CN102353514B - 一种用于实时大气湍流参数计算的信号处理系统 - Google Patents

Abstract

一种用于实时大气湍流参数计算的信号处理系统，以通用可编程处理器作为主处理器(2)进行计算，并以具有硬件处理阵列的协处理器(3)加速计算密集部分，通过多处理单元的并行计算来保证计算的实时性。主处理器(2)和协处理器(3)之间通过存储器控制电路(4)对共享存储器电路(5，6)的乒乓读写的方式交换数据。该处理系统具有很高的计算吞吐能力，能在自适应光学系统工作过程中实现大气湍流参数的在线计算，具有很好的实时性，大大地提高大气湍流参数的计算频率。并且具有很高的集成度和通用性，从而促进装置的小型化和兼容性，节省了硬件成本。

Description

一种用于实时大气湍流参数计算的信号处理系统

技术领域

本发明涉及一种高速数字信号处理系统，具体适用于自适应光学系统中大气湍流参数的实时在线计算。

背景技术

自适应光学(Adaptive optics，AO)技术通过实时测量并校正由大气湍流引起的波前畸变，使得大型光学望远镜得到接近衍射极限的目标像，从而在天文观测领域得到广泛应用。大气湍流相干长度r₀(Fried常数)、扰动方差

大气湍流相干时间τ₀、大气湍流外尺度L₀、风速V从时间和空间客观地反映当前大气湍流的强度。由于大气条件变化较快，即使对于同一观测点，大气湍流参数会随时间变化而有较大起伏。因此，对于已建立的自适应光学系统，工作时实时跟踪监测大气参数能提供湍流的空间和时间特性，能为客观评估系统的工作性能提供依据。

利用自适应光学系统工作过程中的残余斜率数据和电压数据可以计算大气湍流参数。算法可参考2006年12月发表在《光电工程》的一篇论文，题为《基于自适应光学系统闭环数据的大气相干长度的计算》，张昂著；以及发表在《Appl.Opt》2004年第6期的一篇论文，题为《NAOS on-linecharacterization of turbulence parameters and adaptive opticsperformance》，T Fusco等著。简单表述如下：

自适应光学系统闭环工作时，根据每一帧Hartmann-Shack波前传感器测量的残余斜率和变形镜驱动电压可计算Ns阶Zernike模式系数，用矩阵形式表示：

$\left\{\begin{array}{c}{\left\{a_{i,\mathrm{slope}}^k\right\}}_{i=2,\mathrm{Ns}}=\mathrm{SZ}{\left\{g_j^k\right\}}_{j=\mathrm{1,2}n}\\ {\left\{a_{i,\mathrm{volt}}^k\right\}}_{i=2,\mathrm{Ns}}=\mathrm{VZ}{\left\{v_j^k\right\}}_{j=1,m}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，m为系统单元数，n为子孔径数；

为第k帧第j个的残余斜率值；

为第k帧第j路电压值；SZ是斜率数据在Zernike基上的映射矩阵，大小为Ns行×m列；VZ是电压数据在Zernike基上的映射矩阵，大小为Ns行×2n列；Ns为Zernike展开阶数，与波前传感器子孔径数目和排布有关。

根据自适应光学系统的控制关系，可以由第k帧和第k-2帧的闭环数据复原出第k-2帧的开环数据

它有Ns个分量，对于第i阶有：

$a_{i,\mathrm{rec}}^{k-2}=a_{i,\mathrm{volt}}^{k-2}+a_{i,\mathrm{slope}}^k$ 1≤i≤Ns    (2)以连续的L帧{a_rec}为一组，求各阶的方差

以及时间自相关C_i，rec(τ)。

为大气湍流的扰动方差和波前探测器引入的噪声方差

之和：

${\mathrm{\σ}}_{a_i,\mathrm{rec}}^2={\mathrm{\σ}}_{a_i,\mathrm{turb}}^2+{\mathrm{\σ}}_{a_i,\mathrm{noise}}^2---\left(3\right)$

根据相关的系统控制关系，有：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_{a_i,\mathrm{noise}}^2=C_{i,\mathrm{rec}}\left(0\right)-C_{i,\mathrm{turb}}\left(0\right)& \mathrm{\τ}=0\\ C_{i,\mathrm{rec}}\left(\mathrm{\τ}\right)=C_{i,\mathrm{turb}}\left(\mathrm{\τ}\right)& \mathrm{\τ}>0\end{array}\right.---\left(4\right)$

