一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法
【專利摘要】本發明公開了一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法。當相機光學系統離焦超過一定程度時，相機所成的圖像頻域存在零點。根據離焦后的相機圖像，在頻域可以尋找出零點位置。當已知頻域零點位置時，根據該零點的位置計算出離焦引起的點擴散函數的半徑并估計最佳焦面位置，再根據不同焦面位置所成的圖像清晰度來判斷調焦方向，即可確定最佳焦面位置；當圖像頻域沒有零點時，此時已處于最佳焦面位置附近，計算其附近焦面圖像清晰度來判斷調焦方向，確定最佳焦面位置。本發明保證了在軌調焦的高精度和高效性，提高光學遙感器在軌成像性能和圖像質量。
【專利說明】
一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法，屬于航天光學 遙感技術領域。
【背景技術】
[0002] 相機離焦是影響衛星成像質量的重要因素，衛星發射后必須重新檢查相機的焦面 位置，必要時對相機進行在軌調焦。因此，為了提升衛星的在軌成像質量，需要開展相機的 在軌調焦方法及其調焦效果的判定方法研究。
[0003] 目前，國內遙感相機均采用移動焦面的調焦方式，國外相機除采用該方式外，還采 用了其他方式，如SPOT-1，SPOT-4，SP0T-5采用了雙相機對比調焦方式。因此，首先需要結合 不同的相機，研究合適的調焦方式。
[0004] 對于地球靜止軌道的凝視型相機，可以采用對同一目標進行多個焦面位置成像的 調焦方法。根據同一目標不同焦面位置的圖像，通過對比方法判定調焦效果和調焦量。通過 對圖像或圖像中的部分區域進行模糊程度分析，得出圖像質量的評價函數值或離焦參量， 并根據處理分析所得的數據控制和驅動鏡頭調焦，最終獲取準確對焦的圖像，其關鍵在于 圖像清晰度評價算法的選取。目前已有的評價函數通常是在攝影目標不變的情況下得出 的，對于場景的依賴性較強，僅能同一場景的不同成像質量圖像之間做出評價，例如梯度函 數、熵函數等。
[0005] 對于以推掃方式成像的線陣CCD相機，連續拍攝的兩幅圖像之間沒有相同的部分， 場景的變化導致常用調焦算法失效，一般只能采用主客觀評價相結合的方式，驗證是否當 前焦面位置所成圖像相對清晰程度最高。對主觀評價結果的強依賴性導致了主客觀結合調 焦方法的穩定性差。因此，目前急需一種適合應用于星載可見光遙感相機的在軌調焦方法。
【發明內容】
[0006] 本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種對地觀測星載可見 光傳輸型相機的在軌調焦方法，可以在相機在軌調試階段，根據圖像計算相機離焦量和離 焦方向，快速判斷相機最佳焦面位置，解決了調焦所需的清晰度評價算法的場景依賴性。
[0007] 本發明的技術方案是:一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法，步 驟如下：
[0008] 1)確認相機在軌成像參數調整到位，并獲取相機的中心波長、相對孔徑、調焦步 距、調焦放大倍數、像元尺寸、調焦范圍；
[0009] 2)根據步驟1)得到的中心波長λ、相對孔徑的倒數F、調焦步距1、調焦放大倍數n， 計算相機半焦深A和一個焦深對應的調焦步數L;
[0010] 3)以初始焦面位置PQ為基準，對相機進行步數為2L的粗調焦，獲取絕對焦面位置 在P〇+4L、P〇+2L、PQ - 2L、PQ-4L、PQ的五組圖像;調焦執行后，焦面回到初始焦面位置P〇; [0011] 4)確認圖像是否滿足分析使用要求，即要求圖像具有城鎮、農田、樹林等地物目標 且云蓋率〈20%，若不滿足，則重復步驟3);若滿足，則跳至步驟5);
