[发明专利]一种光学相机自适应快速调焦装置及调焦方法

说明书

技术领域

本发明属于航天光学遥感器领域，涉及一种光学相机自适应快速调焦装置及相应的方法，用于光学相机在轨自动调焦。

背景技术

高空间分辨率光学遥感器的研制一直是人类空间技术的重要组成部分，高的图像质量是航天光学遥感器重要的技术指标。光学相机在发射升空瞬间将经历加速及剧烈震动，负载仓内、外存在巨大压力差，太阳、地球辐射等因素使整星受热不均匀，空间轨道大气压随着高度变化，这一系列温度、压强、振动等因素将引起空间光学遥感器光学元件的曲率半径、面形、光学间隔、材料折射率等光学参数产生变化，进而导致光学系统产生轴向离焦现象，从而使得光学相机像面像质退化。因此，“在轨自动调焦技术”是空间光学遥感器，特别是长焦距、大口径空间光学遥感器获得高图像质量关键技术之一。

美国的哈勃空间望远镜（HST），成功使用了“在轨自动调焦技术”，在轨运行期间一直保持0.1′′高分辨率成像，该技术已为下一代空间望远镜（NGST）所继承。而在我国，通常是在卫星升空前，利用数字或地面物理仿真、试验手段，得到光学相机在轨阶段最佳焦面位置估计值，并将成像面预置在焦面处，但不能依据不同空间环境实现在轨自适应自动调焦。国内现有在轨调焦技术，也有将图像数据下传到地面的方式，由人工进行多次图像数据判读后，上传调焦控制信息，以实现在轨相机的合焦判断与调焦，但不能自动调焦，调焦效果取决于成像目标细节的丰富程度，对成像条件要求较高，调焦速度较慢。

因此，迫切需要一种光学相机自适应快速调焦装置及相应的方法，实现航天光学遥感器在轨快速自动调焦，以适应入轨过程、在轨运行阶段的不同空间环境变化，获取高的图像质量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种光学相机自适应快速调焦装置及相应的方法，通过两个像面比较相应构形熵的大小，采用最大构形熵作为合焦判据，实现光学相机在轨自适应调焦功能。

本发明的技术解决方案是：一种光学相机自适应快速调焦装置，包括检焦判断器、图像采集器、数据运算器、调焦驱动组件、运动部件、编码器和锁定部件，其中：

运动部件：与光学相机像面固定连接，并在调焦驱动组件的驱动下带动光学相机像面沿光学相机的光轴移动；

锁定部件：对运动部件的运动进行锁定；

编码器：获取光学相机像面静止时的位置信息P_r并送至检焦判断器；r=0时光学相机像面处于初始位置，r=1,2,…R时光学相机像面处于第r次移动后的位置，R为调焦完成后光学相机像面可能的总移动次数；

图像采集器：从光学相机像面获取原始图像信息，对原始图像信息进行去噪声和非均匀性校正处理得到校正图像信息，对校正图像信息按量化比特数k进行量化得到量化图像信息并送至数据运算器；所述的量化图像信息包括灰度值为i的像元总数N_i，i=0,1,2,…2^k-1，为量化图像的总像元数；

数据运算器：根据光学相机像面在静止位置时对应的量化图像信息，计算图像的构形熵并送至检焦判断器；其中M_i=N_i×lgN_i，M_i通过查找预先存储的M_i和N_i的映射关系表获得，与P_r位置对应的构形熵记为H_r；

检焦判断器：向光学相机发出成像启动信息；根据编码器传来的位置信息以及数据运算器传来的构形熵计算结果进行判断，若H_r-1<H_r，则发出调焦控制信息至调焦驱动组件，使光学相机像面沿与第r次移动方向相同的方向移动至下一位置；若H_r-1>H_r，则发出调焦控制信息至调焦驱动组件，使光学相机像面沿与第r次移动方向相反的方向移动至下一位置；通过不断的移动直至找到最大构形熵H_max所对应的光学相机像面所在位置，此时发出控制信息至锁定部件，锁定光学相机像面的位置。

所述的光学相机像面每次移动的距离作为调焦步长，调焦步长按照以下原则设定：初始调焦步长为调焦量范围内20～30倍的光学相机焦深，随后对光学相机像面移动的方向进行统计，若光学相机像面移动的方向没有改变，则光学相机像面下一次移动时的调焦步长保持与上一次移动时的调焦步长一致；若光学相机像面移动的方向发生了改变，则光学相机像面下一次移动时的调焦步长为上一次移动时的调焦步长的δ倍，0<δ<1。