通过对C_i，turb(τ)(τ＞0)作多项式拟合可估计出C_i，turb(0)，并求得各阶噪声

波前探测器总噪声为Ns阶噪声相加：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{tot},\mathrm{noise}}^2=\underset{i=2}{\overset{\mathrm{Ns}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{a_i,\mathrm{noise}}^2---\left(5\right)$

消除系统噪声后扰动方差即为：

${\mathrm{\σ}}_{a_i,\mathrm{turb}}^2={\mathrm{\σ}}_{a_i,\mathrm{rec}}^2-{\mathrm{\σ}}_{a_i,\mathrm{noise}}^2---\left(6\right)$

角向频率数和径向频率数是反映Zernike多项式空间频率的重要参数。Zernike模式系数方差C_i，turb(0)只与径向频率数p有关。定义

为径向频率数p上各阶C_i，turb(0)的均值。通过求解方程，可求出r₀、L₀：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{turb},p=2}^2=2.34\×{10}^{-2}{\left(\frac{D}{r_0}\right)}^{5/3}\×[1-0.39{\left(\frac{2\mathrm{\πD}}{L_0}\right)}^2+0.27{\left(\frac{2\mathrm{\πD}}{L_0}\right)}^{7/3}+O\left(\frac{D}{L_0}\right)]\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{turb},p\≥3}^2=0.756(n+1)\frac{\mathrm{\Γ}[n-5/6]}{\mathrm{\Γ}[n+23/6]}{\left(\frac{D}{r_0}\right)}^{5/3}\×[1-\frac{0.38}{(n-11/6)(n+23/6)}\left(\frac{2\mathrm{\πD}}{L_0}\right)+O\left(\frac{D}{L_0}\right)]\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中D为探测子孔径尺寸。

为可以忽略的高阶项。λ为工作中心波长，对可见光范围，λ取值0.55μm。

风速V的估计是通过计算Zernike系数的时间自相关得到。τ_i是由Zernike系数的自相关函数的1/e宽度。对于每个径向频率数p，其对应各阶τ_i的均值即为τ_p。风速和大气湍流相干时间为：

$V=\frac{1.15\mathrm{\πd\Σ}(p+1){\mathrm{\τ}}_p^{-1}}{0.3\mathrm{\Σ}{(p+1)}^2}$ 2≤p≤p_max

τ₀＝0.31r₀/V    (8)

对于所述算法中，公式(1)计算量大，实时性要求高，需要在一个CCD采样周期内完成；其余算法复杂多样，包括除法、多项式拟合、时间自相关，对数、倒数等运算，且均为浮点数运算，精度要求高，虽然算法比较复杂，但是计算量较小。

我国目前只能进行非实时的系统性能评价，即在进行波前运算的同时采集系统开环时斜率值和电压值，在事后进行离线计算和分析。对于云南天文台的1.2米61单元自适应光学系统、1.8米127单元自适应光学系统望远镜自适应光学系统，均采用事后处理这种方法对大气湍流参数及系统性能进行计算分析。这种方法带来的问题其一是需要中断系统的闭环工作过程；其二是不能实时且直观地反映系统当前的大气湍流参数及校正性能；其三是没有剔除系统噪声的影响。

随着自适应光学技术的快速发展，国外的某些研究机构已经开展了对自适应光学系统实时大气湍流参数计算技术的研究：在NAOS(NasmythAdaptive Optics System)的185单元，144个有效子孔径，帧频500Hz的自适应光学系统中采用了6个TMS320C40DSP，其计算能力为300Mflops，大气湍流参数的计算刷新周期为15秒。之后NAOS又研制了基于4片Motorola PowerPC(PPC7410)的实时AO性能评价系统。欧洲南方天文台ESO的SPARTA自适应光学系统中采用协处理机群实现了在线的性能评价。均存在如下不足：使用较多芯片，硬件成本较大，且集成度不高；计算能力有限，导致大气湍流参数的刷新时间间隔较长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现用于自适应光学系统大气湍流参数在线计算的信号处理系统，该系统以通用可编程处理器作为主处理器进行计算，并以具有硬件处理阵列的协处理器加速计算密集部分，通过多处理单元的并行计算来保证计算的实时性。主处理器和协处理器之间通过共享存储区的方式交换数据。该处理系统具有很高的计算吞吐能力，能在自适应光学系统工作过程中实现大气湍流参数的在线计算，具有很好的实时性，大大地提高大气参数的计算频率。并且具有很高的集成度和通用性，从而促进装置的小型化和兼容性，节省了硬件成本。

