航空相機圖像檢焦裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種航空相機圖像檢焦裝置及方法，屬于航空相機【技術(shù)領(lǐng)域】。解決了現(xiàn)有技術(shù)中航空相機的檢焦方法檢焦結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。本發(fā)明的裝置，包括電控箱、第一CMOS傳感器、CCD傳感器、第二CMOS傳感器、半反半透分光棱鏡、掃描反射鏡、相機光學(xué)系統(tǒng)和調(diào)焦反射鏡；電控箱包括相機控制器、CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、調(diào)焦控制器和反射鏡控制器；地面景物的像依次經(jīng)掃描反射鏡、相機的光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)焦反射鏡后，經(jīng)半反半透分光棱鏡分光，一部分光成像在第一CMOS傳感器上，另一部分光成像在第二CMOS傳感器上。該裝置用于航空相機檢焦，具有較高的檢焦精度。
【專利說明】航空相機圖像檢焦裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航空相機【技術(shù)領(lǐng)域】，具體設(shè)及一種航空相機圖像檢焦裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 航空相機在空中成像時，由于溫度、大氣壓力和照相距離的變化會造成CCD傳感 器離焦的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響圖像的清晰度和分辨率，長焦距相機尤其如此。所W要獲得高清晰 度的圖像，就需要相機在拍照前，進(jìn)行自動檢焦，使CCD傳感器在最佳焦面上?，F(xiàn)有技術(shù)中， 航空相機上常用的檢焦方法為光電自準(zhǔn)直式，采用在像面上放置一個光柵作為目標(biāo)，通過 光學(xué)系統(tǒng)成像后，再通過一個反射鏡將其反射回到像面上，使用光敏元件接收，通過接收到 的能量來判斷焦面。但是，該種方法是利用光敏元件進(jìn)行檢焦，屬于間接檢焦，光敏元件的 安裝位置、性能等都會影響圖像傳感器（CMO巧成像的效果，導(dǎo)致檢焦結(jié)果不準(zhǔn)確。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中航空相機的檢焦方法檢焦結(jié)果不準(zhǔn)確的技術(shù)問 題，提供一種航空相機圖像檢焦裝置及方法。
[0004] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案如下。
[0005] 航空相機圖像檢焦裝置，包括電控箱、第一 CMOS傳感器、第二CMOS傳感器、半反半 透分光棱鏡、掃描反射鏡、相機光學(xué)系統(tǒng)和調(diào)焦反射鏡；
[0006] 所述電控箱包括相機控制器、CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、調(diào)焦控制器和反射鏡控制 器；
[0007] 地面景物的像依次經(jīng)掃描反射鏡、相機光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)焦反射鏡后，經(jīng)半反半透分光 棱鏡分光，透射光成像在第一 CMOS傳感器上，反射光成像在第二CMOS傳感器上，所述第一 CMOS傳感器和第二CMOS傳感器分別位于CCD傳感器焦平面的兩側(cè)，且第一 CMOS傳感器所 在平面到CCD傳感器焦平面的距離與第二CMOS傳感器的等光程像面所在平面到CCD傳感 器焦平面的距離相等，均為CCD傳感器焦平面焦深的2-4倍；
[000引所述相機控制器對CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、調(diào)焦控制器和反射鏡控制器發(fā)出檢 焦指令；
[0009] 所述反射鏡控制器控制掃描反射鏡的工作狀態(tài)并將工作狀態(tài)發(fā)送給調(diào)焦控制 器；
[0010] 所述調(diào)焦控制器控制調(diào)焦反射鏡移動并對CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出拍照指 令，接收并分析CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)返回的數(shù)值；
[0011] 所述CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制第一 CMOS傳感器和第二CMOS傳感器對地面景 物分別成像，并將圖像分別通過調(diào)焦評價函數(shù)處理后得到的數(shù)值發(fā)送給調(diào)焦控制器。
[0012] 進(jìn)一步的，所述調(diào)焦評價函數(shù)為梯度微分平方函數(shù)。
[0013] 采用上述航空相機圖像檢焦裝置的檢焦方法，包括W下步驟：
