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机载光电平台可见光摄像机自动调焦技术研究

赵志彬  
【摘要】:目前高性能的机载光电平台向着高空斜视、远距离目标侦察的方向快速发展,为了对远距离目标实现识别跟踪,某些机载光电平台的光学系统焦距已经达到了1000mm甚至更长。光学系统的长焦会导致小的焦深,由于环境条件(温度、大气压力)变化引起的镜头后截距变化很容易造成成像系统的离焦,引起分辨力的急剧下降,使得机载成像设备对目标的识别跟踪能力大大降低,因此实时精确的自动调焦技术在机载成像设备中的应用非常关键。本文针对机载成像设备光学成像的特点对基于图像处理的自动调焦方法在机载成像设备中的应用展开了一系列研究。 本文首先建立了光学成像系统离焦的数学模型,通过离焦的点扩散函数计算得到不同离焦程度的图像,从离焦图像的傅立叶变换频谱中计算得到对应的光学系统离焦的模糊圆,提出了两种离焦深度法(DFD)的实现方案。 其次,本文对对焦深度法中常用的对焦评价方法和自动调焦搜索方法进行了分析讨论。根据离焦会引起功率谱高频分量的损失,提出了两种对功率谱求和对焦评价算子(PSS)的改进,分别使对焦评价函数的饱和区特性和灵敏度得到改善。根据自然图像中斜边缘多于水平和垂直边缘的特点,提出了基于斜边缘检测的对焦评价算子(lean)。在不同类型的图像序列上对多种对焦评价算子的性能进行了仿真试验。 再次,本文建立了基于PC机的自动调焦试验系统,对多种对焦评价算子进行了试验比较,选取斜边缘检测算子和卷积算子分别作为自动调焦搜索算法粗搜索阶段和精搜索阶段的对焦评价算子。针对机载光电平台在作业过程中易受到环境干扰的问题,提出了局部全局搜索算法(LFS)和变步长的爬山搜索算法(CHS)。 最后,本文设计了以DM642和cyclone III FPGA为核心的嵌入式自动调焦控制系统,将LFS和CHS自动调焦算法在DM642 DSP上进行了移植,调焦准确度为95%以上,两种搜索算法的调焦时间分别为5s和4~7s。能够满足实际应用的需要,实现了自动调焦算法的工程化应用。


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