CN102722217B - 一种千单元级自适应光学系统波前信号处理平台 - Google Patents

一种千单元级自适应光学系统波前信号处理平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种千单元级自适应光学系统波前信号处理平台，该平台用一个波前误差探测模块（1）完成子光斑的波前斜率探测，并以子孔径行为节拍，将斜率数据通过互连背板（4）上的一套局部总线（①）以广播方式发送到三个复原控制模块（2），三个复原控制模块组成MIMD阵列机并行完成变形镜驱动器的电压求解和PID控制运算，最后输出三路数字控制电压到变形镜驱动放大系统，三个复原控制模块间通过另一套局部总线（③）实现数据通讯，信号处理平台用一个监控主机（3）通过PCI总线（②）完成对波前误差探测模块和三个复原控制模块的参数加载和信号监控。与以前的实现方式相比，本发明具有实时性好、体积小、集成度高的特点。

Description

一种千单元级自适应光学系统波前信号处理平台
技术领域
本发明涉及自适应光学高速波前处理系统，具体是一种千单元级自适应光学系统波前信号处理平台。
背景技术
大型地基望远镜中通常配备自适应光学系统以提高望远镜系统的成像分辨率，为了得到接近衍射极限的分辨率图像，自适应光学系统的校正单元数必须和望远镜的口径相匹配，校正单元数N与望远镜口径D的关系可表示为:
N＝(D/r0)2        （1）
其中：r0表示大气相干长度，通常为十几厘米。根据式1可知，对于1.8米口径的望远镜，自适应光学系统的校正单元数为150单元左右，对于3~4米口径的望远镜，自适应光学系统的校正单元数则为1000单元左右。
波前信号处理系统是自适应光学系统的一个核心部件，它实时接收波前传感器输入的波前信号，经过一系列信号处理算法后产生变形镜/倾斜镜电压，从实时校正大气湍流误差。由于大气湍流的时间常数较小，自适应光学系统采用的波前传感器必须具备很高的时间采样率，需要研制专用的波前信号处理系统才能保证自适应光学系统的实时校正特性。目前，我国已建成的大型光电望远镜口径均在2.5米以内，而配置了自适应光学系统的望远镜的最大口径为1.8米，因此实际应用的波前信号处理系统均是针对单元数小于150单元的自适应光学系统，例如在1998年12月发表在《光电工程》第25卷增刊的《帧频2900Hz的高速波前处理机》中涉及的波前信号处理平台就是针对61单元自适应光学系统，2010年11月发表在《CHINESE OPTICS LETTERS》的《First light on the 127-element adaptive optical system for1.8-m telescope》中涉及的波前信号处理平台就是针对127单元自适应光学系统。目前，国外多个3米以上的望远镜系统配置了千单元级自适应光学系统以提高成像分辨能力，因此研究千单元级自适应光学系统的波前信号处理势在必行。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的贾建禄申请号为201110128189.9的专利《千单元可扩展自适应光学系统波前处理器》提出了一种针对千单元级自适应光学系统的波前处理器，但是该处理器需要1块波前处理主板，10块波前处理子板和1个波前处理主板才能完成千单元级的波前信号处理，波前处理器的集成度差，故障环节增多，此外该专利涉及的波前处理器无法实现对变形镜电压滤波运算，工程应用性较差。
发明内容
本发明为解决现有波前信号处理平台处理能力低，而已发表的千单元级波前信号处理平台集成度差、故障环节多、工程应用性差的缺点，提出一种千单元级自适应光学系统波前信号处理平台，该信号处理平台采用1个波前误差探测模块、3个复原控制模块和1个监控主机组成，可完成千单元级自适应光学系统的波前信号处理，可实现对变形镜电压滤波运算，本发明具有处理能力强、集成度高、工程应用性好的特点。
本发明采用的技术方案是：一种千单元级自适应光学系统波前信号处理平台，该平台用一个波前误差探测模块完成子光斑的波前斜率探测，并以子孔径行为节拍，将斜率数据通过互连背板上的一套局部总线以广播方式发送到三个复原控制模块，三个复原控制模块组成MIMD阵列机并行完成变形镜驱动器的电压求解和PID控制运算，最后输出三路数字控制电压到变形镜驱动放大系统，三个复原控制模块间通过另一套局部总线实现数据通讯，该平台用一个监控主机通过PCI总线完成对波前误差探测模块和三个复原控制模块的参数加载和信号监控。
