望远镜电动调焦系统.docx

1、.目录1课题背景及研究意义11.1课题背景11.2研究意义12文献综述32.1 自动调焦技术的发展及现状32.2 自动调焦技术中常用的清晰度评价函数32.3 调焦策略42.4 50cm望远镜电动调焦系统简介52.4.1 调焦系统指标52.4.2 调焦系统组成52.4.3 器件具体参数53研究内容、预期目标及研究方法83.1研究内容83.2预期目标83.3研究方法84进度安排10参 考 文 献12.北京科技大学本科生毕业设计(论文 )选题报告1 课题背景及研究意义1.1 课题背景在现代社会中，自动调焦技术已经成为成像系统中不可或缺的一部分。成像系统是通过光学系统将三维景物变换成二维平面图像的一个

2、过程。在传统成像过程中，主要以光化学材料作为图像的媒介。而现代的数字成像系统是采用CCD（Charge CoupledDevice）或 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ）等光电器件接收图像信息。数字成像系统彻底的取消了传统相机中的化学处理步骤，使成像的过程更环保快捷，并且更有利于图像的存储，传输以及通过专业软件进行处理，这为自动调焦技术的发展奠定了坚实的基础。同时，随着科学技术的迅速发展，无论在日常生活、科学研究以及军事应用等方面都频繁的应用到了自动调焦技术，从上世纪八十年代开始，随着微电子技术和集成电路技术的快速发展，数字 成像和处理

3、技术的发展越来越趋于先进和成熟，在这个基础上产生的自动调焦技术越来越受到大家的重视并得到快速稳定的发展，已经广泛应用于工业、农业、军事等各个领域，并在照相机、显微镜等光学成像系统中得到了良好的实际应用。1.2 研究意义天文望远镜通常工作在野外环境中，用于观测和拍摄目标星点。一般的天文望远镜在使用时都是人工手动调焦，图像对焦与否是通过人脑来判断的，并通过手动的方式反反复复的调整来实现对焦，这样不仅耗时耗力，并且每次的拍摄精度都会受到不同程度的影响。因此，天文观测的发展对自动调焦技术提出了迫切的需求。一方面，远程控制望远镜包括太空望远镜技术的发展对望远镜提出了很高的自动化要求，另一方面，由于阵列式

4、的天文观测设备发展，几乎不可能用手动方法实现调焦。为了使天文望远镜在复杂的状况下仍能准确对焦，要求自动对焦技术具备良好的目标和环境适应性，尤其是对大气湍流、温度变化的适应性。使用自动调焦可以快速实现调焦，而且一旦出现离焦，自动调节系统可以马上发现，并快速做出响应，以保证望远- 1 -北京科技大学本科生毕业设计(论文 )选题报告镜在观测过程中尽可能多的时间在准焦状态，因此，设计一个自动调焦装置来对望远镜进行调焦是十分必要的。- 2 -北京科技大学本科生毕业设计(论文 )选题报告2 文献综述2.1 自动调焦技术的发展及现状自动调焦技术起源于 20 世纪 70 年代初期，最早应用于数字照相机中 1。

5、早期的自动调焦技术主要有主动式和被动式两种：主动式调焦是基于镜头与被摄目标之间距离的测距方法，常见的有三角测距、红外线测距、超声波测距等；被动式调焦是基于调焦屏上成像清晰的聚焦检测方法，常见的有对比度法和相位法。两种方法都需要安装额外的检测装置，对环境的适应力很差 2。随着半导体技术和图像处理技术的发展，自动调焦技术的理论逐渐从测距原理变为以图像处理为主，通过对比不同位置的成像效果，找出最佳成像位置，实现最佳位置调焦。进入 20 世纪 90 年代后，以 CCD 成像技术为载体的自动调焦技术取得超前发展，各种算法层出不穷，极大的丰富了图像处理方法。自动调焦技术也因此更加智能，调焦电控部分和机械部

6、分得到简化，使自动调焦技术适用于光学领域的各个方面3。2.2 自动调焦技术中常用的清晰度评价函数自动调教技术中，找到合适的图像清晰度评价函数是关键。一个理想的清晰度评价函数应该具有无偏性、单峰性、信噪比高、计算量小等特性4。目前的图像清晰度评价函数有很多，图 1 总结了几类常用的清晰度评价函数。Roberts梯度和函数能量梯度函数Laplace函数灰度梯度函数Tenengrad函数LOG函数Brenner函数小波变换频域函数傅立叶变换离散余弦变换信息学函数 熵函数方差函数统计学函数自相关函数- 3 -北京科技大学本科生毕业设计(论文 )选题报告图 1 常见的清晰度评价函数对于灰度梯度，图像中的