本发明所述的一种用于实时计算大气湍流参数的信号处理系统，其特征在于它包括接口电路(1)、主处理器(2)、协处理器(3)、存储器控制电路(4)、存储器电路(5，6)；自适应光学系统闭环工作过程中获得的哈特曼波前探测残余斜率数据和变形镜驱动电压数据输入到接口电路(1)的数据输入端，接口电路(1)的数据输出端连接协处理器(3)的数据输入端，协处理器(3)的数据输入输出端连接存储器控制电路(4)的第一数据输入输出端，存储器控制电路(4)的第二数据输入输出端接存储器电路(5，6)的数据输入输出端，存储器控制电路(4)第三数据输入输出端连接主处理器(2)的数据输入输出端。

进一步的，所述协处理器(3)为硬件阵列处理器，阵列处理器由数据总线、x个乘累加处理单元PE₁-PE_x、x个单口输出存储模块RAM₁-RAM_x组成，x个乘累加处理单元PE₁-PE_x的数据输入输出端均与数据总线相连，每个乘累处理单元的矩阵元素输入端口连接相同下标的RAM的数据输出口。

进一步的所述主处理器(2)包括可编程通用处理器。

进一步的所述主处理器(2)和协处理器(3)之间以流水线的方式工作；协处理器(3)的阵列处理器中各处理单元并行工作。

进一步的所述主处理器(2)和协处理器(3)之间通过存储器控制电路(4)对共享的多个单端口存储器电路(5，6)进行乒乓式读写来交换数据。

附图说明

图1为本发明的整体电路结构示意图；

图2为本发明中的协处理器的内部结构示意图；

图3为本发明中的矩阵分块的示意图；

图4为本发明中输入数据、协处理机、主处理器处理的时序图。

具体实施方式

下面结合图1至图4具体说明本实施方式。

如图1所示，本发明的用于自适应光学系统的大气湍流参数的实时计算系统：包括接口电路(1)、主处理器(2)、协处理器(3)、存储器控制电路(4)、存储器电路(5，6)。自适应光学系统闭环工作过程中获得的哈特曼波前探测残余斜率数据和变形镜驱动电压数据输入到接口电路(1)的数据输入端，接口电路(1)的数据输出端连接协处理器(3)的第一数据输入端①，协处理器(3)的第二数据输入输出端②连接存储器控制电路(4)的第一数据输入输出端①，存储器控制电路(4)的第二数据输入输出端②接存储器电路(5，6)的数据输入输出端，存储器控制电路(4)的第三数据输入输出端③接主处理器(2)的数据输入输出端。

如图2所示，协处理器(3)由数据总线(10)、x个乘累加处理单元PE₁-PE_x(20)、x个单口输出存储模块RAM₁-RAM_x组成(30)。x个乘累加处理单元PE₁-PE_x的数据输入输出端均与数据总线相连，每个乘累加处理单元的矩阵元素输入端口连接相同下标的RAM的数据输出口，

下面说明该大气湍流参数的实时计算系统的工作原理：

(1)在系统开始工作前，先将预先测得的矩阵SZ和VZ的进行分块以及数据预存，其中VZ是电压{v_j}在Zernike基上的映射矩阵；SZ是斜率{g_j}在Zernike基上的映射矩阵。VZ和SZ可以根据自适应光学系统参数预先计算得到：首先将Ns行×2n列的矩阵SZ、和Ns行×m列的矩阵VZ合并为一个Ns行×(2n+m)列矩阵，再将Ns行均分为x，得到x个每个大小为(Ns/x)行×(2n+m)列的分块矩阵。图3给出了分块示意图，每一条虚线表示分一个块。将每个分块矩阵分别存储到x个深度为(Ns/x)×(2n+m)的RAM存储器中。

