一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法
【专利摘要】本发明公开了一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法。当相机光学系统离焦超过一定程度时，相机所成的图像频域存在零点。根据离焦后的相机图像，在频域可以寻找出零点位置。当已知频域零点位置时，根据该零点的位置计算出离焦引起的点扩散函数的半径并估计最佳焦面位置，再根据不同焦面位置所成的图像清晰度来判断调焦方向，即可确定最佳焦面位置；当图像频域没有零点时，此时已处于最佳焦面位置附近，计算其附近焦面图像清晰度来判断调焦方向，确定最佳焦面位置。本发明保证了在轨调焦的高精度和高效性，提高光学遥感器在轨成像性能和图像质量。
【专利说明】
一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法，属于航天光学 遥感技术领域。
【背景技术】
[0002] 相机离焦是影响卫星成像质量的重要因素，卫星发射后必须重新检查相机的焦面 位置，必要时对相机进行在轨调焦。因此，为了提升卫星的在轨成像质量，需要开展相机的 在轨调焦方法及其调焦效果的判定方法研究。
[0003] 目前，国内遥感相机均采用移动焦面的调焦方式，国外相机除采用该方式外，还采 用了其他方式，如SPOT-1，SPOT-4，SP0T-5采用了双相机对比调焦方式。因此，首先需要结合 不同的相机，研究合适的调焦方式。
[0004] 对于地球静止轨道的凝视型相机，可以采用对同一目标进行多个焦面位置成像的 调焦方法。根据同一目标不同焦面位置的图像，通过对比方法判定调焦效果和调焦量。通过 对图像或图像中的部分区域进行模糊程度分析，得出图像质量的评价函数值或离焦参量， 并根据处理分析所得的数据控制和驱动镜头调焦，最终获取准确对焦的图像，其关键在于 图像清晰度评价算法的选取。目前已有的评价函数通常是在摄影目标不变的情况下得出 的，对于场景的依赖性较强，仅能同一场景的不同成像质量图像之间做出评价，例如梯度函 数、熵函数等。
[0005] 对于以推扫方式成像的线阵CCD相机，连续拍摄的两幅图像之间没有相同的部分， 场景的变化导致常用调焦算法失效，一般只能采用主客观评价相结合的方式，验证是否当 前焦面位置所成图像相对清晰程度最高。对主观评价结果的强依赖性导致了主客观结合调 焦方法的稳定性差。因此，目前急需一种适合应用于星载可见光遥感相机的在轨调焦方法。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种对地观测星载可见 光传输型相机的在轨调焦方法，可以在相机在轨调试阶段，根据图像计算相机离焦量和离 焦方向，快速判断相机最佳焦面位置，解决了调焦所需的清晰度评价算法的场景依赖性。
[0007] 本发明的技术方案是:一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法，步 骤如下：
[0008] 1)确认相机在轨成像参数调整到位，并获取相机的中心波长、相对孔径、调焦步 距、调焦放大倍数、像元尺寸、调焦范围；
[0009] 2)根据步骤1)得到的中心波长λ、相对孔径的倒数F、调焦步距1、调焦放大倍数n， 计算相机半焦深A和一个焦深对应的调焦步数L;
[0010] 3)以初始焦面位置PQ为基准，对相机进行步数为2L的粗调焦，获取绝对焦面位置 在P〇+4L、P〇+2L、PQ - 2L、PQ-4L、PQ的五组图像;调焦执行后，焦面回到初始焦面位置P〇; [0011] 4)确认图像是否满足分析使用要求，即要求图像具有城镇、农田、树林等地物目标 且云盖率〈20%，若不满足，则重复步骤3);若满足，则跳至步骤5);
[0012] 5)分别对步骤3)得到的五个焦面位置的图像进行预处理，采用目标场景自动筛选 算法Function 1，以行、列像元数分别为Μ、N的窗口 w(X，y)对步骤4)中五个焦面图像中心视 场进行检测，分别获取每幅图像中Functionl计算结果最大的w(x，y)作为目标区域;结合调 焦软件的离焦评价算法Function〗计算五个焦面位置w(x，y)的频域零点fo,从而得到这五 个焦面位置与最佳焦面位置的理论偏差S，分别记为So+2，So+1，So-1，So-2，So;