[0014] 步驟一、相機控制器對CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、調(diào)焦控制器和反射鏡控制器發(fā)出 檢焦指令；
[0015] 步驟二、反射鏡控制器控制掃描反射鏡在前向像移補償工作狀態(tài)，并將掃描反射 鏡的工作狀態(tài)發(fā)送給調(diào)焦控制器；
[0016] 步驟=、調(diào)焦控制器驅(qū)動調(diào)焦反射鏡到一個檢焦位置，在接收到反射鏡控制器處 于前向像移補償工作狀態(tài)時，發(fā)送拍照指令給CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；
[0017] 步驟四、CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收拍照指令后，控制第一 CMOS傳感器和第二 CMOS傳感器對地面景物分別成像，并將圖像分別通過調(diào)焦評價函數(shù)處理后得到的數(shù)值發(fā)送 給調(diào)焦控制器；
[0018] 步驟五、調(diào)焦控制器計算兩個數(shù)值的差值，當(dāng)理論差值不為零時，重復(fù)步驟=-步 驟五；當(dāng)理論差值為零時，調(diào)焦控制器將檢焦結(jié)束參數(shù)發(fā)送給相機控制器；
[0019] 步驟六、相機控制器接收檢焦結(jié)束參數(shù)，停止發(fā)送檢焦指令，結(jié)束檢焦。
[0020] 進(jìn)一步的，所述步驟五中，當(dāng)理論差值不為零時，調(diào)焦控制器驅(qū)動調(diào)焦反射鏡向差 值減小的方向移動。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：
[0022] 1、本發(fā)明的航空相機圖像檢焦裝置采用兩個單獨的CMOS傳感器，能夠適應(yīng)面陣 相機和線陣相機的不同工作方式；采用半反半透分光棱鏡，并且兩個CMOS傳感器放在不同 的焦面位置上，在航空相機的成像目標(biāo)的不斷變化的情況下，也能確保兩個CMOS傳感器所 成的像對應(yīng)的是同一目標(biāo)，且采用調(diào)焦評價函數(shù)進(jìn)行圖像的分析，大大降低了檢焦時對航 空相機的姿態(tài)控制精度要求；
[0023] 2、本發(fā)明的航空相機圖像檢焦方法能夠精確調(diào)焦，操作簡單。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明的航空相機圖像檢焦裝置的檢焦原理示意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明的航空相機圖像檢焦裝置的電控箱的工作原理圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明的航空相機圖像檢焦裝置的焦面位置與調(diào)焦評價函數(shù)數(shù)值的關(guān)系；
[0027] 圖中，1、電控箱，1-1、相機控制器，1-2XM0S圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，1-3、調(diào)焦控制器， 1-4、反射鏡控制器，2、第一 CMOS傳感器，3、CCD傳感器，4、第二CMOS傳感器，5、半反半透分 光棱鏡，6、掃描反射鏡，7、相機光學(xué)系統(tǒng)，8、調(diào)焦反射鏡。

【具體實施方式】
[002引 W下結(jié)合附圖1-3進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0029] 航空相機圖像檢焦裝置，主要包括電控箱1、第一 CMOS傳感器2、CCD傳感器3、第 二CMOS傳感器4、半反半透分光棱鏡5、掃描反射鏡6、相機光學(xué)系統(tǒng)7和調(diào)焦反射鏡8,其 中，電控箱1主要包括相機控制器1-1、CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1-2、調(diào)焦控制器1-3和反 射鏡控制器1-4。
[0030] 該裝置中的光路走向是；地面景物的像依次經(jīng)掃描反射鏡6、相機光學(xué)系統(tǒng)7、調(diào) 焦反射鏡8后，經(jīng)半反半透分光棱鏡5分光，透射光成像在第一 CMOS傳感器2上，反射光成 像在第二CMOS傳感器4上。其中，第一 CMOS傳感器2和第二CMOS傳感器4分別位于CCD 傳感器3焦平面的兩側(cè)，第一 CMOS傳感器2位于到CCD傳感器3焦平面2-4倍焦深的平面 上，第二CMOS傳感器4的等光程像面位于到CCD傳感器3焦平面2-4倍焦深的平面上，且 第一 CMOS傳感器2所在平面到CCD傳感器3焦平面的距離與第二CMOS傳感器4的等光程 像面所在平面到CCD傳感器3焦平面的距離相等。如，第一 CMOS傳感器2位于CCD傳感器 3的焦平面后2倍焦深的平面上，半反半透分光棱鏡5設(shè)置在第一 CMOS傳感器2的前方，第 二CMOS傳感器4設(shè)置在半反半透分光棱鏡5的左側(cè)，第二CMOS傳感器4在等光程像面上 位于到CCD傳感器3的焦平面前2倍焦深的平面上；本發(fā)明定義光先通過方向為前，后通過 的方向為后。
