航空可见光变焦距镜头自动调焦系统研究

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1、中国料学院大学UniversitvofChineseAcademyofSciences博士学位论文空可见光变焦距镜头自动调焦系统研究密级:_中国科学院大学©UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文航空可见光变焦距镜头自动调焦系统研究作者姓名：王昙指导教师：张達刘晶红学位类别：工学博士学科专业：光学工程培养单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2015年4月TheresearchofvisibleaviationzoomautofocussystemByWangHaoADissertationSubmittedtoUniversityofC

2、hineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofScienceinEngineeringChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysicsApril,2015独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研宄工作所取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研宄成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。学位

3、论文作者签名：土I日期:学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解中国科学院大学及中国科学院长春光学精密机械与物理研宄所有关保留、使用学位论文的规定，即：中国科学院大学及中国科学院长春光学精密机械与物理研宄所有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国科学院大学及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：指导教师签各彳咯年；.丨^日期：xr,日期：学位论文作者毕业后去向：工作单位：电

4、话:通讯地址：邮编:摘要航空可见光变焦距镜头自动调焦系统研究王昊（光学工程）导师：张涛，刘晶红摘要调焦系统是航空可见光变焦距镜头中不可缺少的组成部分，尤其在航空飞行过程中由于温度和气压的变化，飞行中产生的振动，飞行高度变化等因素影响，使得离焦现象经常发生，因此调焦系统能否正常有效的运行与变焦距镜头的成像质量有着极为密切的关系。调焦系统主要分为三个子系统：第一部分为光学成像系统，作用是对当前图像进行采集；第二部分是对焦评价系统，通过某种方法（如人工评价、图像处理方法、自准直方法等）对所采集的图像进行评价，判断系统离焦程度；第三部分为调焦控制系统，将之前得到的离焦量信息转化为系统的调节量，通

5、过对调焦控制系统的精密控制使相应镜组到达合适的位置，最终完成调焦。目前变焦距镜头调焦系统主要采用凸轮机构来解决调焦镜组和补偿镜组之间的对应位置关系，但是由于航空变焦距镜头特殊的运行环境因素影响（温度，气压，飞行高度等），只靠单纯的凸轮结构不能满足实时成像清晰的要求，因此需要其他方法的介入来帮助系统调焦以达到成像清晰的目的。目前航空变焦距镜头的调焦方法可分为手动调焦和自动调焦，手动调焦需要操作人员凭视觉反馈进行对焦评价，调焦时间长，而且在捕捉运动目标时该方法不便使用，目前航空变焦距镜头调焦方法的趋势逐渐向自动调焦方面发展。目前主流的自动调焦方法之一是对焦深度法（DepthFromFocus

6、），该方法建立在一个搜寻的过程中，寻找最佳成像位置，但是该方法在实际应用中存在评价曲线多峰值等问题，而且不满足调焦的实时性要求。为了改进航空变焦距镜头自动调焦方法，提高自动调焦系统的工作效率，本文通过对现有方法的深入分析和总结，提出一种新型自动调焦方法，调焦时间相比传统方法短，无搜寻过程，实现了对调焦镜组的一次性定位。该方法从对图像一维功率谱的分析入手，经过对所采集的大量离焦图像进行分类I中国科学院大学博士学位论文：航空变焦距镜头自动调焦系统的研究并建立比对模板，再通过对实验总体样本的分析得到能够提取图像离焦程度信息的理想滤波函数。通过得到的滤波函数分析当前所获取的图像，得到结果与所建立

7、模板进行比对得到当前离焦估计值。最后，把离焦量的估计结果，换算为调焦控制系统的位移量，驱动调焦电机移动相应位移完成调焦。实验结果表明：离焦量计算时间为0.4s，相比对焦深度法的4~8s调焦时间有了大幅度提高，而且离焦估计误差在系统焦深1/2范围内，符合高精度调焦的指标需求，是一种实时性较好的自动调焦方法。由于考虑到噪声和照度对调焦的影响，为了使自动调焦算法能够顺利完成调焦工作，本文在将采集图像进行离焦评价前进行去噪处理和低照度增强的