[0013] 6)根据偏差计算结果确定调焦步数及调焦方向，通过步骤5)获得的五个焦面位置 与最佳焦面位置的理论偏差S确定理论最佳焦面位置，记为Pi，将当前相机焦面调整至丹；
[0014] 7)以位置Pi为基准，对相机进行步数为L的调焦，获取绝对焦面位置在PdUPi" L、Pi的三幅图像;调焦执行后，当前相机焦面回到位置P1;
[0015] 8)确认图像是否满足分析使用要求，若不满足，则重复步骤7);若满足，则跳至步 骤9);
[0016] 9)采用目标场景自动筛选算法Functionl，以行、列像元数分别为M、N的窗口 w(x, y)对步骤7)三个焦面图像中心视场进行检测，分别获取每幅图像中Functionl计算结果最 大的w(x，y)作为目标区域;结合调焦软件的清晰度评价算法Function3计算三个焦面位置w (x，y)的清晰度，并比较计算所得清晰度大小，将当前相机焦面调整至所成图像最清晰所对 应的焦面位置，记为P2;
[0017] 10)根据步骤2)-个焦深对应的调焦步数L计算精调焦步数L1;
[0018] 11)以焦面p2为基准，对相机进行步数为。的精调焦，获取绝对焦面位置在P2+2U、 P2+L!、P 2 - L!、P2 - 2L!、P2的五组图像;调焦执行后，当前相机焦面回到位置P2;
[0019] 12)确认图像是否满足分析使用要求，若不满足，则重复步骤11);若满足，则跳至 步骤13);
[0020 ] 13)采用目标场景自动筛选算法Func t i on 1，以行、列像元数分别为Μ、N的窗口 w (X， y)对步骤11)五个焦面图像中心视场进行检测，分别获取每幅图像中Functionl计算结果最 大的w(x，y)作为目标区域;结合调焦软件的清晰度评价算法Function3计算五个焦面位置w (x，y)的清晰度，并比较计算所得清晰度大小，清晰度最大的图像所对应的焦面位置为最佳 焦面位置P 3;
[0021] 14)将相机的焦面位置调整至最佳焦面位置P3,完成在轨调焦。
[0022] 步骤2)所述的相机半焦深△的表达式为：
[0023] 2Δ =4AF2〇
[0024] 步骤2)所述的一个焦深对应的调焦步数L的表达式为：
[0026]步骤10)精调焦步数U的表达式为：
[0028]其中，L为一个焦深对应的调焦步数。
[0029]所述的目标场景自动筛选算法Functionl的表达式为：
[0030] Functionl = fi Χ?2；
[0031 ]其中，f#Pf2分别为图像w(x，y)的平均灰度梯度和边缘占全图的比例，其表达式分 别为：
[0034] 其中，M、N为图像w(x，y)的行、列像元数，*表示卷积运算。
[0035] 所述的离焦评价算法Function〗的表达式为：
[0037]其中，F(v，u)为w(i，j)的傅里叶变换，其表达式为：
[0039] 其中，M、N为图像w(x，y)的行、列像元数，C0F为F(v，u)2的最大值。
[0040] 步骤5)中所述粗调焦时五个焦面与最佳焦面的理论偏差S的表达式为：
[0042] 其中，d为像元尺寸，η为放大倍数，f〇为Function2出现第一个极小值时对应的频 率值。
[0043] 所述的清晰度评价算法Function3的表达式为：
[0044] Function3 = (μχ X edgex+yy X edgey )/2 ；
[0045] 其中，edgex和edgey分别为行、列方向的平均边缘宽度，μ4Ρμγ为行、列方向边缘宽 度的权值，其表达式分别为：
[0052]其中，Μ、N为图像w (x，y)的行、列像元数，*表示卷积运算。
[0053]本发明的有益效果：
[0054] (1)本发明的在轨调焦方法准确度高，缩短调焦周期，满足正常成像，侧摆成像等 不同成像模式；
[0055] (2)本发明提出的清晰度评价算法弱化了主观评价的不确定性，客观性强，提高了 方法的稳定性；
