望远镜电动调焦系统.docx

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望远镜电动调焦系统

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得一部分。

成像系统就是通过光学系统将三维景物变换成二维平面图像得一个过程。

在传统成像过程中，主要以光化学材料作为图像得媒介。

而现代得数字成像系统就是采用CCD（ChargeCoupledDevice）或CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）等光电器件接收图像信息。

数字成像系统彻底得取消了传统相机中得化学处理步骤，使成像得过程更环保快捷，并且更有利于图像得存储，传输以及通过专业软件进行处理，这为自动调焦技术得发展奠定了坚实得基础。

同时，随着科学技术得迅速发展，无论在日常生活、科学研究以及军事应用等方面都频繁得应用到了自动调焦技术，从上世纪八十年代开始，随着微电子技术与集成电路技术得快速发展，数字成像与处理技术得发展越来越趋于先进与成熟，在这个基础上产生得自动调焦技术越来越受到大家得重视并得到快速稳定得发展，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得实际应用。

1、2研究意义

天文望远镜通常工作在野外环境中，用于观测与拍摄目标星点。

一般得天文望远镜在使用时都就是人工手动调焦，图像对焦与否就是通过人脑来判断得，并通过手动得方式反反复复得调整来实现对焦，这样不仅耗时耗力，并且每次得拍摄精度都会受到不同程度得影响。

因此，天文观测得发展对自动调焦技术提出了迫切得需求。

一方面，远程控制望远镜包括太空望远镜技术得发展对望远镜提出了很高得自动化要求，另一方面，由于阵列式得天文观测设备发展，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得状况下仍能准确对焦，要求自动对焦技术具备良好得目标与环境适应性，尤其就是对大气湍流、温度变化得适应性。

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，以保证望远镜在观测过程中尽可能多得时间在准焦状态，因此，设计一个自动调焦装置来对望远镜进行调焦就是十分必要得。

2文献综述

2、1自动调焦技术得发展及现状

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]。

早期得自动调焦技术主要有主动式与被动式两种：

主动式调焦就是基于镜头与被摄目标之间距离得测距方法，常见得有三角测距、红外线测距、超声波测距等；被动式调焦就是基于调焦屏上成像清晰得聚焦检测方法，常见得有对比度法与相位法。

两种方法都需要安装额外得检测装置，对环境得适应力很差[2]。

随着半导体技术与图像处理技术得发展，自动调焦技术得理论逐渐从测距原理变为以图像处理为主，通过对比不同位置得成像效果，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成像技术为载体得自动调焦技术取得超前发展，各种算法层出不穷，极大得丰富了图像处理方法。

自动调焦技术也因此更加智能，调焦电控部分与机械部分得到简化，使自动调焦技术适用于光学领域得各个方面[3]。

2、2自动调焦技术中常用得清晰度评价函数

自动调教技术中，找到合适得图像清晰度评价函数就是关键。

一个理想得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]。

目前得图像清晰度评价函数有很多，图1总结了几类常用得清晰度评价函数。

图1常见得清晰度评价函数

对于灰度梯度，图像中得目标与背景在边界处得信息实质上可以通过图像函数得梯度来表示。

图像越清晰。

图像中目标与背景在边界处得灰度差值越大，即该处得梯度越大。

因此，通过求取图像梯度即可得到图像边缘信息，进而根据图像整体得灰度差值作为图像得清晰度评价函数。

对于频谱函数，其理论依据就是：

图像傅立叶变换中得高频分量对应着图像得边缘等细节信息，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，然后将高频部分求与作为评价函数。

这种方法计算量很大，难以保证实时性得要求。

对于信息学函数，其理论依据就是：

正焦图像与离焦图像相比，其灰度值得多样性要大，即它们得信息含量或熵就是不一样得。

图像趋于离焦时，图像得灰度值趋于单一灰度，信息含量减少，所以，可以利用图像得信息熵来作为自动调焦得评价函数。

对于统计学函数，其理论依据就是：

完全离焦得图像就是由单一灰度值组成得，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。

常见得清晰度评价函数还有很多，但不同得图像有不同得特点，不同得项目有不同得设计需求，因此在实际应用中，经常需要对常见得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，调焦得最终目得就是确定此峰值得位置。

相应得，调焦策略可分为判定调焦方向与搜索评价函数特性曲线峰值两个步骤。

理想得调焦策略应该具有如下特点：

（1）所需得图像尽量少。

（2）电机移动得次数少。

（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得自动对焦技术中，要实现正确对焦关键就是系统对焦点得搜索，即确定清晰度评价函数得峰值位置。

对焦搜索算法通过比较离散位置上采集得图像得清晰度评价值，给出对焦机构（次镜）得移动方向以及步长，反馈控制直到最佳对焦点。

这实质上就是一个一维极值得最优化问题。

经典得调焦搜索算法有爬山法、Fibonacci搜索法与曲线拟合法等。

对于不同得系统，所使用得具体调焦策略不同。

一般情况下，需要根据各系统得特点来对经典得调焦搜索方法进行改进。

常见得改进型方法有：

（1）、逐步逼近得登山式调焦策略。

（2）、粗精结合得搜索方法。

（3）、根据连续多次得调焦函数变化情况作为确定调焦方向得判据[10]。

2、450cm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、2um

2、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，可以用控制器上得手动按钮恢复[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