[0012] 5)分別對步驟3)得到的五個焦面位置的圖像進行預處理，采用目標場景自動篩選 算法Function 1，以行、列像元數分別為Μ、N的窗口 w(X，y)對步驟4)中五個焦面圖像中心視 場進行檢測，分別獲取每幅圖像中Functionl計算結果最大的w(x，y)作為目標區域;結合調 焦軟件的離焦評價算法Function〗計算五個焦面位置w(x，y)的頻域零點fo,從而得到這五 個焦面位置與最佳焦面位置的理論偏差S，分別記為So+2，So+1，So-1，So-2，So;
[0013] 6)根據偏差計算結果確定調焦步數及調焦方向，通過步驟5)獲得的五個焦面位置 與最佳焦面位置的理論偏差S確定理論最佳焦面位置，記為Pi，將當前相機焦面調整至丹；
[0014] 7)以位置Pi為基準，對相機進行步數為L的調焦，獲取絕對焦面位置在PdUPi" L、Pi的三幅圖像;調焦執行后，當前相機焦面回到位置P1;
[0015] 8)確認圖像是否滿足分析使用要求，若不滿足，則重復步驟7);若滿足，則跳至步 驟9);
[0016] 9)采用目標場景自動篩選算法Functionl，以行、列像元數分別為M、N的窗口 w(x, y)對步驟7)三個焦面圖像中心視場進行檢測，分別獲取每幅圖像中Functionl計算結果最 大的w(x，y)作為目標區域;結合調焦軟件的清晰度評價算法Function3計算三個焦面位置w (x，y)的清晰度，并比較計算所得清晰度大小，將當前相機焦面調整至所成圖像最清晰所對 應的焦面位置，記為P2;
[0017] 10)根據步驟2)-個焦深對應的調焦步數L計算精調焦步數L1;
[0018] 11)以焦面p2為基準，對相機進行步數為。的精調焦，獲取絕對焦面位置在P2+2U、 P2+L!、P 2 - L!、P2 - 2L!、P2的五組圖像;調焦執行后，當前相機焦面回到位置P2;
[0019] 12)確認圖像是否滿足分析使用要求，若不滿足，則重復步驟11);若滿足，則跳至 步驟13);
[0020 ] 13)采用目標場景自動篩選算法Func t i on 1，以行、列像元數分別為Μ、N的窗口 w (X， y)對步驟11)五個焦面圖像中心視場進行檢測，分別獲取每幅圖像中Functionl計算結果最 大的w(x，y)作為目標區域;結合調焦軟件的清晰度評價算法Function3計算五個焦面位置w (x，y)的清晰度，并比較計算所得清晰度大小，清晰度最大的圖像所對應的焦面位置為最佳 焦面位置P 3;
[0021] 14)將相機的焦面位置調整至最佳焦面位置P3,完成在軌調焦。
[0022] 步驟2)所述的相機半焦深△的表達式為：
[0023] 2Δ =4AF2〇
[0024] 步驟2)所述的一個焦深對應的調焦步數L的表達式為：
[0026]步驟10)精調焦步數U的表達式為：
[0028]其中，L為一個焦深對應的調焦步數。
[0029]所述的目標場景自動篩選算法Functionl的表達式為：
[0030] Functionl = fi Χ?2；
[0031 ]其中，f#Pf2分別為圖像w(x，y)的平均灰度梯度和邊緣占全圖的比例，其表達式分 別為：
[0034] 其中，M、N為圖像w(x，y)的行、列像元數，*表示卷積運算。
[0035] 所述的離焦評價算法Function〗的表達式為：
[0037]其中，F(v，u)為w(i，j)的傅里葉變換，其表達式為：
[0039] 其中，M、N為圖像w(x，y)的行、列像元數，C0F為F(v，u)2的最大值。
[0040] 步驟5)中所述粗調焦時五個焦面與最佳焦面的理論偏差S的表達式為：
[0042] 其中，d為像元尺寸，η為放大倍數，f〇為Function2出現第一個極小值時對應的頻 率值。
[0043] 所述的清晰度評價算法Function3的表達式為：
[0044] Function3 = (μχ X edgex+yy X edgey )/2 ；
[0045] 其中，edgex和edgey分別為行、列方向的平均邊緣寬度，μ4Ρμγ為行、列方向邊緣寬 度的權值，其表達式分別為：
[0052]其中，Μ、N為圖像w (x，y)的行、列像元數，*表示卷積運算。
[0053]本發明的有益效果：
[0054] (1)本發明的在軌調焦方法準確度高，縮短調焦周期，滿足正常成像，側擺成像等 不同成像模式；
