基于传感器调焦的设计与实现

    1 引 言

    自动调焦技术应用在普通地面相机上是非常普遍的, 主要是依据成像公式, 根据物距来调整像距。但对于长焦距、高分辨率航空相机来说, 由于在空中进行摄影的工作环境比较恶劣, 大气温度和压力的变化易使镜头的焦距发生变化, 产生离焦, 造成像面影像模糊, 分辨率降低, 不考虑温度、压力影响的自动调焦技术无法获得满意的图像质量。本文自动调焦系统的设计, 是找出离焦量与温度、压力和摄影高度等参数之间的关系, 摄影时根据温、压传感器实测的温度、压力值以及飞机GPS提供的高度数据, 利用调焦控制系统来调整相机CCD焦面的位置。

    2 离焦因素分析

    2.1 大气温度和压力的影响

    温度变化使镜头玻璃的折射率、曲率半径、镜间间隔和镜箱长度发生变化, 产生温度离焦, 温度变化产生的离焦量计算公式为:

    式中∶f —镜头焦距; !—金属线膨胀系数; "—温度变化1℃镜头的离焦系数; "T—温度变化量。

    大气压力变化使空气折射率发生变化, 造成镜头焦距改变, 产生的离焦量为:

    式中: p—环境大气压力; p0—标准大气压力; na—空气折射率; ng—玻璃折射率。

    2.2 摄影高度的影响

    航空摄影时, 摄影高度通常是变化的, 根据物像共轭关系, 只有无穷远所成的像是在焦面上, 实际高度变化时, 产生离焦量。根据物像关系推导出:

    式中∶H—摄影高度。

    3 系统设计

    3.1 温度传感器

    温度传感器采用的是WZP铂热电阻Pt100, 利用金属电阻随温度变化的特性, 具有正的电阻温度系数,测温范围宽, 复现性好。Pt100是一种低电平、非线性的铂热电阻, 具有极好的稳定性和精确度, 其测量范围为- 200℃～500℃。

    在0℃～500℃时, 电阻值Rt与温度t的关系为:

Rt=R0(1+a1t+a2t2)

    在- 200℃～0℃时, 电阻值Rt与温度t的关系为:

Rt=R0[1+a1t+a2t2+a3(t- 100) t3]

    Rt—在温度为t时, 铂热电阻的电阻值; t—温度℃;R0—0℃时的电阻值; a1为3.90802×10- 3/℃; a2为-5.847×10-7/℃; a3为- 4.27350×10-12/℃。

    3.2 压力传感器

    压力传感器采用摩托罗拉MPX2000硅压力传感器。该传感器具有片内温度补偿和校正网络, 温度补偿范围为0℃～85℃, 具有±0.25%的满量程线性度。这种网络中的电阻是经过计算机控制下的激光修正, 因而精度很高、补偿效果好、稳定性好、漂移小, 使用方便。