非制冷紅外熱像儀連續(xù)變焦及快速自動(dòng)聚焦電路及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于紅外成像及紅外運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，根據(jù)紅外圖像及連續(xù)變焦凸輪曲線， 實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)變焦紅外熱像儀精確變焦控制及任意位置自動(dòng)聚焦控制，適用于紅外搜救、跟 蹤、監(jiān)控及安防系統(tǒng)，特別涉及一種非制冷紅外熱像儀連續(xù)變焦及快速自動(dòng)聚焦電路及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于監(jiān)控、安防系統(tǒng)，首先需要快速大范圍搜索并發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，然后才能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行 放大，跟蹤、監(jiān)控。當(dāng)采用單鏡頭時(shí)，由于視場(chǎng)固定，如果采用大視場(chǎng)鏡頭，有利于目標(biāo)的搜 索但不利于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行放大、跟蹤和監(jiān)控。采用小視場(chǎng)鏡頭，則不利于目標(biāo)的搜索。如果 采用雙視場(chǎng)和三視場(chǎng)鏡頭，從大視場(chǎng)切換到小視場(chǎng)時(shí)，由于不能實(shí)時(shí)監(jiān)控，容易丟失目標(biāo)。 而采用連續(xù)變焦紅外鏡頭的紅外熱像儀有著無與倫比的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)需要搜索目標(biāo)時(shí)，采用大 視場(chǎng)方式，便于大范圍內(nèi)快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，根據(jù)目標(biāo)的特征，可以快速調(diào)整到 合適的視場(chǎng)大小，而且在視場(chǎng)調(diào)整時(shí)，紅外熱像儀圖像能一直保持清晰，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān) 控，不會(huì)因?yàn)橐晥?chǎng)的切換而丟失目標(biāo)。
[0003] 然而實(shí)際的連續(xù)變焦鏡頭不可能保持變焦范圍內(nèi)所有的點(diǎn)都齊焦，影響連續(xù)變焦 紅外鏡頭齊焦性主要有以下三個(gè)方面的，第一：由于受零、部件（特別是變焦凸輪曲線）加 工誤差，以及紅外連續(xù)變焦鏡頭裝配誤差的影響，連續(xù)變焦紅外鏡頭的齊焦性一直很不穩(wěn) 定，很難保證連續(xù)變焦鏡頭在焦距范圍內(nèi)的任何位置圖像一直都保持清晰；第二：由于紅 外光學(xué)材料折射率溫度系數(shù)dn/dT較大，比可見光光學(xué)材料折射率的溫度系數(shù)大一個(gè)數(shù)量 級(jí)以上，因此，在不同環(huán)境溫度下，紅外鏡片的曲率、厚度及相對(duì)位置都會(huì)發(fā)生變化，從而使 連續(xù)變焦紅外熱像儀的齊焦性更加劣化。由于裝配調(diào)試通常在室溫條件下進(jìn)行，當(dāng)某個(gè)鏡 頭裝調(diào)完成后，在室溫時(shí)齊焦性尚能滿足要求，但在其它溫度條件下，不同的變焦位置成像 時(shí)，目標(biāo)離焦情況千差萬別，很難通過某些固定的補(bǔ)償方式進(jìn)行修正。第三：由于紅外熱像 儀接收目標(biāo)的紅外輻射，在某一個(gè)環(huán)境溫度下，工作一段時(shí)間后，紅外鏡頭的溫度會(huì)緩慢升 高，此時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致紅外鏡頭的齊焦性發(fā)生變化，特別是當(dāng)紅外鏡頭的焦距較大時(shí)，目標(biāo)離 焦及像差會(huì)更加明顯。使用紅外熱像儀經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)，在對(duì)某個(gè)目標(biāo)連續(xù)監(jiān)控一段時(shí)間后，紅 外視頻會(huì)越來越模糊。采用電動(dòng)調(diào)焦時(shí)，很難快速將視頻圖像調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)，特別是在視 場(chǎng)轉(zhuǎn)換后，在用戶進(jìn)行電動(dòng)調(diào)焦的過程中，目標(biāo)可能消失在視場(chǎng)之外，因此嚴(yán)重影響用戶對(duì) 目標(biāo)的監(jiān)視及跟蹤。