[0055] (2)本發明提出的清晰度評價算法弱化了主觀評價的不確定性，客觀性強，提高了 方法的穩定性；
[0056] (3)本發明的在軌調焦速度滿足在軌測試需求，具備在軌測試階段的實時性調整 功能，適應多種成像條件；
[0057] (4)步驟5)、9)、13)通過目標自動篩選算法可以自動選出若干個符合調焦要求的 地物目標區域并計算判讀結果，加快了調焦速度。
【附圖說明】
[0058]圖1為一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法流程圖；
【具體實施方式】
[0059] 表1為相機調焦所需參數；
[0060] 如圖1所示，本發明的實現過程為：
[0061] 1)確認相機在軌成像參數調整到位，并獲取相機的中心波長、相對孔徑、調焦步 距、調焦放大倍數、像元尺寸、調焦范圍等參數，如表1所示；
[0062] 表 1
[0064] 2)根據步驟1)得到的中心波長λ、相對孔徑的倒數F、調焦步距1、調焦放大倍數n， 計算相機半焦深A和一個焦深對應的調焦步數L，具體計算公式為：
[0065] 2Δ =4AF2；
[0067] 式中，△為半焦深，單位為Μ?;λ為中心波長，單位為ym;F為相機相對孔徑的倒數;L 為一個焦深對應的調焦步數;1為調焦步距，單位為ym; η為調焦放大倍數；
[0068] 3)以初始焦面位置Ρο為基準，對相機進行步數為2L的粗調焦，獲取絕對焦面位置 在Po+4L、Po+2L、Ρο - 2L、Ρο-4L、Ρο的五組圖像;調焦執行后，焦面回到初始焦面位置Ρο;
[0069] 4)確認圖像是否滿足分析使用要求，即要求圖像具有城鎮、農田、樹林等地物目標 且云蓋率〈20%，若不滿足，則重復步驟3);若滿足，則跳至步驟5);
[0070] 5)分別對步驟3)得到的五個焦面位置的圖像進行預處理，采用場景自動篩選算法 Func t i on 1以行、列像元數分別為Μ、Ν的窗口 w (X，y)對步驟4)中五個焦面圖像中心視場進行 檢測，分別獲取每幅圖像中Functionl計算結果最大的w(x，y)作為目標區域。結合調焦軟件 的離焦評價算法Function〗計算五個焦面位置w(x，y)的頻域零點f〇,從而得到這五個焦面 位置與最佳焦面位置的理論偏差S，分別記為So+2，So+i，So-i，S〇-2，So;
[0071 ]目標場景自動篩選算法Functionl獲得的方法步驟具體如下：
[0072] a)用w(i, j)表示一幅MXN的檢測窗口；
[0073] b)設計一個可獲取調焦所需目標場景的自動篩選算法Functionl，其表達式為：
[0074] Functionl = fi Χ?2；
[0075] 其中，f#Pf2分別為圖像w(x，y)的平均灰度梯度和邊緣占全圖的比例，其表達式分 別為：
[0078] 其中，M、N為圖像w(x，y)的行、列像元數，*表示卷積運算。
[0079] 對離焦評價算法Function〗獲得的方法步驟具體如下：
[0080] a)用w(i，j)表不一幅MXN的調焦目標場景圖像；
[0081 ] b)設個獲取頻域零點的評價算法Function2，Function2為歸一化的相對功率 譜函數，其表達式為：
[0083]其中，F(v，u)為w(i，j)的傅里葉變換，其表達式為：
[0085] 其中，M、N為圖像w(x，y)的行、列像元數，C0F為F(v，u)2的最大值。
[0086] 6)根據偏差計算結果確定調焦步數及調焦方向，通過步驟5)獲得的五個焦面位置 與最佳焦面位置的理論偏差S確定理論最佳焦面位置，記為Pi，將當前相機焦面調整至Pi;
[0087] 7)以位置Pi為基準，對相機進行步數為L的調焦，獲取絕對焦面位置- P!的三幅圖像;調焦執行后，當前相機焦面回到位置p1;
[0088] 8)確認圖像是否滿足分析使用要求，若不滿足，則重復步驟7);若滿足，則跳至步 驟9);
[0089] 9)采用目標場景自動篩選算法Functionl以行、列像元數分別為M、N的窗口 w(x，y) 對步驟7)三個焦面圖像中心視場進行檢測，分別獲取每幅圖像中Functionl計算結果最大 的w(x，y)作為目標區域。結合調焦軟件的清晰度評價算法Function3計算三個焦面位置w (x，y)的清晰度，并比較計算所得清晰度大小，將當前相機焦面調整至所成圖像最清晰所對 應的焦面位置，記為P2;