其中，所述的波前误差探测模块，包括一个相机数据输入接口、一个图像预处理单元、一个斜率计算单元和一个数据输出接口；所述的相机数据输入接口对波前传感器输入的相机数据进行实时解码并将解码后的数据送到所述的图像预处理单元，所述的图像预处理单元对图像进行基于灰度级的降噪滤波处理，所述的斜率计算单元以一个子孔径行为节拍计算各子光斑相对于标准光源的斜率数据，所述的数据输出接口以一个子孔径行为发送节拍将一行子光斑的斜率数据以广播方式发送到斜率局部总线。
其中，所述的斜率计算单元采用的斜率提取算法可以是质心算法，也可以是基于参考图像匹配的相关算法。
其中，所述的复原控制模块，包括一片现场可编程逻辑器件、一片浮点数字信号处理芯片、一个数据交互接口、电压输出接口和存储系统；所述的现场可编程逻辑器件完成波前复原运算，所述的浮点数字信号处理芯片完成变形镜多个驱动器的PID控制运算和滤波运算，所述的数据交互接口将一个所述的复原控制模块的电压滤波数据以广播方式发送到另外两个所述的复原控制模块，并接收另外两个复原控制模块的电压滤波数据，所述的电压输出接口发送多路电压数据到变形镜驱动放大电路，所述的存储系统存储所述的现场可编程逻辑器件和所述的浮点数字信号处理芯片的程序文件以及复原矩阵。
其中，所述的现场可编程逻辑器件中采用SIMD多模块并行结构完成波前复原运算。
其中，所述的复原控制模块处理的变形镜驱动器数由该复原控制模块上存储系统的容量决定，复原控制模块的最大计算延迟为一个子孔径行光斑的图像输出时间。
其中，所述的监控主机通过PCI总线完成对波前误差探测模块和三个复原控制模块的参数加载和信号监控，具体表现为：监控主机通过PCI总线加载相机滤波参数、子光斑标定数据、子光斑参考图像到波前误差探测模块，从波前误差探测模块动态读取波前图像和子光斑斜率数据，通过PCI总线加载复原矩阵和PID控制参数到复原控制模块，并从复原控制模块动态读取驱动器控制电压。
其中，所述的互连背板，提供监控主机与波前误差探测模块、三个复原控制模块间数据交互的PCI总线通道，提供波前误差探测模块广播子光斑斜率到三个复原控制模块的自定义总线通道，提供三个复原控制模块间电压滤波数据传输的自定义总线通道，提供波前误差探测模块和三个复原控制模块的电源输入通道。
本发明相对于于现有技术具有如下优点：本发明采用三个复原控制模块完成千单元的波前复原控制运算，弥补了现有千单元波前处理机采用十块复原控制模块而导致的集成度差、故障环节多的不足；同时，本发明三个复原控制模块间设置了一套用于滤波数据传输的实时数据通道，克服了现有千单元波前处理机在进行变形镜面形控制时，无法进行整镜面的电压滤波处理的缺陷，提高了波前处理机的工程应用性。此外，本发明还具备结构简单、工作性能稳定、实时性高、处理能力强的特点。
附图说明
图1为信号处理平台原理结构框图；
图2为波前误差探测模块原理框图；
图3为复原控制模块原理框图；
图4为哈特曼子孔径排布图；
图5为信号处理数据流程图；
图6为信号处理时序图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
本发明一种千单元级自适应光学系统波前信号处理平台，具体表现：信号处理平台用一个波前误差探测模块1完成子光斑的波前斜率探测，并以子孔径行为节拍，将斜率数据通过互连背板4上的一套局部总线①以广播方式发送到三个复原控制模块2，三个复原控制模块组成MIMD阵列机并行完成变形镜驱动器的电压求解和PID控制运算，最后输出三路数字控制电压到变形镜驱动放大系统，三个复原控制模块间通过另一套局部总线③实现数据通讯，该平台用一个监控主机3通过PCI总线②完成对波前误差探测模块和三个复原控制模块的参数加载和信号监控，信号处理平台的结构如附图1所示。
