为了在红外成像系统中实现高效的自动对焦功能，深入分析和讨论了红外成像系统中自动对焦功能的优化方法及特点。结合具体的工程化应用，提出了一种对图像清晰度评价函数局部随机起伏噪声的估计方法，该方法可以提高自动对焦功能的可靠性，通过将图像清晰度评价函数的灵敏度作为反馈量引入爬坡过程，优化了爬坡算法的收敛速度。其优化方法在工程应用中的实施效果，验证了设计的正确性，优化方法的有效性。

为了满足无人机光电载荷的体积和重量要求, 并有效解决传统凸轮机构加工精度要求高、系统易产生机械振荡等问题, 提高系统的响应速度和变焦精度, 对基于步进电机驱动实现连续变焦的直线变倍成像系统进行研究。采用二相混合式步进电机驱动实现机械补偿式变焦系统的变焦聚焦功能。首先, 本文研究了基于步进电机的直线变倍成像系统的工作原理与构成, 完成硬件平台的搭建, 利用单片机控制实现步进电机的加减速过程。然后构造适合本系统的图像清晰度评价函数, 并采用扫描反馈搜索算法完成对镜头焦距值的标定, 将标定结果载入聚焦算法。最后, 完成系统的性能测试。测试结果显示, 采用速度控制模型后, 步进电机的定位误差显著降低, 范围在0010 mm以下, 整个系统的变焦精度远远小于1%, 而且光学性能和外场拍摄性能较好。该基于步进电机的直线变倍成像系统满足无人机光电载荷的适用性要求。

针对影像测量领域中自动对焦方法存在的对焦准确性不高、对焦过程复杂等问题, 提出了一种采用加权最小二乘准则的自动对焦方法。首先, 根据不同种类图像清晰度评价函数的评价特性, 选定对焦过程中所用的图像清晰度评价函数。其次, 在图像清晰度评价函数的基础上进行两阶段对焦, 即粗对焦阶段与精对焦阶段。然后, 分析了加权最小二乘准则中加权系数的确定原则并给出了其具体确定方法。最后, 对精对焦阶段所得清晰度评价值进行归一化处理, 采用加权最小二乘准则进行高斯曲线拟合求取极值, 极值位置即最终正焦平面。实验结果表明: 在步距为0.1mm的条件下, 该方法与现有的洛伦兹(Lorent)、Gauss拟合方法相比, 对焦误差由0.05mm降低到0.02mm, 有效地提高了现有曲线拟合法的对焦准确性。

现有图像清晰度评价函数在对ICF微靶装配体图像的评价过程中, 由于不同零件图像对比度的变化, 评价函数极易失去其理想曲线特性, 导致聚焦精度降低甚至调焦过程失败。针对这一问题, 在分析离焦图像模糊原因的基础上, 得出离焦图像究其本质为图像结构变化失真。利用Zernike矩具有描述图像结构特征这一特性, 提出一种新的针对微靶装配体图像的清晰度评价函数。评价函数由图像不同阶Zernike矩的线性组合构成, 通过调节权重系数来实现微靶装配体不同零件图像的清晰度评价。实验结果表明: 相较于现有的评价函数, 新的评价函数在对微靶装配体图像评价过程中保持了函数的理想曲线特性, 尤其是针对低对比度图像, 其在灵敏度和抗噪性方面具有明显优势。

为消除大气压力和温度的变化对航空CCD相机成像清晰度的影响，减少相机控制环节，设计了一种基于两种图像清晰度评价函数确定镜头焦面位置的自动检焦系统。灰度差分法函数用于较大范围大步长粗检焦，Brenner函数用于小范围小步长细检焦，检焦过程运用爬山搜索法求取评价函数的最大值。这种采用粗精结合的控制方法不仅有效地节省了图像处理的时间，而且提高了检焦的精度。经过光学测试和试验证明，该系统运行稳定，检焦精度为0.01 mm，满足了航空相机焦面位置精度要求。

分析了摄影环境的大气压力和温度的变化对航空相机离焦的影响,介绍了基于光学自准直的自动调焦系统的硬件电路原理和软件流程设计。基于光学自准直的检焦技术,选用两种图像清晰度评价函数,运用爬山搜索法采用变步长进行检焦控制,不仅有效地节省了检焦时图像处理的时间,而且提高了检焦的精度。通过引入高度和摄影角度数据,进行离焦量计算,通过控制驱动电路调整CCD的位置来完成自动调焦过程。经过光学测试和试飞证明,该系统满足了航空相机调焦精度要求。