[0004] 由于連續(xù)變焦凸輪是一個(gè)不規(guī)則的曲線，很難根據(jù)目標(biāo)特征精確調(diào)整視場(chǎng)大小并 反饋當(dāng)前視場(chǎng)大小的值，采用傳統(tǒng)方式反饋的視場(chǎng)精度也無法滿足目標(biāo)跟蹤使用要求。
[0005] 此外，非制冷紅外熱像儀像元點(diǎn)灰度值波動(dòng)范圍較大，在相同的環(huán)境溫度，對(duì)同一 個(gè)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，每個(gè)像元點(diǎn)的變化量在〇~7之間，因此采用基于圖像的梯度的自動(dòng)聚 焦算法很難將聚焦的精度提高到98%以上。由于環(huán)境的濕度及目標(biāo)距離的影響，根據(jù)圖像 的灰度值也難以判定目標(biāo)的離焦程度，如果采用相同的聚焦步長(zhǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致聚焦的速度及 精度達(dá)不到使用的要求。因此，制約了自動(dòng)聚焦技術(shù)在非制冷紅外熱像儀上的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題；提供了一種采用線性分段擬合方 式，精確模擬出變焦凸輪曲線；自動(dòng)聚焦采用模糊控制與Tenengrad評(píng)價(jià)函數(shù)相結(jié)合的方 式，通過自適應(yīng)聚焦步長(zhǎng)，快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)聚焦的非制冷紅外熱像儀連續(xù)變焦及快速 自動(dòng)聚焦電路及方法。
[0007] 本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的： 一種非制冷紅外熱像儀連續(xù)變焦及快速自動(dòng)聚焦電路，其特征在于，包括：供電電路、 數(shù)據(jù)采集電路、主控系統(tǒng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、位置反饋電路、串口控制電路，其中： 所述供電電路包括：開關(guān)電源，與開關(guān)電源相連的低壓差線性穩(wěn)壓器LDO ; 所述數(shù)據(jù)采集電路包括：數(shù)字視頻接口以及FIFO存儲(chǔ)器； 所述主控系統(tǒng)電路包括：主控制芯片MCU，數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP，與所述數(shù)字信號(hào)處 理芯片DSP相連的用于存儲(chǔ)程序的串口 FLASH ; 所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括：變焦電機(jī)驅(qū)動(dòng)，與變焦電機(jī)驅(qū)動(dòng)相連的聚焦電機(jī)驅(qū)動(dòng)，與聚焦 電機(jī)驅(qū)動(dòng)相連的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)為H橋驅(qū)動(dòng)； 所述位置反饋電路包括：采用同一個(gè)基準(zhǔn)源供電的線性電位器和采樣ADC ; 所述串口控制電路包括：用于與上位機(jī)系統(tǒng)通信的上行串口，用于與數(shù)字板通信的數(shù) 據(jù)字板通信串口； 所述主控制芯片MCU分別與數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP、數(shù)據(jù)字板通信串口相互通信，所 述主控制芯片MCU的信號(hào)輸出端與變焦電機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端相連，所述主控制芯片 MCU的信號(hào)輸入端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及線性電位器的接口相連；所述低壓差線性穩(wěn)壓器LDO分 別與數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP和FIFO存儲(chǔ)器的電源輸入端相連；所述數(shù)字視頻接口的輸出端 分別與FIFO存儲(chǔ)器和開關(guān)電源輸入端相連。