波前误差探测模块包括一个相机数据输入接口、一个图像预处理单元、一个斜率计算单元、一个数据输出接口。相机数据输入接口对波前传感器输入的相机数据进行实时解码并将解码后的数据送到图像预处理单元，图像预处理单元对图像进行基于灰度级的降噪滤波处理，斜率计算单元以一个子孔径行为节拍计算各子光斑相对于标准光源的斜率数据，数据输出接口以一个子孔径行为发送节拍将一行子光斑的斜率数据以广播方式发送到斜率局部总线，斜率计算单元可采用质心算法，也可以采用基于参考图像的相关算法计算子光斑斜率。图像预处理单元、斜率计算单元和数据输出接口都置于一片可编程逻辑器件（FPGA）中，相机数据输入接口是一个FULL模式的CameraLink解码芯片，可兼容Medium模式和Base模式。
复原控制模块包括一片现场可编程逻辑器件（FPGA）、一片浮点数字信号处理芯片(DSP)、电压输出接口和存储系统。FPGA完成波前复原运算，DSP完成变形镜多个驱动器的PID控制运算和滤波运算，FPGA内的数据交互接口将本复原控制模块的电压滤波数据以广播方式发送到另外两路复原控制模块，并接收另外两路复原控制模块的电压滤波数据，电压输出接口发送多路电压数据到变形镜驱动放大电路，存储系统存储可编程逻辑器件和数字信号处理芯片的程序文件以及复原矩阵。三路复原控制模块通过局部总线完成电压滤波数据的交互，复原控制模块上的数字信号处理芯片完成变形镜的全局电压滤波运算。为了提高波前复原的实时性，三个复原控制模块中的FPGA组成一个三FPGA的MIMD阵列机并行完成复原运算，单片FPGA内又用多个复原基组成SIMD阵列并行完成波前复原的矩阵乘运算。
本发明具体实施例如图1所示，一种千单元级自适应光学系统波前信号处理平台，包括：波前误差探测模块1、复原控制模块2、监控主机3、互连背板4组成。波前误差探测模块1的结构框图如图2所示，主要包括一个基于Full模式CameraLink标准的相机解码芯片、1个PCI桥接芯片以及1片现场可编程逻辑器件(FPGA)，FPGA内包括一个图像预处理模块和一个斜率计算模块；复原控制模块2的结构框图如图3所示，主要包括一片现场可编程逻辑器件（FPGA）、一片数字信号处理芯片（DSP）、1个PCI桥接芯片以及1个基于Base模式CameraLink标准的电压输出编码芯片，每片FPGA内由20个复原单元组成SIMD阵列并行完成复原所需的矩阵运算，一个复原控制模块就可完成400路变形镜驱动器电压复原，三个复原控制模块即可完成1200个变形镜驱动器的电压复原，DSP完成变形镜驱动器控制电压的PID控制运算以及驱动器电压滤波运算。监控主机通过PCI总线加载相机滤波参数、子光斑标定数据、子光斑参考图像到波前误差探测模块，从波前误差探测模块动态读取波前图像和子光斑斜率数据，通过PCI总线加载复原矩阵和PID控制参数到复原控制模块，并从复原控制模块动态读取驱动器控制电压。互连背板为提供监控主机与波前误差探测模块、三个复原控制模块间数据交互的PCI总线通道，提供波前误差探测模块广播子光斑斜率到三个复原控制模块的自定义总线通道，提供三个复原控制模块间电压滤波数据传输的自定义总线通道，提供波前误差探测模块和三个复原控制模块的电源输入通道。
下面说明该波前信号处理平台的工作原理：
如图4所示为探测波前在夏克－哈特曼波前传感器中所成的像，子光斑为规则的阵列分布。目前，波前探测器通常采用图像逐行逐像素顺序输出的面阵相机，因此第N行子光斑和第N+1行子光斑图像顺序输出，波前误差探测模块计算完第N行子光斑斜率后就将斜率以广播方式发送到复原控制模块，并且启动复原控制模块开始复原计算。
如图5所示为数据在波前信号处理平台上的数据流向图，数据从波前传感器输出后首先进入图像预处理模块，完成图像的降噪滤波处理，然后数据进入斜率计算模块，斜率计算模块将计算出的斜率以子孔径行为节拍将数据以广播方式发送到三个复原控制模块，每个复原控制模块中的20个复原单元并行完成复原运算，一帧图像的复原运算完成后，复原模块将数据发送到控制计算DSP完成PID控制运算，DSP完成PID控制运算后将根据系统需求将电压滤波信息以广播方式发送到另外两块复原控制模块上的DSP器件，并接收另外两块复原控制模块发送的电压滤波信息，DSP根据收集到的电压滤波信息完成电压滤波运算，并且将滤波处理后的数字电压信号发送到变形镜驱动放大系统。
