基于距离函数的自动调焦方法研究

　　1 引言

　　摄像经纬仪是导弹武器系统的主要地面设备，为了获得清晰图像，快速、有效地自动调焦是关键。目前，主要有检焦法[1]和基于评价函数[2]的自动调焦方法。然而，它们都不适合于摄像经纬仪小视场条件( 2ω = 2. 4°) ，难于直接捕获目标，而且受环境影响大，其中基于评价函数的自动调焦方法评价函数本身的选择比较困难。针对这些不足，结合实际应用需要，本文提出了基于距离函数的自动调焦方法，推导出经纬仪物距与调焦距离的关系函数，阐述了自动调焦的原理，并对自动调焦系统测量误差作了分析与修正。此种自动调焦方法整个信息传递和处理的过程简单迅速，实时性好，而且环境适应性强。

　　2 自动调焦原理

　　图 1 为经纬仪望远镜内调焦式原理图。这种调焦方式保证物镜与 CCD 敏感面的相对位置不变，当瞄准不同距离目标 A 和 B 时，通过控制电机驱动调焦镜沿光轴方向前后移动，使目标清晰成像在 CCD 敏感面上，最终达到自动调焦目的。图中，L 是目标到物镜之间的距离; d 是调焦透镜与物镜之间距离。在自动调焦过程中，不同物距 L 处的目标，为得到清晰像，调焦镜对应于不同的位置 d( 其中 L 与d 关系见第 2 节中推导) 。自动调焦控制原理如图 2 所示。

　　自动调焦技术包括轴向定位和伺服运动两部分，而轴向定位是核心。离焦的实质是望远镜系统参数没有符合高斯公式。要实施自动调焦首先要离焦检测，文中采用光电法测量物距: ①反射光栅实时提供调焦镜当前的位置信息，通过单片机采集位置信号传送到上位计算机，与上位机程序中的调焦镜初始距离值( 本系统以物镜为坐标原点，此时L 为无穷远，调焦镜的位置值 d = 101. 5236mm) 比较，以差值作为电机的驱动信号使调焦镜处于初始位置，这个过程称为调焦镜的零点复位; ②由激光测距仪实时测出物距L，信号传递给上位机，经过上位机的数据处理( 基于 L 与da 之间关系的距离函数) ，得到调焦距离值 da; ③把调焦镜当前待移动的距离信号发送给调焦单片机，单片机向电机驱动器送出控制命令，驱动器据此经处理、细分、放大以控制步进电机驱动调焦镜沿轴向移动，完成调焦。系统中采用激光测距，对环境要求比较低，抗干扰能力较基于图像处理的调焦方法更强，并且依靠光机电技术的高精度、高速度，可以实现实时、准确地自动调焦。

　　3 距离函数的推导与拟合

　　3. 1 距离函数公式推导

　　当物距由无穷远向近距变化时，目标的像将不再呈在CCD 敏感面上，此时需将调焦镜沿轴向移动，保证像位置不变，调焦镜沿光轴方向的移动距离，称为调焦距离 da。如图 4 所示，已知物镜和调焦镜的主点及焦点 H1、H1'、F1、F1'及 H2、H2'、F2、F2'，利用几何光学作图法[3]，可求出望远系统的主点 H、H'及焦点 F、F'。