[0090] 對清晰度評價算法Function3獲得的方法步驟具體如下：
[0091 ] a)用w(i，j)表不一幅M*N的調焦目標場景圖像；
[0092] b)設計一個獲取圖像邊緣寬度的評價函數Functi〇n3作為精調焦清晰度評價算 法，其表達式為：
[0093] Function3 = (μχ X edgex+yy X edgey )/2 ；
[0094]其中，edgex和edgey分別為行、列方向的平均邊緣寬度，μ χ和μγ為行、列方向邊緣寬 度的權值，其表達式分別為：
[0101] 其中，Μ、Ν為圖像w (X，y)的行、列像元數，*表示卷積運算。
[0102] 10)根據步驟2)-個焦深對應的調焦步數L計算精調焦步數1^，具體計算公式為：
[0104] 其中，L為一個焦深對應的調焦步數。
[0105] 11)以粗調焦最佳焦面P2為基準，對相機進行步數為。的精調焦，獲取絕對焦面位 置在P 2+2Li、P2+Li、P2 - Li、P2 - 2U、P2的五組圖像;調焦執行后，當前相機焦面回到位置P2;
[0106] 12)確認圖像是否滿足分析使用要求，若不滿足，則重復步驟11);若滿足，則跳至 步驟13);
[0107] 13)采用目標場景自動篩選算法Functionl以行、列像元數分別為M、N的窗口 w(x, y)對步驟11)五個焦面圖像中心視場進行檢測，分別獲取每幅圖像中Functionl計算結果最 大的w(x，y)作為目標區域。結合調焦軟件的清晰度評價算法Function3計算五個焦面位置w (x，y)的清晰度，并比較計算所得清晰度大小，清晰度最大的圖像所對應的焦面位置為最佳 焦面位置P3;
[0108] 14)將相機的焦面位置調整至最佳焦面位置P3,完成在軌調焦。
[0109] 本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領于技術人員的公知技術。
【主權項】
1. 一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法，其特征在于步驟如下： 1) 確認相機在軌成像參數調整到位，并獲取相機的中心波長、相對孔徑、調焦步距、調 焦放大倍數、像元尺寸、調焦范圍； 2) 根據步驟1)得到的中心波長λ、相對孔徑的倒數F、調焦步距1、調焦放大倍數n，計算 相機半焦深A和一個焦深對應的調焦步數L; 3) 以初始焦面位置Po為基準，對相機進行步數為2L的粗調焦，獲取絕對焦面位置在P0+ 4L、Po+2L、Po - 2L、Po - 4L、Po的五組圖像;調焦執行后，焦面回到初始焦面位置Po; 4) 確認圖像是否滿足分析使用要求，即要求圖像具有城鎮、農田、樹林等地物目標且云 蓋率〈20 %，若不滿足，則重復步驟3);若滿足，則跳至步驟5); 5) 分別對步驟3)得到的五個焦面位置的圖像進行預處理，采用目標場景自動篩選算法 Funct ion 1，以行、列像元數分別為M、N的窗口 w(X，y)對步驟4)中五個焦面圖像中心視場進 行檢測，分別獲取每幅圖像中Functionl計算結果最大的w(x，y)作為目標區域;結合調焦軟 件的離焦評價算法Function〗計算五個焦面位置w(x，y)的頻域零點f〇,從而得到這五個焦 面位置與最佳焦面位置的理論偏差S，分別記為So+2，So+i，So-ι，So-2，So; 6) 根據偏差計算結果確定調焦步數及調焦方向，通過步驟5)獲得的五個焦面位置與最 佳焦面位置的理論偏差S確定理論最佳焦面位置，記為P 1，將當前相機焦面調整至P1; 7) 以位置P1為基準，對相機進行步數為L的調焦，獲取絕對焦面位置 三幅圖像;調焦執行后，當前相機焦面回到位置P 1; 8) 確認圖像是否滿足分析使用要求，若不滿足，則重復步驟7);若滿足，則跳至步驟9); 9) 采用目標場景自動篩選算法Functionl，以行、列像元數分別為M、N的窗口 