望远镜跟踪系统的自动对焦方法研究

　　引言

　　自动对焦是现代光学成像系统的项重要技术，传统的自动对焦方法主要采用测距技术，根据所测目标物体的距离调节光学系统焦距至止确对焦位置，山于 需要采用额外的设备而使其适用范围较小，现在广泛应用的主要是基于数字图像处理的N动对焦方法。光电捕获、跟踪、瞄准((ATP)系统在天文观测、靶场测 量、航天航空等领域有着极其广泛的应用。它是个集光学、机械、自动控制、电子电路、图像处理等系统于体的复杂系统。望远镜跟踪系统是光电捕获跟踪瞄准设备 是核心，跟踪精度与响应速度是系统的关键，由于目标物体运动速度很快，几何特征也在快速变化当中，因此需要ATP系统有相应迅速，快速捕捉和稳定跟踪的能 力，还要有快速调焦的能力，能够实现任意时刻对目标物体的止确聚焦，因此自动对焦技术的快速发展对于ATP系统尤为重要。迄今为止，自动对焦技术在照相 机、摄像机、显微镜等成像系统中己经有着广泛的应用，但是在跟踪和天文观测的望远镜领域相对比较少有人研究，本文针对望远镜跟踪系统中自动对焦技术作了些 理论与实验研究。

　　本文首先分析了自动对焦技术的光学原理以及数字图像处理的相关方而的技术，然后通过实验分析了各种评价方法在望远镜跟踪系统中表现出的性能和差异，得出了比较满意的实验结果。

　　1望远镜跟踪系统自动对焦原理和方法

　　本文所研究的内容基于望远镜跟踪系统,是典型的卡赛格林系统,即由两个抛物反射面组成的折返式主次镜结构,与一般的透镜系统在成像方面存在一定 的差异,然而一般情况下系统可以简化为理想的光学系统成像模型,即如图1所示的光学结构,即可采用如下所分析的成像原理解释系统离焦现象,同时为了研究不 同类型的光学系统中存在对焦的差异,本文内容主要是在实际望远镜跟踪系统中对焦函数(即图像清晰度函数)的应用情况。

　　理想光学成像原理如图1所示:焦距f，物距u及像距v}者之间的类系为

　　在光学成像系统当中，目标沥体通过系统在成像平面卜成像，理想情况时，像平面上会成一个清晰的像。即正确对焦，物体上的一个点在成像平面上聚焦 成一个点。此时的成像平面又称为聚焦平面。然而若光学系统各部分的光学结构发生变化就会使所成像变模糊，产生了离焦现象，即一个物点在像平面上不是在聚焦 成一个像点、而是扩散成一个具有一定大小的光斑，如图I中的半径为R的圆形光斑，且随着离焦量的增大光斑也会随之扩大.使图像模糊。

　　所谓自动对焦，就是用某种方法使光学系统在成像时进行自动调节使日际物体经过光学系统之后始终成像在要求的像平面(即图像传感器)的位置上.成 清晰的像在数字成像系统中‘可以通过数字图像处理的方式实现自动对焦，对特定的成像系统.图像的清晰度反映了系统的离焦程度.当图像清晰〔即正焦1时.图 像细节丰富，在空域表象为相邻像索的特证值(如灰度)变化大，在领域表现为频s普的高领成分含量多利用这一特点可以构造多种图像清晰度评价函数.如下文所 述，然后利用评价函数的汁算结果米用合适的自动对焦算法就能使光学成像系统实现实时自动对焦。