本文關鍵詞：基于圖像處理的航空紅外相機自動調焦技術研究

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【摘要】：第二次世界大戰(zhàn)后,由于軍事上的迫切需求和航空航天領域的蓬勃發(fā)展,紅外成像技術日漸成熟起來。紅外光電系統(tǒng)一般使用被動工作模式,它的抗干擾能力較強,并且可以全天候工作,因此被很多國家廣泛用于軍事檢測和偵察等領域。目前航空紅外遙感成像技術在農業(yè)、林業(yè)、水資源、環(huán)境監(jiān)測等方面也得到廣泛的應用。為了能夠對遠距離目標進行大視場、高分辨率成像,航空紅外相機向著長焦距、大口徑方向發(fā)展。隨之而來的問題是,復雜變化的高空環(huán)境例如溫度、壓強等因素使得航空紅外相機的焦平面沿軸向位置產生一定偏移,導致圖像模糊,分辨率低下,嚴重影響畫質。為了克服環(huán)境對相機焦距帶來的惡劣影響,必須設計自動調焦系統(tǒng)來及時修正焦平面位置。自動調焦方法有很多,主要包括測距法、相位檢測法、程序控制法、圖像處理法和光電自準直法。分析這幾種方法的優(yōu)缺點,結合課題背景,最終選用基于圖像處理的自動調焦方法。這種方法直接以獲得的紅外數(shù)字圖像質量為調焦指導,可靠性強。本文對空域、頻域、信息熵等變換域的調焦函數(shù)進行實驗仿真,從無偏性、靈敏度、穩(wěn)定性、計算量等指標測試這些函數(shù)的特性,最終選取綜合性能優(yōu)良的Brenner函數(shù)作為調焦函數(shù)。為了提高Brenner函數(shù)的信噪比,除了對紅外圖像進行非均勻性校正、盲元校正外,采用中值濾波的方法來降低Brenner函數(shù)的抖動。接著制定粗細結合的快速爬山搜索策略,先控制電機以100um大步距步進進行粗略調焦,快速找到粗焦面位置,再控制電機以低于半倍焦深的10um小步距在粗焦面附近精細搜索,直至找到正焦位置。通過對目前圖像處理平臺的比較,選擇滿足調焦函數(shù)計算量和實時性要求的FPGA平臺,在該平臺設計實現(xiàn)系統(tǒng)的自動調焦功能。最終在實驗室搭建的焦距為300mm,F數(shù)為2,探測器像元數(shù)為640×512的卡塞格倫折反式光學系統(tǒng)上實現(xiàn)了功能驗證,為實際應用提供解決方案,具有工程指導意義。
【關鍵詞】：圖像處理 紅外成像 自動調焦
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(上海技術物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V245.6
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-24
• 1.1 課題研究背景與目的10
• 1.2 紅外成像技術的發(fā)展現(xiàn)狀10-15
• 1.3 自動調焦技術發(fā)展現(xiàn)狀15-19
• 1.4 研究內容與論文結構安排19-22
• 參考文獻22-24
• 第2章 航空紅外相機自動調焦原理24-38
• 2.1 基本光學成像原理24-28
• 2.1.1 光學成像系統(tǒng)24-25
• 2.1.2 光學成像中的高斯公式25
• 2.1.3 光學系統(tǒng)的參數(shù)25-27
• 2.1.4 紅外光學系統(tǒng)類型27-28
• 2.2 紅外相機失焦原因28-31
• 2.2.1 溫度變化對失焦的影響29
• 2.2.2 壓強變化對失焦的影響29-30
• 2.2.3 軟件計算相機的失焦量30-31
• 2.3 基于數(shù)字圖像的自動調焦原理31-36
• 2.3.1 基于數(shù)字圖像的自動調焦基本原理31-32
• 2.3.2 基于相同景物的調焦原理32-35
• 2.3.3 基于不同景物的調焦原理35-36
• 2.4 本章小結36-37
• 參考文獻37-38
• 第3章 基于紅外數(shù)字圖像的調焦算法38-63
• 3.1 紅外圖像預處理38-41
• 3.1.1 非均勻性校正38-40
• 3.1.2 盲元校正40-41
• 3.2 空域內的調焦算法41-46
• 3.2.1 灰度差分絕對和函數(shù)41-42
• 3.2.2 梯度向量平方和函數(shù)（EOG函數(shù)）42
• 3.2.3 Variance函數(shù)42-43
• 3.2.4 灰度變化率之和函數(shù)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 變換域內的調焦算法46-50
• 3.3.1 離散傅里葉變換DFT46-48
• 3.3.2 離散余弦變換DCT48-49
• 3.3.3 基于信息熵的調焦函數(shù)49-50
• 3.4 調焦算法性能分析50-61
• 3.4.1 空域調焦算法性能分析50-56
• 3.4.2 變換域調焦算法性能分析56-61
• 3.4.3 課題選用的調焦函數(shù)61
• 3.5 本章小結61
• 參考文獻61-63
• 第4章 基于紅外數(shù)字圖像的調焦策略63-68
• 4.1 常用的調焦搜索策略63-65
• 4.1.1 爬山搜索法（MCS）63
• 4.1.2 黃金分割搜索法63-64
• 4.1.3 函數(shù)逼近法64-65
• 4.2 課題采用的調焦搜索策略65-66
• 4.3 本章小節(jié)66-67
• 參考文獻67-68
• 第5章 軟硬件實現(xiàn)系統(tǒng)68-84
• 5.1 硬件設計68-74
• 5.1.1 調焦系統(tǒng)硬件組成部分68-70
• 5.1.2 調焦系統(tǒng)電子學框圖70-71
• 5.1.3 調焦系統(tǒng)FPGA硬件設計71-74
• 5.2 軟件設計74-81
• 5.3 測試結果與分析81-82
• 5.4 本章小結82-84
• 第6章 總結與展望84-86
• 作者簡介及在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果86

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本文編號：1131858