适用于波前处理器的自适应光学系统非共光路像差补偿方法

提出了一种适合硬件形式波前处理器的非共光路像差校正方法.讨论了非共光路像差的产生原因和运用相位差异技术检测非共光路像差的方法.根据波前处理器的工作流程,推导了将非共光路像差折算到波前探测器参考点偏移量的算法,编写了实现算法的主控计算机软件模块.在望远镜光路中以光源为目标开展实验,用本文算法校正后,目标能量集中度提高了17.6%,证明了该方法的可行性.

349单元自适应光学波前处理器

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求,本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统,该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器,报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果,实验中对模拟大气相干长度r_0为6cm,格林伍德频率为160Hz的大气湍流实现有效校正,自适应光学系统闭环后,波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600nm,后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500Hz的波前校正频率下有较高的成像质量,波前处理延时优于235μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100Hz以下的波前畸变具有明显的校正效果。

基于脉动阵列的自适应光学实时波前处理机设计

针对自适应光学系统对波前处理机高计算量、高实时性的要求,本文提出了一种基于脉动阵列的自适应光学实时波前处理方法。该方法将脉动阵列的概念引入波前处理机设计,完成了波前斜率计算、复原运算和控制运算向脉动阵列的映射,合理地建立了数据的深度流水线,同时分析了以FPGA技术实现时系统的计算延时。对于48个子孔径、61单元的自适应光学系统,以一片Xilinx Virtex-ⅡXC2V3000芯片实现了基于脉动阵列的实时波前处理机,实验测得计算延时仅8.6μs,结果表明该方法能极大地提高系统的实时性、集成度、通用性和扩展性。

高速自适应光学波前处理器─—流水式多SIMD结构

自适应光学波前处理器是自适应光学系统的核心部件之一，它必须实时完成自适应光学系统中所有信号处理任务．本文在对波前复原算法分析的基础上，根据算法内在的并发性，提出一种流水式多SIMD（单指令多数据流）并行处理结构．这种结构可以使波前处理器完成对帧频为850Hz，象素点为128×128视频图像的实时处理，整个系统的处理延迟小于1／4帧周期．

自适应光学波前处理器的软件测试研究

自适应光学系统中,由于中间计算结果不易监测,对基于FPGA的波前处理器进行硬件调试比较困难。为了方便硬件调试,也避免硬件调试中的不当输出对精密的波前校正器带来损害,提出了波前处理器的主控计算机软件测试方法。首先,对波前处理器的功能、组成和工作流程进行了分析,确定了波前处理器的软件测试步骤。然后,采用判断波前处理器回复数据的方法设计了波前处理器的工作模式测试和系统参数测试;采用比较软件模拟计算值和波前处理器上传值的方法分别设计了波前处理器波前斜率计算测试、波前重构测试和波前控制测试。最后,将本文提出的方法用于97单元自适应光学波前处理器的测试,结果表明,波前处理器的硬件调试效率得到较大提高。经过软件测试后的波前处理器在自适应光学实验系统中正常工作,连续校正后系统的残余波前像差的RMS和PV分别为0.034波长和0.392波长。

帧频838Hz的高速实时波前处理机

波前处理机用于完成自适应光学系统中的波前处理运算，其延时直接影响系统的控制带宽。该处理机根据帧频835HZ的哈特曼波前传感器输出信号的特点，用5片TMS320C50和1片TMS320C31，采用流水和并行处理技术，峰值运算速度达3亿次／秒，运算延时仅0．7ms。

实时波前处理机中的同步开关噪声抑制

为解决自适应光学实时波前处理机中同步开关噪声问题，本文针对波前处理机电路特点，结合三维全波及电路仿真，对板上电源同步开关噪声来源进行了分析，并研究了去耦电容、分割电源平面及蘑菇型电磁带隙结构对噪声的综合抑制作用。研究结果表明，通过良好的器件布局、合理地进行电源平面分割及在关键器件周围加入去耦电容可降低平面间噪声，蘑菇型电磁带隙结构带宽高截止频率低的特性，具有良好的同步开关噪声抑制作用。针对实时波前处理机进行了仿真，采用系统级和板级噪声抑制措施后，在0～4 GHz 频带内噪声隔离度达到-52 dB ，满足处理机的电源完整性要求。

高速波前处理机中信号完整性分析

随着自适应光学(AO)系统的发展,波前处理机(WFP)中包含了复杂的高速I/O接口和多电平标准供电,使得WFP面临严重的信号完整性(SI)挑战,若不能有效解决这些问题,系统性能将会受到严重影响。文章使用场路混合仿真方法对高速波前处理机中并行多传输线间的串扰、高速传输通道上的反射及高速串行链路上的差分信号完整性问题进行了分析与仿真。结果表明通过增大间距与增加短路防护布线可有效降低串扰,通过终端与源端共同匹配的方式可减少信号反射,差分线不平衡会增加高速链路的共模噪声,最后进行了系统级高速链路仿真与实测,传输速度达6.25Gb/s,误码率低于1×10-12,满足系统要求。

基于随机并行梯度下降算法的自适应光学实时并行处理机

基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的自适应光学系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿光束中存在的波前畸变。但由于算法收敛速度的影响,在一定程度上限制了SPGD在自适应光学系统中的应用。在对SPGD控制算法分析的基础上,充分提取和发掘算法内在的并发性,采用流水线和并行处理技术,设计并实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)加数字信号处理器(DSP)的单指令流多数据流(SIMD)结构实时并行处理机,实现了SPGD控制算法由表达层到结构层的优化映射。该处理机应用在激光光束净化自适应光学系统中,同时实现了对变形镜和倾斜镜的控制。实验结果表明,采用基于SPGD算法自适应光学实时并行波前处理机具有很快的收敛速度,可以有效地校正激光出光过程中的光束波前相差和光束漂移误差。