空间相机自准法检焦原理及数据处理方法研究

    对长焦距、大口径、高分辨空间相机实时进行精密检焦是十分重要的,这是由于火箭发射时的冲击、振动以及空间环境的影响,使光学间隔、镜面面型等发生变化,产生超出焦深范围的离焦,如果在拍照前不进行检焦调焦,将会使成像质量下降,使其他方面的工作前功尽弃。对空间相机来说,常用的检焦方法主要有地面标定法、被动补偿法、图像处理法(主要针对实时传输型相机)、光电自准法。其中,光电自准法能够满足实时、高精度的要求。

    在光电自准法检焦系统中,主要包括照明系统、目标物、光学成像系统、接收与信号处理系统,影响系统精度的因素主要有: 1)照明系统中光源的均匀性和稳定性2)光学成像系统的成像质量3) CCD器件及信号处理电路的缺陷4)软件算法本身的精度。要想提高系统的精度,应选用高分辨率CCD成像器件,采用特殊的光源进行照明等措施,但这些方法的使用有时会受到某种限制,如相机内部的空间大小,光学成像系统的成像质量等,而采用软件算法来提高测量的精度具有方法简单、有效的优点。因此,本文在介绍了光电自准法检焦原理的基础上,论述了噪声情况下信号处理的几种方法。

    1 自准法检焦光学原理

    如图1所示,位于焦面处的目标狭缝3用光源6照明,通过成像物镜2后变为准直光,利用五棱镜的直角反射特性,两块五棱镜1将目标狭缝反射后,再一次经过成像物镜成像于焦面处,在狭缝像的后面设置两个分离透镜4,将狭缝像再分别成像于CCD接收器上,CCD将接收到的光信号转变成电信号,经过A/D转换后,输入到微机中进行数据处理,求出两个信号的相互位置关系。

    合焦时,设两信号之间的距离为一定值d,则狭缝离焦时两信呈之间的距离变化$d,根据变化的方向和大小,就可计算出离焦的方向和大小。

    设成像物镜的相对孔径为D/f =1/F,目标离焦D时,狭缝像经分离透镜成在CCD上的二个像分别产生了一个$d/2的偏离,分离透镜成像倍率为M,则有:

D=-$d•F/M (1)

    其中负号的物理意义表示测出的狭缝像的偏离方向与离焦方向相反。

    在任何一个离焦位置均精确求出两信号的相互偏离量$d,就可利用式(1)求出离焦量D,并给出反馈信息,从而向调焦机构发出指令调整焦面到位。因此,寻找合理的信号处理方法来提高$d的测量精度尤为重要。

    2 信号的数学模型

    任何一个复杂的光学系统都可以依据孔径光栏的位置分为前后两组,每一组都可以是单片或多片的组合,为简单起见,这里用两个单透镜分别代替前后两组透镜。实际的检测系统可采用相干光或非相干光照明,由于非相干光照明应用的较多些,所以这里主要推导非相干照明测量系统的数学模型。