[0056] (3)本发明的在轨调焦速度满足在轨测试需求，具备在轨测试阶段的实时性调整 功能，适应多种成像条件；
[0057] (4)步骤5)、9)、13)通过目标自动筛选算法可以自动选出若干个符合调焦要求的 地物目标区域并计算判读结果，加快了调焦速度。
【附图说明】
[0058]图1为一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法流程图；
【具体实施方式】
[0059] 表1为相机调焦所需参数；
[0060] 如图1所示，本发明的实现过程为：
[0061] 1)确认相机在轨成像参数调整到位，并获取相机的中心波长、相对孔径、调焦步 距、调焦放大倍数、像元尺寸、调焦范围等参数，如表1所示；
[0062] 表 1
[0064] 2)根据步骤1)得到的中心波长λ、相对孔径的倒数F、调焦步距1、调焦放大倍数n， 计算相机半焦深A和一个焦深对应的调焦步数L，具体计算公式为：
[0065] 2Δ =4AF2；
[0067] 式中，△为半焦深，单位为Μ?;λ为中心波长，单位为ym;F为相机相对孔径的倒数;L 为一个焦深对应的调焦步数;1为调焦步距，单位为ym; η为调焦放大倍数；
[0068] 3)以初始焦面位置Ρο为基准，对相机进行步数为2L的粗调焦，获取绝对焦面位置 在Po+4L、Po+2L、Ρο - 2L、Ρο-4L、Ρο的五组图像;调焦执行后，焦面回到初始焦面位置Ρο;
[0069] 4)确认图像是否满足分析使用要求，即要求图像具有城镇、农田、树林等地物目标 且云盖率〈20%，若不满足，则重复步骤3);若满足，则跳至步骤5);
[0070] 5)分别对步骤3)得到的五个焦面位置的图像进行预处理，采用场景自动筛选算法 Func t i on 1以行、列像元数分别为Μ、Ν的窗口 w (X，y)对步骤4)中五个焦面图像中心视场进行 检测，分别获取每幅图像中Functionl计算结果最大的w(x，y)作为目标区域。结合调焦软件 的离焦评价算法Function〗计算五个焦面位置w(x，y)的频域零点f〇,从而得到这五个焦面 位置与最佳焦面位置的理论偏差S，分别记为So+2，So+i，So-i，S〇-2，So;
[0071 ]目标场景自动筛选算法Functionl获得的方法步骤具体如下：
[0072] a)用w(i, j)表示一幅MXN的检测窗口；
[0073] b)设计一个可获取调焦所需目标场景的自动筛选算法Functionl，其表达式为：
[0074] Functionl = fi Χ?2；
[0075] 其中，f#Pf2分别为图像w(x，y)的平均灰度梯度和边缘占全图的比例，其表达式分 别为：
[0078] 其中，M、N为图像w(x，y)的行、列像元数，*表示卷积运算。
[0079] 对离焦评价算法Function〗获得的方法步骤具体如下：
[0080] a)用w(i，j)表不一幅MXN的调焦目标场景图像；
[0081 ] b)设个获取频域零点的评价算法Function2，Function2为归一化的相对功率 谱函数，其表达式为：
[0083]其中，F(v，u)为w(i，j)的傅里叶变换，其表达式为：
[0085] 其中，M、N为图像w(x，y)的行、列像元数，C0F为F(v，u)2的最大值。
[0086] 6)根据偏差计算结果确定调焦步数及调焦方向，通过步骤5)获得的五个焦面位置 与最佳焦面位置的理论偏差S确定理论最佳焦面位置，记为Pi，将当前相机焦面调整至Pi;
[0087] 7)以位置Pi为基准，对相机进行步数为L的调焦，获取绝对焦面位置- P!的三幅图像;调焦执行后，当前相机焦面回到位置p1;
[0088] 8)确认图像是否满足分析使用要求，若不满足，则重复步骤7);若满足，则跳至步 骤9);
[0089] 9)采用目标场景自动筛选算法Functionl以行、列像元数分别为M、N的窗口 w(x，y) 对步骤7)三个焦面图像中心视场进行检测，分别获取每幅图像中Functionl计算结果最大 的w(x，y)作为目标区域。结合调焦软件的清晰度评价算法Function3计算三个焦面位置w (x，y)的清晰度，并比较计算所得清晰度大小，将当前相机焦面调整至所成图像最清晰所对 应的焦面位置，记为P2;