7、目标与背景在边界处的信息实质上可以通过图像函数的梯度来表示。图像越清晰。图像中目标与背景在边界处的灰度差值越大，即该处的梯度越大。因此，通过求取图像梯度即可得到图像边缘信息，进而根据图像整体的灰度差值作为图像的清晰度评价函数。对于频谱函数，其理论依据是：图像傅立叶变换中的高频分量对应着图像的边缘等细节信息，高频分量越多，表示细节越丰富，边缘越清晰。因为可以先对图像进行傅立叶变换，然后将高频部分求和作为评价函数。这种方法计算量很大，难以保证实时性的要求 。对于信息学函数，其理论依据是：正焦图像与离焦图像相比，其灰度值的多样性要大，即它们的信息含量或熵是不一样的。图像趋于离焦时，图像的灰度值趋于单

8、一灰度，信息含量减少，所以，可以利用图像的信息熵来作为自动调焦的评价函数。对于统计学函数，其理论依据是：完全离焦的图像是由单一灰度值组成的，正焦图像则因为包含了清晰图像信息，表现为多灰度值分布，这一特性可以用直方图来表示。常见的清晰度评价函数还有很多，但不同的图像有不同的特点，不同的项目有不同的设计需求，因此在实际应用中，经常需要对常见的清晰度评价函数进行改进5-7。2.3 调焦策略清晰度评价函数具有单峰性，调焦的最终目的是确定此峰值的位置。相应的，调焦策略可分为判定调焦方向和搜索评价函数特性曲线峰值两个步骤。理想的调焦策略应该具有如下特点：（ 1）所需的图像尽量少。（ 2）电机移动的次数少。

9、（ 3）清晰度评价函数选取合适，定位精准 8-9 。在基于数字图像处理的自动对焦技术中，要实现正确对焦关键是系统对焦点的搜索，即确定清晰度评价函数的峰值位置。对焦搜索算法通过比较离散位置上采集的图像的清晰度评价值，给出对焦机构（次镜）的移动方向以及步长，反馈控制直到最佳对焦点。这实质上是一个一维极值的最优化问题。经典的调焦搜索算法有爬山法、Fibonacci搜索法和曲线拟合法等。对于不同的系统，所使用的具体调焦策略不同。一般情况下，- 4 -北京科技大学本科生毕业设计(论文 )选题报告需要根据各系统的特点来对经典的调焦搜索方法进行改进。常见的改进型方法有：（ 1）、逐步逼近的登山式调焦策略。（

10、2）、粗精结合的搜索方法。（ 3）、根据连续多次的调焦函数变化情况作为确定调焦方向的判据 10。2.4 50cm 望远镜电动调焦系统简介2.4.1 调焦系统指标可驱动终端负载重量： 20 千克最小位置分辨率： 0.2um2.4.2 调焦系统组成调焦系统由PLC（可编程逻辑控制器）、步进电机驱动器、电机等组成。可通过RS232 接口与望远镜控制计算机通讯实现计算机控制，也可以直接按控制箱上手动按钮控制。当出现限位情况使，可以用控制器上的手动按钮恢复11-12 。系统原理如图2 所示：图 2 调焦系统原理图2.4.3 器件具体参数（1）步进电机- 5 -北京科技大学本科生毕业设计(论文 )选题报告

11、电机： 57 系列。相数：两相。电流： 3A。步进电机的特点主要归于三个方面，一是过载性好，其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载过大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合；二是控制方便，步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算机控制带来了很大的方便，反过来，计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场；三是整机结构简单。（2）驱动器细分： 50。电流： 3A本系统使用的是RD-026MSA 2 相 3A 脉冲驱动型高转矩细分步步进电机驱动器。细分步即是将原来的一个整步步距分成多步驱动细分步后，各相的驱动电流再也不是非通即断

12、的开关状态，而是一系列分级变化的电流台阶，细分步数越多、台阶越多，在步进角之间的定位点就越多。对于二相步进驱动器，若细分级数无穷大，则A、B 相电流即为正弦、余弦波形。随着细分级数的增加，电机运行时跳跃角度减小。因为是采用空间矢量算法求得的电流向量,所以是可以精确定位的，并细分步距角也上相当精确的，本系列驱动器是采用傅里叶级数的算法，通过D/A 转换逐步计算，得到各相所需电流值的，因为转距正比于电流通量又正比于激磁电流。所以通过控制 A.B 相的电流大小及方向，我们即可控制转子到达各定位点的角度并锁定。（3）PLC型号： S7-200CPU 211。输出：晶体管类型西门子 S7-200PLC是

13、西门子公司继 S7-300、S7-400 之后，投放市场的小型可编程控制器，可单机运行，它结构小巧，可靠性高，指令集丰富，编程开发环境方便，在规模不大的控制领域是较为理想的控制设备，可满足各种各样的自动化控制的需求。（4）RS485/232型号： UT-2017- 6 -北京科技大学本科生毕业设计(论文 )选题报告UT-2017 型无源光电隔离型接口转换器兼容 RS-232C和 RS-485 标准，能够将单端的 RS-232 信号转换为平衡差分的 RS-485 信号。内置的光电隔离器，能够提供高达 2500Vrms 的隔离电压，带有快速的瞬态电压抑制保护器，此保护器被设计用来保护 RS-485

