基于图像处理的航空红外相机自动调焦技术研究

发布时间：2017-11-02 14:08

  本文关键词：基于图像处理的航空红外相机自动调焦技术研究

  更多相关文章： 图像处理 红外成像 自动调焦

【摘要】：第二次世界大战后,由于军事上的迫切需求和航空航天领域的蓬勃发展,红外成像技术日渐成熟起来。红外光电系统一般使用被动工作模式,它的抗干扰能力较强,并且可以全天候工作,因此被很多国家广泛用于军事检测和侦察等领域。目前航空红外遥感成像技术在农业、林业、水资源、环境监测等方面也得到广泛的应用。为了能够对远距离目标进行大视场、高分辨率成像,航空红外相机向着长焦距、大口径方向发展。随之而来的问题是,复杂变化的高空环境例如温度、压强等因素使得航空红外相机的焦平面沿轴向位置产生一定偏移,导致图像模糊,分辨率低下,严重影响画质。为了克服环境对相机焦距带来的恶劣影响,必须设计自动调焦系统来及时修正焦平面位置。自动调焦方法有很多,主要包括测距法、相位检测法、程序控制法、图像处理法和光电自准直法。分析这几种方法的优缺点,结合课题背景,最终选用基于图像处理的自动调焦方法。这种方法直接以获得的红外数字图像质量为调焦指导,可靠性强。本文对空域、频域、信息熵等变换域的调焦函数进行实验仿真,从无偏性、灵敏度、稳定性、计算量等指标测试这些函数的特性,最终选取综合性能优良的Brenner函数作为调焦函数。为了提高Brenner函数的信噪比,除了对红外图像进行非均匀性校正、盲元校正外,采用中值滤波的方法来降低Brenner函数的抖动。接着制定粗细结合的快速爬山搜索策略,先控制电机以100um大步距步进进行粗略调焦,快速找到粗焦面位置,再控制电机以低于半倍焦深的10um小步距在粗焦面附近精细搜索,直至找到正焦位置。通过对目前图像处理平台的比较,选择满足调焦函数计算量和实时性要求的FPGA平台,在该平台设计实现系统的自动调焦功能。最终在实验室搭建的焦距为300mm,F数为2,探测器像元数为640×512的卡塞格伦折反式光学系统上实现了功能验证,为实际应用提供解决方案,具有工程指导意义。
【关键词】：图像处理 红外成像 自动调焦
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V245.6
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 课题研究背景与目的10
• 1.2 红外成像技术的发展现状10-15
• 1.3 自动调焦技术发展现状15-19
• 1.4 研究内容与论文结构安排19-22
• 参考文献22-24
• 第2章 航空红外相机自动调焦原理24-38
• 2.1 基本光学成像原理24-28
• 2.1.1 光学成像系统24-25
• 2.1.2 光学成像中的高斯公式25
• 2.1.3 光学系统的参数25-27
• 2.1.4 红外光学系统类型27-28
• 2.2 红外相机失焦原因28-31
• 2.2.1 温度变化对失焦的影响29
• 2.2.2 压强变化对失焦的影响29-30
• 2.2.3 软件计算相机的失焦量30-31
• 2.3 基于数字图像的自动调焦原理31-36
• 2.3.1 基于数字图像的自动调焦基本原理31-32
• 2.3.2 基于相同景物的调焦原理32-35
• 2.3.3 基于不同景物的调焦原理35-36
• 2.4 本章小结36-37
• 参考文献37-38
• 第3章 基于红外数字图像的调焦算法38-63
• 3.1 红外图像预处理38-41
• 3.1.1 非均匀性校正38-40
• 3.1.2 盲元校正40-41
• 3.2 空域内的调焦算法41-46
• 3.2.1 灰度差分绝对和函数41-42
• 3.2.2 梯度向量平方和函数（EOG函数）42
• 3.2.3 Variance函数42-43
• 3.2.4 灰度变化率之和函数43
• 3.2.5 Roberts梯度和43
• 3.2.6 Brenner算子43-44
• 3.2.7 Laplacian算子44-45
• 3.2.8 Prewitt算子和Sobel算子45-46
• 3.3 变换域内的调焦算法46-50
• 3.3.1 离散傅里叶变换DFT46-48
• 3.3.2 离散余弦变换DCT48-49
• 3.3.3 基于信息熵的调焦函数49-50
• 3.4 调焦算法性能分析50-61
• 3.4.1 空域调焦算法性能分析50-56
• 3.4.2 变换域调焦算法性能分析56-61
• 3.4.3 课题选用的调焦函数61
• 3.5 本章小结61
• 参考文献61-63
• 第4章 基于红外数字图像的调焦策略63-68
• 4.1 常用的调焦搜索策略63-65
• 4.1.1 爬山搜索法（MCS）63
• 4.1.2 黄金分割搜索法63-64
• 4.1.3 函数逼近法64-65
• 4.2 课题采用的调焦搜索策略65-66
• 4.3 本章小节66-67
• 参考文献67-68
• 第5章 软硬件实现系统68-84
• 5.1 硬件设计68-74
• 5.1.1 调焦系统硬件组成部分68-70
• 5.1.2 调焦系统电子学框图70-71
• 5.1.3 调焦系统FPGA硬件设计71-74
• 5.2 软件设计74-81
• 5.3 测试结果与分析81-82
• 5.4 本章小结82-84
• 第6章 总结与展望84-86
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果86