[0090] 对清晰度评价算法Function3获得的方法步骤具体如下：
[0091 ] a)用w(i，j)表不一幅M*N的调焦目标场景图像；
[0092] b)设计一个获取图像边缘宽度的评价函数Functi〇n3作为精调焦清晰度评价算 法，其表达式为：
[0093] Function3 = (μχ X edgex+yy X edgey )/2 ；
[0094]其中，edgex和edgey分别为行、列方向的平均边缘宽度，μ χ和μγ为行、列方向边缘宽 度的权值，其表达式分别为：
[0101] 其中，Μ、Ν为图像w (X，y)的行、列像元数，*表示卷积运算。
[0102] 10)根据步骤2)-个焦深对应的调焦步数L计算精调焦步数1^，具体计算公式为：
[0104] 其中，L为一个焦深对应的调焦步数。
[0105] 11)以粗调焦最佳焦面P2为基准，对相机进行步数为。的精调焦，获取绝对焦面位 置在P 2+2Li、P2+Li、P2 - Li、P2 - 2U、P2的五组图像;调焦执行后，当前相机焦面回到位置P2;
[0106] 12)确认图像是否满足分析使用要求，若不满足，则重复步骤11);若满足，则跳至 步骤13);
[0107] 13)采用目标场景自动筛选算法Functionl以行、列像元数分别为M、N的窗口 w(x, y)对步骤11)五个焦面图像中心视场进行检测，分别获取每幅图像中Functionl计算结果最 大的w(x，y)作为目标区域。结合调焦软件的清晰度评价算法Function3计算五个焦面位置w (x，y)的清晰度，并比较计算所得清晰度大小，清晰度最大的图像所对应的焦面位置为最佳 焦面位置P3;
[0108] 14)将相机的焦面位置调整至最佳焦面位置P3,完成在轨调焦。
[0109] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领于技术人员的公知技术。
【主权项】
1. 一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法，其特征在于步骤如下： 1) 确认相机在轨成像参数调整到位，并获取相机的中心波长、相对孔径、调焦步距、调 焦放大倍数、像元尺寸、调焦范围； 2) 根据步骤1)得到的中心波长λ、相对孔径的倒数F、调焦步距1、调焦放大倍数n，计算 相机半焦深A和一个焦深对应的调焦步数L; 3) 以初始焦面位置Po为基准，对相机进行步数为2L的粗调焦，获取绝对焦面位置在P0+ 4L、Po+2L、Po - 2L、Po - 4L、Po的五组图像;调焦执行后，焦面回到初始焦面位置Po; 4) 确认图像是否满足分析使用要求，即要求图像具有城镇、农田、树林等地物目标且云 盖率〈20 %，若不满足，则重复步骤3);若满足，则跳至步骤5); 5) 分别对步骤3)得到的五个焦面位置的图像进行预处理，采用目标场景自动筛选算法 Funct ion 1，以行、列像元数分别为M、N的窗口 w(X，y)对步骤4)中五个焦面图像中心视场进 行检测，分别获取每幅图像中Functionl计算结果最大的w(x，y)作为目标区域;结合调焦软 件的离焦评价算法Function〗计算五个焦面位置w(x，y)的频域零点f〇,从而得到这五个焦 面位置与最佳焦面位置的理论偏差S，分别记为So+2，So+i，So-ι，So-2，So; 6) 根据偏差计算结果确定调焦步数及调焦方向，通过步骤5)获得的五个焦面位置与最 佳焦面位置的理论偏差S确定理论最佳焦面位置，记为P 1，将当前相机焦面调整至P1; 7) 以位置P1为基准，对相机进行步数为L的调焦，获取绝对焦面位置 三幅图像;调焦执行后，当前相机焦面回到位置P 1; 8) 确认图像是否满足分析使用要求，若不满足，则重复步骤7);若满足，则跳至步骤9); 9) 采用目标场景自动筛选算法Functionl，以行、列像元数分别为M、N的窗口 