望远镜电动调焦系统Word下载.docx

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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]。

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。

图1常见的清晰度评价函数

对于灰度梯度，图像中的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。

（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，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。

（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]。

2.450cm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

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。

3A

本系统使用的是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：

S7-200CPU211。

输出：

晶体管类型

西门子S7-200PLC是西门子公司继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

UT-2017

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。

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接口，采用当今先进的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）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。

3研究容、预期目标及研究方法

3.1研究容

（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，达到本科生毕业论文要求。

3.3研究方法

（1）文献研究

根据研究的容和课题，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。

4进度安排

第1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。

本人签名：

年月日

参考文献

[1]何永丰.望远镜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]晓博.基于嵌入式系统的摄像头自动调焦关键技术研究[D].:

航空航天大学,2013.

[3]黄垒,辛立平,旭辉,建彦.广角天文望远镜的自动调焦[J].光学精密工程,2015,23

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174-183.

[4]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]国金，朱妙芳，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

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[6]瑞雨,王晋疆,聂凯,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

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[7]KIMKS,KIMKT,PAIKKJ.Afullydigitalauto-focusingsystembasedonimagerestoration.ProceedingofIEEERegion10AnnualConferenceonSpeechandImageTechnologiesforComputingandTelecommunications.1997.

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[10]辉.CCD图像检测系统自动调焦的研究[D].:

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[11]石火明,乔琪源,胡景耀,林清.兴隆60cm望远镜主焦CCD系统测光性能的研究[J].天体物理学报,1998,18

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[12]陆栋宁,黄垒,颖为,建彦.85cm天文望远镜圆顶和天窗自动化系统研制[J].天文研究与技术,2008,5（4）:

386-391.

指导教师意见

指导教师签字：

年月日