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 曹福生;裘颖刚;;自动调焦[J];光学仪器;1985年03期

2 李庆祥;问与答[J];光学技术;1984年06期

3 郑刚,张以谟,鹿景荣;实现显微镜自动调焦的一种方法[J];上海机械学院学报;1990年04期

4 鲁徐青;;自动调焦显微镜装置[J];光学仪器;1992年04期

5 贾晓飞;李宜斌;陈德智;许家新;;非制冷红外热像仪的快速自动调焦算法设计[J];激光与红外;2009年06期

6 刘军;冯艳君;刘伟军;王天然;;基因芯片荧光靶点显微成像自动调焦控制[J];仪表技术与传感器;2011年05期

7 史红伟;石要武;杨爽;;光学显微镜自动调焦指导函数的评价与选择[J];计算机辅助设计与图形学学报;2013年02期

8 秦秉坤;利用相位差实现自动调度[J];光学技术;1981年02期

9 张武祖,许世文,刘春元,赵克华;利用选频滤波法实现自动调焦的原理与分析[J];哈尔滨工业大学学报;1985年A5期

10 巩马理;离轴探测自动调焦特性[J];光电工程;1991年03期

中国重要会议论文全文数据库 前3条

1 梁敏华;曹永刚;;图像法自动调焦的动态调焦区域设计[A];第七届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2009年

2 张文成;毛清龙;唐崇丹;黄作明;;煤岩反射率自动测定和有机组分测定系统的研究[A];中国金属学会第一届青年学术年会论文集[C];2002年

3 李宝柱;李淳;;基于VC++和Matlab混合编程的自动调焦技术研究[A];第十届全国光电技术学术交流会论文集[C];2012年

中国重要报纸全文数据库 前3条

1 龙云怒;模仿人眼自动调焦距的液体镜头问世[N];医药经济报;2006年

2 willin;看图说背景虚化[N];中国电脑教育报;2004年

3 willin;菜鸟玩DC心得[N];中国电脑教育报;2004年

中国博士学位论文全文数据库 前9条

1 路朋罗;基于图像处理技术的自动调焦方法研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2016年

2 王冠军;基于图像处理的光电测量设备自动调焦方法研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2016年

3 徐新;数字图像自动调焦技术及其在低光照环境下的应用研究[D];上海交通大学;2012年

4 于秋水;基于图像处理方法的光学瞄具自动调焦技术研究[D];长春理工大学;2011年

5 胡涛;机器视觉中的自动调焦及形貌恢复技术研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

6 刘雪超;基于数字图像处理的自动调焦技术研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2014年

7 黄德天;基于图像技术的自动调焦方法研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2013年

8 林兆华;基于图像处理自动调焦技术在经纬仪中应用的研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2012年

9 王健;基于图像处理的自动调焦技术研究[D];中国科学院研究生院（光电技术研究所）;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 郭晶晶;太阳望远镜的高精度自动导行和自动调焦方法的研究[D];昆明理工大学;2015年

2 张晶;基于图像处理的自动调焦技术[D];中国科学院研究生院(光电技术研究所);2016年

3 殷娣娣;电感式位移传感器在自动调焦单元中的应用研究[D];中国科学院研究生院(光电技术研究所);2016年

4 杨艳艳;基于图像处理的航空红外相机自动调焦技术研究[D];中国科学院研究生院(上海技术物理研究所);2016年

5 赵志彬;机载光电平台可见光摄像机自动调焦技术研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2010年

6 李成;视频监控系统中自动调焦技术的研究[D];长沙理工大学;2009年

7 吴小翠;全自动尿沉渣检验仪自动调焦方法研究[D];湖南大学;2010年

8 姚s，

本文编号：1131858