本发明专利技术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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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
技术介绍
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。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，SPOT-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。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。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。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：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。本专利技术的技术方案是：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：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l、调焦放大倍数n，计算相机半焦深Δ和一个焦深对应的调焦步数L；3)以初始焦面位置P0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、P0+2L、P0－2L、P0－4L、P0的五组图像；调焦执行后，焦面回到初始焦面位置P0；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Function1，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Function1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Function2计算五个焦面位置w(x,y)的频域零点f0，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S0+2，S0+1，S0-1，S0-2，S0；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P1，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，获取绝对焦面位置在 P1+L、P1－L、P1的三幅图像；调焦执行后，当前相机焦面回到位置P1；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Function1，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Function1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；10)根据步骤2)一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L1的精调焦，获取绝对焦面位置在P2+2L1、P2+L1、P2－L1、P2－2L1、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Function1，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Function1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。步骤2)所述的相机半焦深Δ的表达式为：2Δ＝4λF2。步骤2)所述的一个焦深对应的调焦步数L的表达式为：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。所述的目标场景自动筛选算法Function1的表达式为：Function1＝f1×f2；其中，f1和f2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。所述的离焦评价算法Function2的表达式为：其中，F(v,u)为w(i,j)的傅里叶变换，其表达式为：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。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：其中，d为像元尺寸，n为放大倍数，f0为Function2出现第一个极小值时对应的频率值。所述的清晰度评价算法Function3的表达式为：Function3＝(μx×edgex+μy×edgey)/2；其中，edgex和edgey分别为行、列方向的平均边缘宽度，μx和μy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。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术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；(2)本专利技术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；(3)本专利技术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；(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；具体实施方式表1为相机调焦所需参数；如图1所示，本专利技术的实现过程为：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；表1序号 项目名称 单位 测试/设计结果 1 中心波长 μm 2 相对孔径 无 3 调焦步距 μm 4 调焦放大倍数 无 5 像元尺寸 μm 本文档来自技高网...
【技术保护点】
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l、调焦放大倍数n，计算相机半焦深Δ和一个焦深对应的调焦步数L；3)以初始焦面位置P0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、P0+2L、P0－2L、P0－4L、P0的五组图像；调焦执行后，焦面回到初始焦面位置P0；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Function1，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Function1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Function2计算五个焦面位置w(x,y)的频域零点f0，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S0+2，S0+1，S0‑1，S0‑2，S0；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P1，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，获取绝对焦面位置在P1+L、P1－L、P1的三幅图像；调焦执行后，当前相机焦面回到位置P1；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Function1，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Function1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；10)根据步骤2)一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L1的精调焦，获取绝对焦面位置在P2+2L1、P2+L1、P2－L1、P2－2L1、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Function1，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Function1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。...
【技术特征摘要】
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l、调焦放大倍数n，计算相机半焦深Δ和一个焦深对应的调焦步数L；3)以初始焦面位置P0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、P0+2L、P0－2L、P0－4L、P0的五组图像；调焦执行后，焦面回到初始焦面位置P0；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Function1，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Function1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Function2计算五个焦面位置w(x,y)的频域零点f0，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S0+2，S0+1，S0-1，S0-2，S0；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P1，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，获取绝对焦面位置在P1+L、P1－L、P1的三幅图像；调焦执行后，当前相机焦面回到位置P1；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Function1，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Function1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；10)根据步骤2)一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L1的精调焦，获取绝对焦面位置在P2+2L1、P2+L1、P2－L1、P2－2L1、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Function1，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Function1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Δ的表达式为：2Δ＝4λF2。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： L = 2 ...
【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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