w(x，y)對 步驟7)三個焦面圖像中心視場進行檢測，分別獲取每幅圖像中Functionl計算結果最大的w (x，y)作為目標區域;結合調焦軟件的清晰度評價算法Function3計算三個焦面位置w(x，y) 的清晰度，并比較計算所得清晰度大小，將當前相機焦面調整至所成圖像最清晰所對應的 焦面位置，記為P 2; 10) 根據步驟2)-個焦深對應的調焦步數L計算精調焦步數L1; 11) 以焦面P2為基準，對相機進行步數為1^的精調焦，獲取絕對焦面位置在Ρ2+2Ι^、Ρ 2+ L1J2-Li、P2 -2Li、P2的五組圖像;調焦執行后，當前相機焦面回到位置P2; 12) 確認圖像是否滿足分析使用要求，若不滿足，則重復步驟11);若滿足，則跳至步驟 13)； 13) 采用目標場景自動篩選算法Function 1，以行、列像元數分別為M、N的窗口 w(X，y)對 步驟11)五個焦面圖像中心視場進行檢測，分別獲取每幅圖像中Functionl計算結果最大的 w(x，y)作為目標區域;結合調焦軟件的清晰度評價算法Function3計算五個焦面位置w(x, y)的清晰度，并比較計算所得清晰度大小，清晰度最大的圖像所對應的焦面位置為最佳焦 面位置P3; 14) 將相機的焦面位置調整至最佳焦面位置P3,完成在軌調焦。2. 根據權利要求1所述的一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法，其特 征在于:步驟2)所述的相機半焦深△的表達式為： 2Δ =4AF2〇3. 根據權利要求1所述的一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法，其特 征在于:步驟2)所述的一個焦深對應的調焦步數L的表達式為：4. 根據權利要求1所述的一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法，其特 征在于:步驟10)精調焦步數L1的表達式為：其中，L為一個焦深對應的調焦步數。5. 根據權利要求1所述的一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法，其特 征在于:所述的目標場景自動篩選算法Functionl的表達式為： Functionl = fi X f2 ； 其中，fdPf2分別為圖像w(x，y)的平均灰度梯度和邊緣占全圖的比例，其表達式分別 為：其中，M、N為圖像w (X，y)的行、列像元數，*表示卷積運算。6. 根據權利要求1所述的一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法，其特 征在于:所述的離焦評價算法Function〗的表達式為：其中，M、N為圖像w(x，y)的行、列像元數，COF為F(v，u)2的最大值。7. 根據權利要求1所述的一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法，其特 征亦干，擊驟M中所沭耜調隹時五個焦面與最佳焦面的理論偏差S的表達式為：其中，d為像元尺寸，η為放大倍數，f〇為Function2出現第一個極小值時對應的頻率值。8. 根據權利要求1所述的一種對地觀測星載可見光傳輸型相機的在軌調焦方法，其特 征在于:所述的清晰度評價算法Function3的表達式為： Function3= (μχΧ edgex+yy X edgey)/2 ； 其中，edgex和edgey分別為行、列方向的平均邊緣寬度，μχ和μ γ為行、列方向邊緣寬度的 權值，其表達式分別為：其中，M、N為圖像w (X，y)的行、列像元數，*表示卷積運算。
【文檔編號】H04N5/232GK106027911SQ201610545633
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月12日
【發明人】李方琦, 譚偉, 齊文雯, 何紅艷, 邢坤, 劉薇, 高慧婷, 張智, 江澄, 曹世翔
【申請人】北京空間機電研究所