电机：

57系列。

相数：

两相。

电流：

3A。

步进电机得特点主要归于三个方面，一就是过载性好，其转速不受负载大小得影响，不像普通电机，当负载过大时就会出现速度下降得情况，所以步进电机使用在对速度与位置都有严格要求得场合；二就是控制方便，步进电机就是以“步”为单位旋转得，数字特征比较明显，这样就给计算机控制带来了很大得方便，反过来，计算机得出现也为步进电机开辟了更为广阔得使用市场；三就是整机结构简单。

（2）驱动器

细分：

50。

电流：

3A

本系统使用得就是RD-026MSA2相3A脉冲驱动型高转矩细分步步进电机驱动器。

细分步即就是将原来得一个整步步距分成多步驱动细分步后，各相得驱动电流再也不就是非通即断得开关状态，而就是一系列分级变化得电流台阶，细分步数越多、台阶越多，在步进角之间得定位点就越多。

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。

随着细分级数得增加，电机运行时跳跃角度减小。

因为就是采用空间矢量算法求得得电流向量,所以就是可以精确定位得，并细分步距角也上相当精确得，本系列驱动器就是采用傅里叶级数得算法，通过D/A转换逐步计算，得到各相所需电流值得，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相得电流大小及方向，我们即可控制转子到达各定位点得角度并锁定。

（3）PLC

型号：

S7-200CPU211。

输出：

晶体管类型

西门子S7-200PLC就是西门子公司继S7-300、S7-400之后，投放市场得小型可编程控制器，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，在规模不大得控制领域就是较为理想得控制设备，可满足各种各样得自动化控制得需求。

（4）RS485/232

型号：

UT-2017

UT-2017型无源光电隔离型接口转换器兼容RS-232C与RS-485标准，能够将单端得RS-232信号转换为平衡差分得RS-485信号。

内置得光电隔离器，能够提供高达2500Vrms得隔离电压，带有快速得瞬态电压抑制保护器，此保护器被设计用来保护RS-485接口，采用当今先进得TVS（TRANSIENTVOLTAGESUPPRESSOR）瞬态电压抑制器，正常情况下TVS管呈高阻状态，当TVS管两端经受瞬间得高能量冲击时，它能以极高得速度将其两端得阻抗降低，吸收一个大电流，从而把其两端得电压钳制在一个预定得数值上，保护后面得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母头得连接器与兼容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，独有得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）模式转换，即插即用，确保适合一切现有得通信软件与接口硬件，不需要对以前得基于RS-232得工作方式作任何软件得修改。

3研究内容、预期目标及研究方法

3、1研究内容

（1）研究几种常用得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与测距）、测距法（红外测距法、激光测距法、超声波测距法等）；2）基于图像处理得自动调焦方法：

离焦深度法（从离焦得图像中获得物体深度信息）、调焦深度法（建立在搜寻过程上得调焦方式）。

（2）了解与认识国家天文台兴隆基地得50cm天文望远镜，对天文望远镜现有得电动调焦系统进行研究与改进，以便实现自动调焦。

（3）研究现有得图像清晰度评价函数与调焦搜索算法并适当加以改进。

（4）学习C语言与RS23串口通信得原理。

（5）结合现有得计算机与PLC，通过C语言编程，实现望远镜得自动调焦。

3、2预期目标

（1）对现有得自动调焦方法有一定得认识，并能总结归纳出优缺点。

（2）对国家天文台兴隆基地得50cm天文望远镜得光学与机械结构有一定认识，对已有得调焦系统电路及原理能够了解及改进。

（3）能够熟悉现有得图像清晰度评价函数与调焦搜索算法，选择出适合天文望远镜调焦得一种进行编程实现。

（4）能够熟练使用C语言编程，能够使用RS232串口与调焦系统通讯。

（5）在软件系统与硬件系统完善得情况下，能够实现天文望远镜得自动调焦。

（6）掌握论文书写格式与规范，达到本科生毕业论文要求。

3、3研究方法

（1）文献研究

根据研究得内容与课题，通过查找有关资料，实现全面得了解与掌握自动调焦系统得发展状况。

（2）实证研究

以兴隆基地50cm望远镜为基础，将写好得清晰度评价函数与搜索算法得程序通过串口控制望远镜得调焦，分析调焦时候出现得相关问题并以此解决问题，实现程序更好得适应此望远镜。

4进度安排

第1周～第4周研读主要参考文献与书目，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与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周进一步完善电路与程序设计，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。

本人签名：

年月日

参考文献

[1]何永丰、望远镜跟踪系统得数字自动对焦技术研究[D]、北京:

中国科学院研究生院,2009、

[2]姜晓博、基于嵌入式系统得摄像头自动调焦关键技术研究[D]、沈阳:

沈阳航空航天大学,2013、

[3]黄垒,辛立平,韩旭辉,魏建彦、