[0031] 電控箱1中，相機控制器1-1對CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1-2、調(diào)焦控制器1-3和反 射鏡控制器1-4統(tǒng)一發(fā)出檢焦指令。本實施方式的相機控制器1-1可W選用美國德州儀器 公司（TI)的數(shù)字信號處理器（TMS32(F281-2)作為主控制器，它具有高速運算能力和面向 電機的高效控制能力，其特點為；150MHz工作頻率、32位數(shù)據(jù)線、ISkRAM、128kFLA甜、16通 道PWM、3個定時器、2個全雙工SCI串口；選用DS26C31和DS26C32作為RS-422串行通訊接 口巧片，相機控制器1-1與調(diào)焦控制器1-3、反射鏡控制器1-4、CMOS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1-2進(jìn) 行串口通訊。
[0032] 電控箱1中，反射鏡控制器1-4在接收到相機控制器1-1發(fā)來的的檢焦指令后，控 制掃描反射鏡6在前向像移補償工作狀態(tài)，確保地面景物相對相機靜止，并將工作狀態(tài)反 饋給調(diào)焦控制器1-3,掃描反射鏡6的工作狀態(tài)分為前向像移補償狀態(tài)和返程狀態(tài)，返程狀 態(tài)時第一 CMOS傳感器2和第二CMOS傳感器4不能成像。本實施方式中，反射鏡控制器1-4 同樣選用美國德州儀器公司（TI)的TMS32(F281-2作為主控制器，選用DS26C31和DS26C32 作為RS-422串行通訊接口巧片，反射鏡控制器1-4與相機控制器1-1和調(diào)焦控制器1-3進(jìn) 行串口通訊。
[003引電控箱1中，調(diào)焦控制器1-3在接收到相機控制器1-1發(fā)來的檢焦指令后，驅(qū)動調(diào) 焦反射鏡8到一個檢焦位置，在接收到反射鏡控制器1-4發(fā)送的掃描反射鏡6的工作狀態(tài) 為前向像移補償狀態(tài)時，發(fā)送拍照指令給CMOS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1-2,然后接收CMOS數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)1-2返回的第一 CMOS傳感器2和第二CMOS傳感器4所成圖像的調(diào)焦評價函數(shù)的數(shù)值， 并對該兩個數(shù)值進(jìn)行分析，判斷檢焦是否結(jié)束，如未結(jié)束，則根據(jù)分析結(jié)果驅(qū)動調(diào)焦反射鏡 8到另一個檢焦位置，如結(jié)束，則將檢焦結(jié)束參數(shù)傳給相機控制器1-1。該分析指計算第一 CMOS傳感器2和第二CMOS傳感器4分別對應(yīng)的調(diào)焦評價函數(shù)的數(shù)值的差值，差值的理論值 不為零，調(diào)焦控制器1-3控制調(diào)焦反射鏡8向差值減小的方向移動；差值的理論值為零，調(diào) 焦反射鏡8將檢焦結(jié)束參數(shù)傳給相機控制器1-1。本實施方式中，調(diào)焦控制器1-1同樣選 用美國德州儀器公司（TI)的TMS32(F281-2作為主控制器，選用DS26C31和DS26C32作為 RS-422串行通訊接口巧片，調(diào)焦控制器1-3與相機控制器1-1、CMOS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1-2進(jìn) 行串口通訊。
[0034] 電控箱1中，CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1-2接收相機控制器1-1發(fā)送的檢焦成像指 令后，根據(jù)調(diào)焦控制器1-3的拍照指令控制第一 CMOS傳感器2和第二CMOS傳感器4對地 面景物分別成像，并將圖像分別通過調(diào)焦評價函數(shù)處理后得到的數(shù)值（該數(shù)值指圖像微分 平方和）發(fā)送給調(diào)焦控制器1-3。本實施方式中，CMOS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1-2同樣選用美國德 州儀器公司（TI)的TMS320F281-2作為主控制器，選用DS26C31和DS26C32作為RS-422串 行通訊接口巧片，CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1-2與相機控制器1-1、調(diào)焦控制器1-3進(jìn)行串口 通訊。
[0035] 本實施方式中，調(diào)焦評價函數(shù)為圖像灰度的梯度微分平方函數(shù)。
[0036] 一幅圖像越模糊，圖像中灰度變化率越小。梯度微分平方函數(shù)可W用來表示圖像 灰度的變化率。對f(x，y)鄰近點的灰度作微分平方運算，提取該點變化大小，得出圖像灰 度梯度微分平方算子。
[0037] 對于圖像序列的第k幅圖像，在圖像窗口 W內(nèi)的灰度梯度微分平方和為E，E的值 反映了圖像序列中第k幅圖像在圖像窗口 W內(nèi)的灰度變化率大小。
