非制冷红外热像仪连续变焦及快速自动聚焦电路及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于红外成像及红外运动控制领域，根据红外图像及连续变焦凸轮曲线， 实现对连续变焦红外热像仪精确变焦控制及任意位置自动聚焦控制，适用于红外搜救、跟 踪、监控及安防系统，特别涉及一种非制冷红外热像仪连续变焦及快速自动聚焦电路及方 法。
【背景技术】
[0002] 对于监控、安防系统，首先需要快速大范围搜索并发现目标，然后才能对目标进行 放大，跟踪、监控。当采用单镜头时，由于视场固定，如果采用大视场镜头，有利于目标的搜 索但不利于对目标进行放大、跟踪和监控。采用小视场镜头，则不利于目标的搜索。如果 采用双视场和三视场镜头，从大视场切换到小视场时，由于不能实时监控，容易丢失目标。 而采用连续变焦红外镜头的红外热像仪有着无与伦比的优势，当需要搜索目标时，采用大 视场方式，便于大范围内快速发现目标，当发现目标后，根据目标的特征，可以快速调整到 合适的视场大小，而且在视场调整时，红外热像仪图像能一直保持清晰，实现对目标实时监 控，不会因为视场的切换而丢失目标。
[0003] 然而实际的连续变焦镜头不可能保持变焦范围内所有的点都齐焦，影响连续变焦 红外镜头齐焦性主要有以下三个方面的，第一：由于受零、部件（特别是变焦凸轮曲线）加 工误差，以及红外连续变焦镜头装配误差的影响，连续变焦红外镜头的齐焦性一直很不稳 定，很难保证连续变焦镜头在焦距范围内的任何位置图像一直都保持清晰；第二：由于红 外光学材料折射率温度系数dn/dT较大，比可见光光学材料折射率的温度系数大一个数量 级以上，因此，在不同环境温度下，红外镜片的曲率、厚度及相对位置都会发生变化，从而使 连续变焦红外热像仪的齐焦性更加劣化。由于装配调试通常在室温条件下进行，当某个镜 头装调完成后，在室温时齐焦性尚能满足要求，但在其它温度条件下，不同的变焦位置成像 时，目标离焦情况千差万别，很难通过某些固定的补偿方式进行修正。第三：由于红外热像 仪接收目标的红外辐射，在某一个环境温度下，工作一段时间后，红外镜头的温度会缓慢升 高，此时，也会导致红外镜头的齐焦性发生变化，特别是当红外镜头的焦距较大时，目标离 焦及像差会更加明显。使用红外热像仪经常会发现，在对某个目标连续监控一段时间后，红 外视频会越来越模糊。采用电动调焦时，很难快速将视频图像调节到最佳状态，特别是在视 场转换后，在用户进行电动调焦的过程中，目标可能消失在视场之外，因此严重影响用户对 目标的监视及跟踪。
[0004] 由于连续变焦凸轮是一个不规则的曲线，很难根据目标特征精确调整视场大小并 反馈当前视场大小的值，采用传统方式反馈的视场精度也无法满足目标跟踪使用要求。
[0005] 此外，非制冷红外热像仪像元点灰度值波动范围较大，在相同的环境温度，对同一 个目标进行观测时，每个像元点的变化量在〇~7之间，因此采用基于图像的梯度的自动聚 焦算法很难将聚焦的精度提高到98%以上。由于环境的湿度及目标距离的影响，根据图像 的灰度值也难以判定目标的离焦程度，如果采用相同的聚焦步长时，会导致聚焦的速度及 精度达不到使用的要求。因此，制约了自动聚焦技术在非制冷红外热像仪上的应用。
【发明内容】
[0006] 本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种采用线性分段拟合方 式，精确模拟出变焦凸轮曲线；自动聚焦采用模糊控制与Tenengrad评价函数相结合的方 式，通过自适应聚焦步长，快速准确地实现目标聚焦的非制冷红外热像仪连续变焦及快速 自动聚焦电路及方法。
