用于空間光學(xué)相機(jī)快速成像的自適應(yīng)調(diào)焦系統(tǒng)及調(diào)焦方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于空間光學(xué)相機(jī)快速成像的自適應(yīng)調(diào)焦系統(tǒng)及調(diào)焦方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空間光學(xué)遙感器的主要作用是從外層空間獲取地面信息，其航天任務(wù)的核心是獲取清晰完整的地面詳查和普查圖像。目前，各國(guó)對(duì)空間光學(xué)相機(jī)的應(yīng)用需求越來(lái)越廣泛。碳纖維復(fù)合材料具有比剛度大、比模量高、抗疲勞性能好、抗振性能優(yōu)良、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在空間光學(xué)遙感儀器結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。
[0003]隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)空間光學(xué)相機(jī)入軌后能夠快速成像的需求越來(lái)越高，但是由于不可避免的存在離焦因素，因此，空間光學(xué)相機(jī)的快速成像已經(jīng)成為光學(xué)遙感快速成像技術(shù)的最主要制約因素。根據(jù)空間相機(jī)的溫度環(huán)境，實(shí)時(shí)確定相機(jī)成像時(shí)的最佳焦面位置，是提高空間相機(jī)快速成像能力的關(guān)鍵因素。
[0004]在同軸三反光學(xué)系統(tǒng)中，主反射鏡的溫度變形是造成空間光學(xué)相機(jī)離焦的主要因素。對(duì)于空間光學(xué)相機(jī)，解決溫度影響造成空間相機(jī)離焦的方法主要有兩種:(I)主動(dòng)熱控。通過(guò)控制相機(jī)各個(gè)關(guān)鍵位置的溫度，使相機(jī)整體達(dá)到溫度平衡，然后根據(jù)地面試驗(yàn)結(jié)果上注調(diào)焦指令調(diào)整相機(jī)的焦面，對(duì)相機(jī)的離焦進(jìn)行補(bǔ)償。(2)焦面調(diào)整。相機(jī)成像后將圖片下傳至地面應(yīng)用系統(tǒng)，由地面人員判斷相機(jī)是否離焦并計(jì)算相機(jī)的離焦量，再通過(guò)地面上注調(diào)焦指令到相機(jī)調(diào)焦控制系統(tǒng)，由相機(jī)調(diào)焦控制系統(tǒng)將相機(jī)焦面調(diào)整到最佳的攝像位置。上述兩種方法共同的缺點(diǎn)是需要地面工作人員通過(guò)相機(jī)遙測(cè)參數(shù)結(jié)合圖像對(duì)相機(jī)焦面進(jìn)行單次或多次調(diào)整，以達(dá)到獲取清晰圖像的目的，所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足空間光學(xué)相機(jī)快速成像的需求。
[0005]與本發(fā)明的一部分最為接近的已有技術(shù)是Altadena儀器公司RogerW.Applewhite等于 1992年在SPIE上提出的《The effects of thermal gradients on theMars Observer Camera primary mirror》。該設(shè)計(jì)如圖1所示，包括主反射鏡1、內(nèi)環(huán)加熱器
2、內(nèi)環(huán)測(cè)溫點(diǎn)3、外環(huán)測(cè)溫點(diǎn)4、外環(huán)加熱器5、多層隔熱組件6。通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)加熱器2和外環(huán)加熱器5的加熱功率從而控制內(nèi)環(huán)測(cè)溫點(diǎn)3、外環(huán)測(cè)溫點(diǎn)4的溫度，由于多層隔熱組件6的作用，會(huì)形成相機(jī)主鏡I的徑向溫差，進(jìn)而控制火星軌道相機(jī)的焦面位置。其調(diào)焦控制原理如下:衛(wèi)星入軌后待相機(jī)溫度平衡后開(kāi)始拍照，經(jīng)數(shù)傳系統(tǒng)下傳到地面，由技術(shù)人員對(duì)圖像進(jìn)行判讀，判斷圖像是否離焦，若不離焦，就維持現(xiàn)有控溫門限，繼續(xù)執(zhí)行拍照指令，若離焦，則需要調(diào)整控溫門限，帶相機(jī)溫度穩(wěn)定后，再次拍照，確認(rèn)是否離焦。其調(diào)焦控制策略如圖2所示。這種相機(jī)焦面位置控制的設(shè)計(jì)缺點(diǎn)是:控制邏輯復(fù)雜，耦合了兩處測(cè)溫點(diǎn)，通過(guò)電加熱器的方式控制主反射鏡的溫差，受主反射鏡熱容限制和人工判讀圖像的影響，響應(yīng)速度慢，不適合大口徑空間相機(jī)的快速成像的應(yīng)用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于解決空間光學(xué)相機(jī)入軌后在溫度不平衡條件下的快速高質(zhì)量成像問(wèn)題，并可以有效解決相機(jī)調(diào)焦需要人工輔助、調(diào)焦時(shí)間長(zhǎng)、離焦補(bǔ)償不連續(xù)等問(wèn)題，提出一種用于空間光學(xué)相機(jī)快速成像的自適應(yīng)調(diào)焦系統(tǒng)及調(diào)焦方法。
[0007]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下:
[0008]—種用于空間光學(xué)相機(jī)快速成像的自適應(yīng)調(diào)焦系統(tǒng)，包括:主反射鏡溫度采集單元、相機(jī)控制器單元、調(diào)焦機(jī)構(gòu)單元;相機(jī)控制器單元與主反射鏡溫度采集單元和調(diào)焦機(jī)構(gòu)單元相連;其中:
[0009]主反射鏡溫度采集單元可將采集得到的主反射鏡溫度反饋給相機(jī)控制器單元；
