航空可见光变焦距镜头自动调焦系统研究

【类型】学位论文

【作者】王昊 

【关键词】 航空变焦距镜头 自动调焦 图像功率谱 滑模控制 永磁同步电机

【摘要】调焦系统是航空可见光变焦距镜头中不可缺少的组成部分,尤其在航空飞行过程中由于温度和气压的变化,飞行中产生的振动,飞行高度变化等因素影响,使得离焦现象经常发生,因此调焦系统能否正常有效的运行与变焦距镜头的成像质量有着极为密切的关系。调焦系统主要分为三个子系统:第一部分为光学成像系统,作用是对当前图像进行采集;第二部分是对焦评价系统,通过某种方法(如人工评价、图像处理方法、自准直方法等)对所采集的图像进行评价,判断系统离焦程度;第三部分为调焦控制系统,将之前得到的离焦量信息转化为系统的调节量,通过对调焦控制系统的精密控制使相应镜组到达合适的位置,最终完成调焦。目前变焦距镜头调焦系统主要采用凸轮机构来解决调焦镜组和补偿镜组之间的对应位置关系,但是由于航空变焦距镜头特殊的运行环境因素影响(温度,气压,飞行高度等),只靠单纯的凸轮结构不能满足实时成像清晰的要求,因此需要其他方法的介入来帮助系统调焦以达到成像清晰的目的。目前航空变焦距镜头的调焦方法可分为手动调焦和自动调焦,手动调焦需要操作人员凭视觉反馈进行对焦评价,调焦时间长,而且在捕捉运动目标时该方法不便使用,目前航空变焦距镜头调焦方法的趋势逐渐向自动调焦方面发展。目前主流的自动调焦方法之一是对焦深度法(Depth From Focus),该方法建立在一个搜寻的过程中,寻找最佳成像位置,但是该方法在实际应用中存在评价曲线多峰值等问题,而且不满足调焦的实时性要求。为了改进航空变焦距镜头自动调焦方法,提高自动调焦系统的工作效率,本文通过对现有方法的深入分析和总结,提出一种新型自动调焦方法,调焦时间相比传统方法短,无搜寻过程,实现了对调焦镜组的一次性定位。该方法从对图像一维功率谱的分析入手,经过对所采集的大量离焦图像进行分类并建立比对模板,再通过对实验总体样本的分析得到能够提取图像离焦程度信息的理想滤波函数。通过得到的滤波函数分析当前所获取的图像,得到结果与所建立模板进行比对得到当前离焦估计值。最后,把离焦量的估计结果,换算为调焦控制系统的位移量,驱动调焦电机移动相应位移完成调焦。实验结果表明:离焦量计算时间为0.4s,相比对焦深度法的4~8s调焦时间有了大幅度提高,而且离焦估计误差在系统焦深1/2范围内,符合高精度调焦的指标需求,是一种实时性较好的自动调焦方法。由于考虑到噪声和照度对调焦的影响,为了使自动调焦算法能够顺利完成调焦工作,本文在将采集图像进行离焦评价前进行去噪处理和低照度增强的处理。镜组调焦、平面反射镜调焦和像面移动调焦这三种调节方式为当前调焦系统所应用最为广泛的三种方法。其中镜组调焦方式通过移动相应镜组实现调焦;平面反射镜调焦方式是对系统中平面反射镜作出位置调节,多应用于反射系统;像面移动调焦方式是调整像面位置完成调焦,适用于像面较小的系统。本文中的所论述的自动调焦系统选取了镜组调焦方式中调节原本光学系统内部镜组的办法,在降低系统整体重量,提高航空设备空间利用效率的基础上,并与文中所研究的基于图像处理的调焦算法和程序控制调焦结构相配合,构成了一套完整的自动调焦系统。调焦控制系统方面,本文在传统光学成像系统自动调焦机构中,将凸轮的机械结构改为双直线电机作为替代,并通过对各类电机的力矩曲线和控制精度的分析进行电机选型,使得程序控制调焦结构在保证原有机械凸轮精度的同时,减小了整体结构的体积和重量。由于航空变焦距镜头工作环境恶劣,在飞机飞行中会遇到不同程度的干扰,本文研究了由伺服电机配合强鲁棒性控制算法的控制系统来解决环境等问题对调焦控制系统的造成的干扰。本文采用永磁同步电机作为程序控制调焦结构的核心组成部分,经过仿真实验可知当电机从静止跟踪600r/min设定转速时,系统无超调,稳态精度为2r/min;当电机以600r/min稳速运行时,加入1.6N?m的转矩扰动,转速最大波动为5r/min。仿真分析和实验结果验证了该控制方案在抗扰动性、鲁棒性和稳态性能方面的有效性,可以在航空变焦距镜头自动调焦系统的程序控制调焦结构中快速稳定的对相应镜组进行定位进而完成调焦,而且有着良好的抗扰能力,能够应对飞机飞行过程中环境变化等因素对调焦控制系统造成的影响。目前航空变焦距镜头自动调焦系统所需解决的关键问题主要存在于两方面:一方面是由于飞机在飞行中环境因素(温度、压强、距离等)的动态变化导致的离焦现象。如果使用传统基于传感器调焦的方式,系统对传感器各项指标要求高,而且由于传感器的加入使得系统设计复杂,占用较大的空间,不符合航空设备小型化轻量化发展方向;另一方面由镜头工作时飞机在高速飞行,景物变化快,要求其自动调焦系统有良好的实时性,能够快速准确的完成调焦工作。本文中针对以上两方面展开研究,通过对调焦电机算法的研究解决环境因素改变造成的系统参数扰动问题;本文运用图像处理的方法,首先对镜头采集图像进行预处理,进行去噪处理和低照度增强处理,然后通过研究一种快速准确的基于图像处理方法的自动调焦算法提高了调焦系统的实时性,而且无传感器等器件的加入,结构方面由双直线电机替代了机械凸轮结构,降低了系统的整体体积和质量,能够满足航空设备小型化轻量化的发展要求。

【学位名称】博士

【学位授予单位】中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)

【学位授予年度】2016

【导师姓名】张涛，刘晶红

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