度、測試時間和成本，以及測量所需配套設備的費用，本發(fā)明提供的調(diào)焦 方法和調(diào)焦系統(tǒng)不需要任何附加的檢焦設備，具有檢測精度高、測量成本低、穩(wěn)定性好以及 應用領域廣泛的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0043] 圖1為基于圖像數(shù)據(jù)的軌空間內(nèi)相機調(diào)焦的方法流程圖；
[0044] 圖2為利用相位差異法計算離焦量的流程圖；
[0045] 圖3為基于圖像數(shù)據(jù)的軌空間內(nèi)相機調(diào)焦系統(tǒng)的模塊圖；
[0046] 圖4為數(shù)據(jù)處理單元的模塊圖。
【具體實施方式】
[0047] 下面以具體的實施例對本發(fā)明進行進一步解釋，但是并不用于限制本發(fā)明的保護 范圍。
[0048] 本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了一種基于圖像數(shù)據(jù)的軌空間內(nèi)相機調(diào)焦的方法，參見 圖1 :
[0049] (1)系統(tǒng)控制器（SMJ320C30)以衛(wèi)星公轉一圈時間為周期控制(XD相機采集航空 遙感圖像，并將圖像傳遞進入數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)相位差異法流程圖計算離 焦量，根據(jù)離焦量計算最佳焦面位置，再根據(jù)最佳焦面位置計算相機最佳焦面位置對應的 編碼器值；
[0050] (2)系統(tǒng)控制器通過串行通訊協(xié)議與調(diào)焦編碼器進行通訊，讀取當前焦面位置對 應編碼器值（采用16位光電軸角編碼器作為焦面的側量器，系統(tǒng)控制器與調(diào)焦編碼器之間 采用RS485串行通訊協(xié)議，波特率為62500Bps，應用DS26C31和DS26C32元件將串行通訊信 號進行差分，提高串行通訊的抗干擾能力和可靠性）；
[0051] (3)依據(jù)系統(tǒng)設計中的技術指標要求（離焦量大于20um時，焦面需調(diào)整），如果相 機離焦，執(zhí)行步驟（4)，如果相機未離焦，返回步驟（1)。
[0052] (4)計算調(diào)焦電機運行方向和運行步數(shù)（采用步進電機作為調(diào)焦機構的驅動元 件，控制方式為四相八拍，運行頻率P為ΙΚΗζ);
[0053] (5)系統(tǒng)控制器根據(jù)步驟（4)計算的結果，控制調(diào)焦電機運行。
[0054] (6)調(diào)焦電機運行結束后，再次讀取當前焦面位置對應編碼器值，并與最佳焦面位 置對應編碼器值進行比較，判斷焦面調(diào)整誤差是否滿足系統(tǒng)要求（編碼器碼值不大于10)。
[0055] 如果誤差不滿足系統(tǒng)要求，返回步驟（4)，如果誤差滿足系統(tǒng)要求，返回步驟（1)。
[0056] 其中，參見圖2為離焦量的具體計算過程為：
[0057] ①分別將兩幅圖像h、"進行傅里葉變換，得到I ρ 12;
[0058] ②設置歸一化參數(shù)光瞳方程p (X，y) = 1，{ α }。= 〇 ;
[0059] ③設定中斷條件，通常用最大迭代次數(shù)或最長迭代時間作為停止準則；
[0060] ④計算兩幅圖像的點擴散函數(shù) 其中原始 I; 通道的相位t(x，y) =ζ(α)，離焦通道的相位Φ2(χ，7) =z(a)*(x2+y2);光學傳遞函數(shù)
[0061] ⑤根據(jù)公式計算目標函數(shù) L({a}t);
[0062] ⑥利用L-BGFS方法對目標函數(shù)進行優(yōu)化，搜索目標函數(shù)L ({ a