[0010]相機(jī)控制器單元用于采集主反射鏡溫度信號(hào)和焦面位置信號(hào)，處理后得到步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)并傳遞給調(diào)焦機(jī)構(gòu)單元進(jìn)行閉環(huán)調(diào)焦控制。
[0011 ]在上述技術(shù)方案中，所述主反射鏡溫度采集單元包括:主反射鏡、外環(huán)加熱器、精確測(cè)溫傳感器、多層隔熱組件；
[0012]外環(huán)加熱器通過(guò)膠帶粘貼于多層隔熱組件的內(nèi)表面;精確測(cè)溫傳感器粘貼于主反射鏡背部中央;外環(huán)加熱器根據(jù)精確測(cè)溫傳感器的溫度對(duì)主反射鏡進(jìn)行閉環(huán)溫度控制，多層隔熱組件的目標(biāo)是減小主反射鏡和其他組件的熱耦合。
[0013]在上述技術(shù)方案中，所述相機(jī)控制器單元包括:相機(jī)下位機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編碼器解碼電路；
[0014]相機(jī)下位機(jī)接收主反射鏡溫度信號(hào)計(jì)算當(dāng)前主反射鏡溫度下焦面位置，通過(guò)編碼器解碼電路讀取調(diào)焦編碼器反饋的當(dāng)前焦面位置信號(hào)，進(jìn)行處理后得到步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)并通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路傳遞給調(diào)焦機(jī)構(gòu)單元。
[0015]在上述技術(shù)方案中，所述調(diào)焦機(jī)構(gòu)單元包括步進(jìn)電機(jī)、雙滑塊連桿機(jī)構(gòu)、調(diào)焦編碼器和調(diào)焦鏡組件;步進(jìn)電機(jī)接收到下位機(jī)的控制信號(hào)后進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)雙滑塊連桿機(jī)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為調(diào)焦鏡組件的平動(dòng)，像面位置由調(diào)焦編碼器反饋給下位機(jī)。
[0016]上述的自適應(yīng)調(diào)焦系統(tǒng)的調(diào)焦方法，包括以下步驟:
[0017]第一步:相機(jī)下位機(jī)讀取主反射鏡溫度值，進(jìn)行溫度平衡判斷，計(jì)算當(dāng)前主反射鏡溫度下最佳焦面位置并計(jì)算最佳焦面位置處對(duì)應(yīng)的編碼器碼值；
[0018]第二步:下位機(jī)讀取當(dāng)前編碼器碼值，并計(jì)算當(dāng)前焦面位置；
[0019]第三步:下位機(jī)對(duì)兩個(gè)焦面位置進(jìn)行比較，若小于系統(tǒng)允許誤差值，則不進(jìn)行調(diào)焦，若大于系統(tǒng)允許誤差值，則進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦；
[0020]第四步:由下位機(jī)計(jì)算步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0021]第五步:步進(jìn)電機(jī)接收到下位機(jī)的控制信號(hào)后進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)雙滑塊連桿機(jī)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為調(diào)焦鏡組件的平動(dòng)，像面位置由調(diào)焦編碼器反饋給下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制；
[0022]第六步:在讀取電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止后編碼器碼值并換算成焦面位置，再次進(jìn)行調(diào)焦后焦面位置與最佳焦面位置的比較;重復(fù)第三步操作，直到調(diào)焦后焦面位置與最佳焦面位置誤差小于系統(tǒng)允許值，結(jié)束調(diào)焦工作。
[0023]本發(fā)明的積極效果:
[0024]本發(fā)明解決了同軸三反碳纖維空間光學(xué)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)溫度變化造成離焦的判斷，省去了下傳數(shù)據(jù)再人為判斷離焦、計(jì)算離焦量、上注調(diào)焦指令等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)焦面與相機(jī)溫度的實(shí)時(shí)閉環(huán)調(diào)整，確保了決空間光學(xué)相機(jī)入軌后在溫度不平衡條件下的快速高質(zhì)量成像問(wèn)題，為我國(guó)空間光學(xué)衛(wèi)星快速成像的發(fā)展提供了技術(shù)支持。
【附圖說(shuō)明】
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0026]圖1是已有技術(shù)空間相機(jī)主反射鏡熱控方案示意圖；
[0027]圖2是已有技術(shù)空間相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)工作原理示意圖；
[0028]圖3是本發(fā)明自適應(yīng)調(diào)焦系統(tǒng)的組成框圖；
[0029]圖4是本發(fā)明自適應(yīng)調(diào)焦系統(tǒng)的工作原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做以詳細(xì)說(shuō)明。
[0031]—種用于同軸三反碳纖維空間光學(xué)相機(jī)快速成像的自適應(yīng)調(diào)焦系統(tǒng)，如圖3所示。該自適應(yīng)調(diào)焦系統(tǒng)包括:主反射鏡溫度采集單元、相機(jī)控制器單元、調(diào)焦機(jī)構(gòu)單元。主反射鏡溫度采集單元