[0008] 由于變焦電機(jī)與聚焦電機(jī)分開，其中變焦電機(jī)由電位器反饋，而聚焦電機(jī)由視頻 圖像反饋，極限位置由限位開關(guān)反饋；原圖在該處做了簡(jiǎn)化，所以畫在一個(gè)框圖內(nèi)； 在上述的一種非制冷紅外熱像儀連續(xù)變焦及快速自動(dòng)聚焦電路，其特征在于，所述開 關(guān)電源輸入的電壓范圍達(dá)為6V~24V，所述低壓差線性穩(wěn)壓器LDO調(diào)整壓差為0.4V~ 0. 7V〇
[0009] -種非制冷紅外熱像儀連續(xù)變焦及快速自動(dòng)聚焦方法，包括： 連續(xù)變焦控制步驟，利用若干特定點(diǎn)變焦凸輪曲線，便于精確擬合凸輪曲線；采用分段 方式精確擬合變焦凸輪曲線，利用該變焦凸輪曲線精確控制變焦及反饋視場(chǎng)值；其中，光 學(xué)系統(tǒng)變焦透鏡組的移動(dòng)軌跡，當(dāng)透鏡組在光路中遵循該曲線移動(dòng)時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的焦距發(fā) 生改變，同時(shí)像面保持穩(wěn)定不動(dòng)，而特定的點(diǎn)則是該變焦凸輪曲線中的離散點(diǎn)，選取曲線在 設(shè)定范圍內(nèi)變化大的離散點(diǎn)即特定點(diǎn)； 自動(dòng)聚焦控制步驟，在不同的離焦位置選擇合適的聚焦步長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)聚焦。
[0010] 在上述的一種非制冷紅外熱像儀連續(xù)變焦及快速自動(dòng)聚焦方法，所述續(xù)變焦控制 步驟包括： 凸輪曲線擬合子步驟：設(shè)置若干特定點(diǎn)，根據(jù)連續(xù)變焦紅外鏡頭的變焦范圍，通過分段 直線擬合方式，精確擬合變焦凸輪曲線； 變焦位置反饋?zhàn)硬襟E，采用電位器進(jìn)行變焦位置反饋； 焦距視場(chǎng)調(diào)整子步驟，根據(jù)擬合得到的變焦凸輪曲線以及電位器反饋得到的電位器 值，采用變焦凸輪曲線與電位器值一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，精確控制變焦及反饋視場(chǎng)值。
[0011] 在上述的一種非制冷紅外熱像儀連續(xù)變焦及快速自動(dòng)聚焦方法，所述自動(dòng)聚焦控 制步驟包括： 邊緣能量計(jì)算子步驟，利用基于Sobel梯度算子的視頻圖像Tenengrad評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算 邊緣能量值Jff33r -A ; 聚焦方向判斷子步驟，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)并計(jì)算新的邊緣能量值& -B，根據(jù)邊緣能量值 jffST _A和邊緣能量值jffST _B判斷相機(jī)聚焦方向是否正確（怎么判斷)，當(dāng)Fsh3大于F ST_A時(shí)一 個(gè)步距值時(shí)，聚焦方向正確，當(dāng)Fst_b小于Fst_a-個(gè)步距值時(shí)，聚焦方向相反，當(dāng)F st_b等于Fst_a (也就是值的變化小于步距，則處在遠(yuǎn)離焦的位置上，或者視場(chǎng)中沒有目標(biāo)，只有背景，一直 按該方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如果碰到限位開關(guān)，則反向，或者走1. 5分鐘(根據(jù)調(diào)焦全程需要的時(shí) 間來設(shè)定)匕^與？^3差沒有大過步距的值時(shí)，則反向，如果反向再次碰到限位開關(guān)，則表明 視場(chǎng)中沒有視頻，停止調(diào)焦）若聚焦方向錯(cuò)誤，則電機(jī)轉(zhuǎn)向； 模糊邏輯判斷子步驟，計(jì)算當(dāng)前視場(chǎng)的邊緣能量值FST并對(duì)其進(jìn)行分段模糊化， 將模糊化結(jié)果與d(FST)/dt值組成一個(gè)加權(quán)矩陣，STvl表示FST值大，STvs表示表示 FST值小；其中，加權(quán)矩陣是根據(jù)不同的紅外探測(cè)器的響應(yīng)率給出的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)于 UL03262，UL03362,