基于R-C系统的长焦距航空相机实时相位检焦技术研究

发布时间：2017-10-04 00:09

  本文关键词：基于R-C系统的长焦距航空相机实时相位检焦技术研究

  更多相关文章： 航空相机 R-C光学系统 自动检焦 相位检焦 光电自准直

【摘要】：随着航空成像技术的不断发展和人们对高质量航空图像的需求,研制高地面分辨率的航空相机成为当前的迫切需求。但由于相机从地面到空中的环境变化,相机的温度、气压等会发生变化,相机的焦面会发生移动,成像质量会受到影响。长焦距航空相机由于光学系统的尺寸较大,因此受到的影响更严重。因此,采取合适的检焦技术保证相机的对焦准确,从而确保相机成像质量,是航空相机、尤其是长焦距航空相机研制的关键技术之一。国内外航空相机主要采用的检焦方法有地面标定法、光电自准直检焦方法、图像检焦方法等。论文在详细分析各种检焦方法的优缺点的基础之上,以某型基于R-C系统的长焦距航空相机为研究对象,依据其结构特点和所处的外界环境,提出了一种基于R-C系统的长焦距航空相机的实时相位检焦技术,并对相关理论进行了深入研究。论文阐述了航空相机的结构以及原理,分析了相机离焦的原因及离焦对传递函数的影响。针对航空相机的环境特点,提出了“子孔径”的自准直检焦方法,解决了航空环境对自准直检焦光路的干扰的问题。对传统的基于光栅的光电自准直检焦方法进行了误差分析,说明其不适合航空相机的长时间成像。结合地面标定方法、自准直检焦方法以及图像检焦方法的优点,论文提出了一种基于图像的实时相位检焦系统,解决了相机拍照过程中不能实时检焦的问题。详细介绍了该检焦方法的光学原理、结构组成、以及工作过程。论文说明了噪声的来源以及对图像质量的影响,分析了噪声对检焦的影响,讲述了航空图像的噪声滤波方法。通过对中值滤波算法的特性的分析,根据图像边缘点和噪声点的不同特性,提出了一种改进的中值滤波方法。通过实际图像的验证,该方法具有较好的去燥效果以及较短的处理时间。调焦评价函数具有重要作用。论文介绍了常用的调焦评价函数,分别选取两组有代表性的航拍图像进行了各调焦评价函数的计算和验证。根据分析提出了改进的8邻域拉普拉斯算法,验证了算法的快速性以及评价函数曲线的高灵敏度。论文分析了运动模糊对图像质量的影响,并说明了运动模糊对检焦的影响。论文从调焦窗口选择的必要性入手,进行了调焦窗口模型的理论分析和航空摄影景深的分析。介绍了中心区域法和非均匀提取法,并在对航空图像特性分析的基础上,提出了适合航空图像的黄金分割区域法,该方法可以减少72%的计算量,并通过试验验证了该方法的可行性和有效性。根据相位检焦技术的特点,结合遍历搜索法和变步长爬山法,提出了一套完整的综合调焦搜索算法,保证了检焦搜索策略的可靠性、快速性和检焦精度。实验结果证明,相位检焦技术中的实时图像检焦方法的平均检焦精度达到±0.015mm,满足半焦深的精度要求。采用热光学试验获得了航空相机在低温低压环境下的成像图像和相关数据,验证了相位检焦方法中自准直检焦方法的正确性,检焦精度达到±0.013mm,用时仅为26s,比基于光栅的自准直检焦方法提高1倍精度,用时缩短至原来的1/3时间。实验结果表明,实时相位检焦技术能有效补偿离焦的影响。
【关键词】：航空相机 R-C光学系统 自动检焦 相位检焦 光电自准直
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V245.6;TP391.41
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-27
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 航空相机的发展现状14-18
• 1.3 航空相机检焦技术18-24
• 1.4 检焦指标的计算方法24-25
• 1.5 研究内容及章节安排25-27
• 第2章 航空相机实时相位检焦技术27-55
• 2.1 航空相机结构及原理27-32
• 2.2 航空相机离焦的原因32-37
• 2.3 离焦对传递函数的影响37-40
• 2.4“子孔径”的光电自准直检焦方法40-41
• 2.5 现有光电自准直检焦方法的误差分析41-42
• 2.6 检焦技术的需求分析42-43
• 2.7 实时相位检焦技术43-53
• 2.8 实时相位检焦技术的特点53-54
• 2.9 本章小结54-55
• 第3章 图像预处理算法55-65
• 3.1 噪声对图像质量的影响55
• 3.2 噪声对检焦的影响55-58
• 3.3 航空图像噪声滤波方法58-64
• 3.4 本章小结64-65
• 第4章 航空图像调焦评价函数及运动模糊对检焦的影响65-85
• 4.1 离焦模糊的理论分析65-68
• 4.2 调焦评价函数68-70
• 4.3 灰度变化函数70
• 4.4 图像信息熵函数70-72
• 4.5 梯度函数72-76
• 4.6 频域类函数76-80
• 4.7 一种改进的8邻域拉普拉斯方法80-82
• 4.8 运动模糊对图像质量的影响82-83
• 4.9 运动模糊对检焦的影响83-84
• 4.10 本章小结84-85
• 第5章 航空图像调焦窗口选择及搜索算法分析85-105
• 5.1 调焦窗口选择的理论分析86-89
• 5.2 调焦窗口选择方法89-91
• 5.3 选用的黄金分割区域法91-94
• 5.4 调焦搜索算法94-97
• 5.5 基于遍历搜索法和变步长爬山法的搜索方法97-103
• 5.6 本章小结103-105
• 第6章 相位检焦技术实验及分析105-119
• 6.1 图像检焦技术验证105-110
• 6.2 自准直检焦技术验证110-116
• 6.3 本章小结116-119
• 第7章 结论与展望119-123
• 7.1 学位论文完成的主要研究工作119-120
• 7.2 学位论文的创新点120-121
• 7.3 展望121-123
• 参考文献123-130
• 在学期间学术成果情况130-131
• 指导教师与作者简介131-132
• 致谢132

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本文编号：967493