(2)数据接收：在自适应光学系统闭环工作过程中，由波前处理机计算得到的第k帧的残余斜率数据

和电压数据

通过接口电路(1)输入到协处理器(3)中参与计算。每一帧的2n个斜率数据和m个电压数据顺序输入。

(3)协处理器(3)的工作方式为数据流驱动型，具体方式为当有斜率数据或电压数据输入时，通过数据总线将斜率值和电压值广播到各乘累加处理单元，启动x个处理单元以相同的时钟节拍并行工作，每个乘累加处理单元计算(Ns/x)阶Zernike系数(计算时x是定值)。各乘累加处理单元从对应的RAM中取出矩阵元素进行乘法和累加运算，并将结果存储。当第k帧的斜率值输入完成，处理单元将计算得到的斜率Zernike系数

(下标i表示第k帧的第i阶Zernike系数)与第k-2帧的电压Zernike系数

的相加，复原出第k-2帧的开环Zernike系数

之后每个处理单元通过数据总线将各阶开环数据输入到存储器控制单元(4)。由于采用了资源重复的并行计算方式，且是由硬件进行的处理，能够以经LSI化的硬件的最大处理能力来执行运算，可以获得x的加速比，以满足在一帧的时间内完成公式(1)计算的实时性要求。

(4)存储器控制单元(4)以连续的L帧为一组将协处理器(3)的计算得到的开环数据交替地存入具有相同结构的存储器电路(5)或(6)中；主处理器(2)以连续的L帧为一组通过存储器控制单元(4)从存储器电路(5)或(6)中取数进行计算。主处理器(2)和协处理器(3)之间以乒乓的方式进行读和写，即协处理器写存储器电路(5)时，主处理器读存储器电路(6)；下一组时协处理器写存储器电路(6)，主处理器读存储器电路(5)，从而实现协处理器和主处理器之间的数据交换。

(5)主处理器以连续的L帧{a_rec}为一组做统计运算，每一组L帧的数据相互不重合，进行公式(4)～(8)的计算，可以得到一组表示大气湍流时间和空间特性的参数(如大气湍流相干常度r₀(Fried常数)、风速V、大气湍流外尺度L₀、大气湍流相干时间τ₀、大气湍流方差

)，记为{Turb}。对于第Q组(包括L帧)的数据，记为{Turb}_Q。由于主处理器是通用的可编程处理器，可以通过C语言编程实现，具有很好的通用性。

(6)协处理器和主处理器以流水的方式工作，在主处理器进行第Q组数据计算的同时，协处理器计算第Q+1组的开环数据。计算得到的大气湍流参数的刷新周期Tcom ≈(L/帧频)。

Claims (5)

1.一种用于实时计算大气湍流参数的信号处理系统，其特征在于它包括接口电路(1)、主处理器(2)、协处理器(3)、存储器控制电路(4)、存储器电路(5，6)；自适应光学系统闭环工作过程中获得的哈特曼波前探测残余斜率数据和变形镜驱动电压数据输入到接口电路(1)的数据输入端，接口电路(1)的数据输出端连接协处理器(3)的数据输入端，协处理器(3)的数据输入输出端连接存储器控制电路(4)的第一数据输入输出端，存储器控制电路(4)的第二数据输入输出端接存储器电路(5，6)的数据输入输出端，存储器控制电路(4)第三数据输入输出端连接主处理器(2)的数据输入输出端。

2.根据权利要求1的用于实时计算大气湍流参数的信号处理系统，其特征在于：协处理器(3)为硬件阵列处理器，阵列处理器由数据总线、x个乘累加处理单元PE₁-PE_x、x个单口输出存储模块RAM₁-RAM_x组成，x个乘累加处理单元PE₁-PE_x的数据输入输出端均与数据总线相连，每个乘累加处理单元的矩阵元素输入端口连接相同下标的RAM的数据输出口。

3.根据权利要求1的用于实时计算大气湍流参数的信号处理系统，其特征在于：主处理器(2)包括可编程通用处理器。

4.根据权利要求1的用于实时计算大气湍流参数的信号处理系统，其特征在于：主处理器(2)和协处理器(3)之间以流水线的方式工作；协处理器(3)的阵列处理器中各处理单元并行工作。

5.根据权利要求1的用于实时计算大气湍流参数的信号处理系统，其特征在于：主处理器(2)和协处理器(3)之间通过存储器控制电路(4)对共享的存储器电路(5，6)进行乒乓式读写来交换数据。

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