14、 接口，采用当今先进的 TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR）瞬态电压抑制器，正常情况下 TVS 管呈高阻状态，当 TVS 管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度将其两端的阻抗降低，吸收一个大电流，从而把其两端的电压钳制在一个预定的数值上，保护后面的电路元件不因瞬态高压冲击而损坏。 RS-232接口端通过一个 DB9 母头的连接器与兼容 RS-232C 标准接口相连， RS-485 端通过 DB9 公头为输出端。转换器内部带有零延时自动收发转换， 独有的 I/O 电路自动控制数据流方向，而不需任何握手信号 (如 RTS、DTR 等 )，半双工 (RS-485

15、)模式转换，即插即用，确保适合一切现有的通信软件和接口硬件，不需要对以前的基于RS-232的工作方式作任何软件的修改。- 7 -北京科技大学本科生毕业设计(论文 )选题报告3 研究内容、预期目标及研究方法3.1 研究内容（1）研究几种常用的自动调焦方法并分析其优缺点。自动调焦方法主要分为两种： 1）传统自动调焦方法：主动式自动调焦（近红外光线）、被动式自动调焦（通过亮度对比进行鉴别和测距）、测距法（红外测距法、激光测距法、超声波测距法等）；2 ）基于图像处理的自动调焦方法：离焦深度法（从离焦的图像中获得物体深度信息）、调焦深度法（建立在搜寻过程上的调焦方式）。（2）了解和认识国家天文台兴隆基地

16、的 50cm 天文望远镜，对天文望远镜现有的电动调焦系统进行研究和改进，以便实现自动调焦。（3）研究现有的图像清晰度评价函数和调焦搜索算法并适当加以改进。（4）学习 C 语言和 RS23串口通信的原理。（5）结合现有的计算机和 PLC，通过 C 语言编程，实现望远镜的自动调焦。 3.2 预期目标（1）对现有的自动调焦方法有一定的认识，并能总结归纳出优缺点。（2）对国家天文台兴隆基地的 50cm 天文望远镜的光学和机械结构有一定认识，对已有的调焦系统电路及原理能够了解及改进。（3）能够熟悉现有的图像清晰度评价函数和调焦搜索算法，选择出适合天文望远镜调焦的一种进行编程实现。（4）能够熟练使用 C

17、语言编程，能够使用 RS232串口与调焦系统通讯。（5）在软件系统和硬件系统完善的情况下，能够实现天文望远镜的自动调焦。（6）掌握论文书写格式和规范，达到本科生毕业论文要求。3.3 研究方法（1）文献研究- 8 -北京科技大学本科生毕业设计(论文 )选题报告根据研究的内容和课题，通过查找有关资料，实现全面的了解和掌握自动调焦系统的发展状况。（2） 实证研究以兴隆基地 50cm 望远镜为基础，将写好的清晰度评价函数和搜索算法的程序通过串口控制望远镜的调焦，分析调焦时候出现的相关问题并以此解决问题，实现程序更好的适应此望远镜。- 9 -北京科技大学本科生毕业设计(论文 )选题报告4 进度安排第 1

18、 周第 4 周 研读主要参考文献和书目，学习电荷耦合元件（ CCD）图像处理原理，设计步进电机控制结构并初步实现能够安装在望远镜调焦座上，撰写开题报告；第 5 周第 9 周 开发图像清晰度评价函数程序和调焦搜索算法程序并调试，采用光学设计软件 ZEMAX对图像清晰度评价函数程序进行仿真，填写中期检查表；第 10 周第 12 周 进一步完善电路和程序设计，综合进行调试；第 13 周第 15 周 撰写论文，准备学位论文答辩 ;第 16 周毕业设计答辩。-10-北京科技大学本科生毕业设计(论文 )选题报告本人签名：年月日-11-北京科技大学本科生毕业设计(论文 )选题报告参考文献1 何永丰. 望远镜

19、跟踪系统的数字自动对焦技术研究 D. : 中国科学院研究生院 , 2009.2 姜晓博 . 基于嵌入式系统的摄像头自动调焦关键技术研究D.: 沈阳航空航天大学 ,2013.3黄垒,辛立平 ,韩旭辉,魏建彦. 广角天文望远镜的自动调焦 J. 光学精密工程 ,2015,23(1):174-183.4 李晓燕 , 朱庆生 . 一种基于图像清晰度评价的天文望远镜自动调焦系统 J.天文研究与技术（国家天文台台刊） ,2008,5(3): 294-298.5 陈国金，朱妙芳，张克松 . 图像调焦过程的清晰度评价函数研究 J.数据采集与处理 ,2009,24(2): 165-169.6 韩瑞雨 ,王晋疆 ,聂凯 ,刘阳 . 不同对比度下自适应的自动调焦新算法J. 光子学报 ,2012,41(2): 222-227.7 KIM K S, KIM K T, PAIK K J. A fully digital auto-focusing system base