[0007] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的： 一种非制冷红外热像仪连续变焦及快速自动聚焦电路，其特征在于，包括：供电电路、 数据采集电路、主控系统电路、电机驱动电路、位置反馈电路、串口控制电路，其中： 所述供电电路包括：开关电源，与开关电源相连的低压差线性稳压器LDO ; 所述数据采集电路包括：数字视频接口以及FIFO存储器； 所述主控系统电路包括：主控制芯片MCU，数字信号处理芯片DSP，与所述数字信号处 理芯片DSP相连的用于存储程序的串口 FLASH ; 所述电机驱动电路包括：变焦电机驱动，与变焦电机驱动相连的聚焦电机驱动，与聚焦 电机驱动相连的电机驱动，所述电机驱动为H桥驱动； 所述位置反馈电路包括：采用同一个基准源供电的线性电位器和采样ADC ; 所述串口控制电路包括：用于与上位机系统通信的上行串口，用于与数字板通信的数 据字板通信串口； 所述主控制芯片MCU分别与数字信号处理芯片DSP、数据字板通信串口相互通信，所 述主控制芯片MCU的信号输出端与变焦电机驱动的驱动信号输入端相连，所述主控制芯片 MCU的信号输入端与电机驱动以及线性电位器的接口相连；所述低压差线性稳压器LDO分 别与数字信号处理芯片DSP和FIFO存储器的电源输入端相连；所述数字视频接口的输出端 分别与FIFO存储器和开关电源输入端相连。
[0008] 由于变焦电机与聚焦电机分开，其中变焦电机由电位器反馈，而聚焦电机由视频 图像反馈，极限位置由限位开关反馈；原图在该处做了简化，所以画在一个框图内； 在上述的一种非制冷红外热像仪连续变焦及快速自动聚焦电路，其特征在于，所述开 关电源输入的电压范围达为6V~24V，所述低压差线性稳压器LDO调整压差为0.4V~ 0. 7V〇
[0009] -种非制冷红外热像仪连续变焦及快速自动聚焦方法，包括： 连续变焦控制步骤，利用若干特定点变焦凸轮曲线，便于精确拟合凸轮曲线；采用分段 方式精确拟合变焦凸轮曲线，利用该变焦凸轮曲线精确控制变焦及反馈视场值；其中，光 学系统变焦透镜组的移动轨迹，当透镜组在光路中遵循该曲线移动时，光学系统的焦距发 生改变，同时像面保持稳定不动，而特定的点则是该变焦凸轮曲线中的离散点，选取曲线在 设定范围内变化大的离散点即特定点； 自动聚焦控制步骤，在不同的离焦位置选择合适的聚焦步长，驱动电机进行自动聚焦。
[0010] 在上述的一种非制冷红外热像仪连续变焦及快速自动聚焦方法，所述续变焦控制 步骤包括： 凸轮曲线拟合子步骤：设置若干特定点，根据连续变焦红外镜头的变焦范围，通过分段 直线拟合方式，精确拟合变焦凸轮曲线； 变焦位置反馈子步骤，采用电位器进行变焦位置反馈； 焦距视场调整子步骤，根据拟合得到的变焦凸轮曲线以及电位器反馈得到的电位器 值，采用变焦凸轮曲线与电位器值一一对应的关系，精确控制变焦及反馈视场值。
[0011] 在上述的一种非制冷红外热像仪连续变焦及快速自动聚焦方法，所述自动聚焦控 制步骤包括： 边缘能量计算子步骤，利用基于Sobel梯度算子的视频图像Tenengrad评价函数计算 边缘能量值Jff33r -A ; 聚焦方向判断子步骤，驱动电机正转并计算新的边缘能量值& -B，根据边缘能量值 jffST _A和边缘能量值jffST _B判断相机聚焦方向是否正确（怎么判断)，当Fsh3大于F ST_A时一 个步距值时，聚焦方向正确，当Fst_b小于Fst_a-个步距值时，聚焦方向相反，当F st_b等于Fst_a (也就是值的变化小于步距，则处在远离焦的位置上，或者视场中没有目标，只有背景，一直 按该方向驱动电机，如果碰到限位开关，则反向，或者走1. 5分钟(根据调焦全程需要的时 间来设定)匕^与？^3差没有大过步距的值时，则反向，如果反向再次碰到限位开关，则表明 视场中没有视频，停止调焦）若聚焦方向错误，则电机转向； 模糊逻辑判断子步骤，计算当前视场的边缘能量值FST并对其进行分段模糊化， 将模糊化结果与d(FST)/dt值组成一个加权矩阵，STvl表示FST值大，STvs表示表示 FST值小；其中，加权矩阵是根据不同的红外探测器的响应率给出的一个经验值，对于 UL03262，UL03362,