w(x，y)对 步骤7)三个焦面图像中心视场进行检测，分别获取每幅图像中Functionl计算结果最大的w (x，y)作为目标区域;结合调焦软件的清晰度评价算法Function3计算三个焦面位置w(x，y) 的清晰度，并比较计算所得清晰度大小，将当前相机焦面调整至所成图像最清晰所对应的 焦面位置，记为P 2; 10) 根据步骤2)-个焦深对应的调焦步数L计算精调焦步数L1; 11) 以焦面P2为基准，对相机进行步数为1^的精调焦，获取绝对焦面位置在Ρ2+2Ι^、Ρ 2+ L1J2-Li、P2 -2Li、P2的五组图像;调焦执行后，当前相机焦面回到位置P2; 12) 确认图像是否满足分析使用要求，若不满足，则重复步骤11);若满足，则跳至步骤 13)； 13) 采用目标场景自动筛选算法Function 1，以行、列像元数分别为M、N的窗口 w(X，y)对 步骤11)五个焦面图像中心视场进行检测，分别获取每幅图像中Functionl计算结果最大的 w(x，y)作为目标区域;结合调焦软件的清晰度评价算法Function3计算五个焦面位置w(x, y)的清晰度，并比较计算所得清晰度大小，清晰度最大的图像所对应的焦面位置为最佳焦 面位置P3; 14) 将相机的焦面位置调整至最佳焦面位置P3,完成在轨调焦。2. 根据权利要求1所述的一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法，其特 征在于:步骤2)所述的相机半焦深△的表达式为： 2Δ =4AF2〇3. 根据权利要求1所述的一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法，其特 征在于:步骤2)所述的一个焦深对应的调焦步数L的表达式为：4. 根据权利要求1所述的一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法，其特 征在于:步骤10)精调焦步数L1的表达式为：其中，L为一个焦深对应的调焦步数。5. 根据权利要求1所述的一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法，其特 征在于:所述的目标场景自动筛选算法Functionl的表达式为： Functionl = fi X f2 ； 其中，fdPf2分别为图像w(x，y)的平均灰度梯度和边缘占全图的比例，其表达式分别 为：其中，M、N为图像w (X，y)的行、列像元数，*表示卷积运算。6. 根据权利要求1所述的一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法，其特 征在于:所述的离焦评价算法Function〗的表达式为：其中，M、N为图像w(x，y)的行、列像元数，COF为F(v，u)2的最大值。7. 根据权利要求1所述的一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法，其特 征亦干，击骤M中所沭耜调隹时五个焦面与最佳焦面的理论偏差S的表达式为：其中，d为像元尺寸，η为放大倍数，f〇为Function2出现第一个极小值时对应的频率值。8. 根据权利要求1所述的一种对地观测星载可见光传输型相机的在轨调焦方法，其特 征在于:所述的清晰度评价算法Function3的表达式为： Function3= (μχΧ edgex+yy X edgey)/2 ； 其中，edgex和edgey分别为行、列方向的平均边缘宽度，μχ和μ γ为行、列方向边缘宽度的 权值，其表达式分别为：其中，M、N为图像w (X，y)的行、列像元数，*表示卷积运算。
【文档编号】H04N5/232GK106027911SQ201610545633
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月12日
【发明人】李方琦, 谭伟, 齐文雯, 何红艳, 邢坤, 刘薇, 高慧婷, 张智, 江澄, 曹世翔
【申请人】北京空间机电研究所