[003引它的表達(dá)式是；
[0039]

【權(quán)利要求】
1. 航空相機圖像檢焦裝置，其特征在于，包括電控箱（1)、第一 CMOS傳感器（2)、第二 CMOS傳感器（4)、半反半透分光棱鏡（5)、掃描反射鏡（6)、相機光學(xué)系統(tǒng)（7)和調(diào)焦反射鏡 (8)； 所述電控箱（1)包括相機控制器（1-1)、CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（1-2)、調(diào)焦控制器 (1-3)和反射鏡控制器（1-4); 地面景物的像依次經(jīng)掃描反射鏡（6)、相機光學(xué)系統(tǒng)（7)、調(diào)焦反射鏡（8)后，經(jīng)半反半 透分光棱鏡（5)分光，透射光成像在第一 CMOS傳感器（2)上，反射光成像在第二CMOS傳感 器⑷上，所述第一 CMOS傳感器⑵和第二CMOS傳感器⑷分別位于C⑶傳感器⑶焦 平面的兩側(cè)，且第一 CMOS傳感器（2)所在平面到(XD傳感器（3)焦平面的距離與第二CMOS 傳感器（4)的等光程像面所在平面到CCD傳感器（3)焦平面的距離相等，均為CCD傳感器 (3)焦平面焦深的2-4倍； 所述相機控制器（1-1)對CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（1-2)、調(diào)焦控制器（1-3)和反射鏡 控制器（1-4)發(fā)出檢焦指令； 所述反射鏡控制器（1-4)控制掃描反射鏡（6)的工作狀態(tài)并將工作狀態(tài)發(fā)送給調(diào)焦控 制器（1-3); 所述調(diào)焦控制器（1-3)控制調(diào)焦反射鏡（8)移動并對CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（1-2) 發(fā)出拍照指令，接收并分析CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（1-2)返回的數(shù)值； 所述CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（1-2)控制第一 CMOS傳感器（2)和第二CMOS傳感器（4) 對地面景物分別成像，并將圖像分別通過調(diào)焦評價函數(shù)處理后得到的數(shù)值發(fā)送給調(diào)焦控制 器（1-3)〇
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空相機圖像檢焦裝置，其特征在于，所述調(diào)焦評價函數(shù)為 梯度微分平方函數(shù)。
3. 采用權(quán)利要求1-2任何一項所述的航空相機圖像檢焦裝置的檢焦方法，其特征在 于，包括以下步驟： 步驟一、相機控制器（1-1)對CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（1-2)、調(diào)焦控制器（1-3)和反射 鏡控制器（1-4)發(fā)出檢焦指令； 步驟二、反射鏡控制器（1-4)控制掃描反射鏡（6)在前向像移補償工作狀態(tài)，并將掃描 反射鏡（6)的工作狀態(tài)發(fā)送給調(diào)焦控制器（1-3); 步驟三、調(diào)焦控制器（1-3)驅(qū)動調(diào)焦反射鏡（8)到一個檢焦位置，在接收到反射鏡控制 器（1-4)處于前向像移補償工作狀態(tài)時，發(fā)送拍照指令給CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（1-2); 步驟四、CMOS圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（1-2)接收拍照指令后，控制第一 CMOS傳感器（2)和 第二CMOS傳感器（4)對地面景物分別成像，并將圖像分別通過調(diào)焦評價函數(shù)處理后得到的 數(shù)值發(fā)送給調(diào)焦控制器（1-3); 步驟五、調(diào)焦控制器（1-3)計算兩個數(shù)值的差值，當(dāng)理論差值不為零時，重復(fù)步驟 三-步驟五；當(dāng)理論差值為零時，調(diào)焦控制器（1-3)將檢焦結(jié)束參數(shù)發(fā)送給相機控制器 (1_1); 步驟六、相機控制器（1-1)接收檢焦結(jié)束參數(shù)，停止發(fā)送檢焦指令，結(jié)束檢焦。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的航空相機圖像檢焦方法，其特征在于，所述步驟五中，當(dāng)理論 差值不為零時，調(diào)焦控制器（1-3)驅(qū)動調(diào)焦反射鏡（8)向差值減小的方向移動。
【文檔編號】H04N5/232GK104486550SQ201410837723
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】陳志超, 董斌 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所