如图6所示为波前信号处理平台的时序流程图，探测器在输出第P帧图像时，波前误差模块与图像输出以像素级并行方式并行完成波前斜率计算，斜率计算模块在计算第P帧图像第N+1行子光斑斜率时，复原运算模块完成第N行子光斑的复原运算，第P帧图像输出结束后几个us内，波前斜率计算模块就完成了最后一行子光斑的斜率计算，复原运算模块则在收到最后一行子光斑斜率后，十几个us内给出所有驱动器的复原结果，并将结果发送到控制计算DSP，控制计算DSP则在一百us内完成所有变形镜驱动器的控制计算，并将结果发送到变形镜驱动放大电路。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种千单元级自适应光学系统波前信号处理装置，其特征在于：该装置用一个波前误差探测模块(1)完成子光斑的波前斜率探测，并以子孔径行为节拍，将斜率数据通过互连背板(4)上的一套局部总线(①)以广播方式发送到三个复原控制模块(2)，三个复原控制模块(2)组成MIMD阵列机并行完成变形镜驱动器的电压求解和PID控制运算，最后输出三路数字控制电压到变形镜驱动放大系统，三个复原控制模块间通过另一套局部总线(③)实现数据通讯，该装置用一个监控主机(3)通过PCI总线(②)完成对波前误差探测模块(1)和三个复原控制模块(2)的参数加载和信号监控；
所述的复原控制模块，包括一片现场可编程逻辑器件(FPGA)、一片浮点数字信号处理芯片(DSP)、电压输出接口和存储系统；现场可编程逻辑器件内具有数据交互接口，所述的现场可编程逻辑器件(FPGA)完成波前复原运算，所述的浮点数字信号处理芯片(DSP)完成变形镜多个驱动器的PID控制运算和滤波运算，所述的数据交互接口将一个所述的复原控制模块的电压滤波数据以广播方式发送到另外两个所述的复原控制模块，并接收另外两个复原控制模块的电压滤波数据，所述的电压输出接口发送多路电压数据到变形镜驱动放大电路，所述的存储系统存储所述的现场可编程逻辑器件和所述的浮点数字信号处理芯片的程序文件以及复原矩阵；
三路复原控制模块通过局部总线完成电压滤波数据的交互，复原控制模块上的浮点数字信号处理芯片(DSP)完成变形镜的全局电压滤波运算。
2.根据权利要求1所述的一种千单元级自适应光学系统波前信号处理装置，其特征在于：所述的波前误差探测模块(1)，包括一个相机数据输入接口、一个图像预处理单元、一个斜率计算单元和一个数据输出接口；所述的相机数据输入接口对波前传感器输入的相机数据进行实时解码并将解码后的数据送到所述的图像预处理单元，所述的图像预处理单元对图像进行基于灰度级的降噪滤波处理，所述的斜率计算单元以一个子孔径行为节拍计算各子光斑相对于标准光源的斜率数据，所述的数据输出接口以一个子孔径行为发送节拍将一行子光斑的斜率数据以广播方式发送到斜率局部总线。
3.根据权利要求2所述的一种千单元级自适应光学系统波前信号处理装置，其特征在于：所述的斜率计算单元采用的斜率提取算法是质心算法，或者是基于参考图像匹配的相关算法。
4.根据权利要求1所述的一种千单元级自适应光学系统波前信号处理装置，其特征在于：所述的现场可编程逻辑器件中采用SIMD多模块并行结构完成波前复原运算。
5.根据权利要求1所述的一种千单元级自适应光学系统波前信号处理装置，其特征在于：所述的复原控制模块处理的变形镜驱动器数由该复原控制模块上存储系统的容量决定，复原控制模块的最大计算延迟为一个子孔径行光斑的图像输出时间。
6.根据权利要求1所述的一种千单元级自适应光学系统波前信号处理装置，其特征在于：所述的监控主机通过PCI总线完成对波前误差探测模块和三个复原控制模块的参数加载和信号监控，具体表现为：监控主机通过PCI总线加载相机滤波参数、子光斑标定数据、子光斑参考图像到波前误差探测模块，从波前误差探测模块动态读取波前图像和子光斑斜率数据，通过PCI总线加载复原矩阵和PID控制参数到复原控制模块，并从复原控制模块动态读取驱动器控制电压。
7.根据权利要求1所述的一种千单元级自适应光学系统波前信号处理装置，其特征在于：所述的互连背板，提供监控主机与波前误差探测模块、三个复原控制模块间数据交互的PCI总线通道，提供波前误差探测模块广播子光斑斜率到三个复原控制模块的自定义总线通道，提供三个复原控制模块间电压滤波数据传输的自定义总线通道，提供波前误差探测模块和三个复原控制模块的电源输入通道。
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