CN102750247A - 一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台，其包括多个带总线开关的信号处理模块（1）、基于CPCI总线结构的互连背板（2）、扩展I/O板（3）以及监控主机（4）。本发明采用该结构的信号处理平台能并行完成多个传感器的波前信号处理，以及各传感器间的低延迟数据融合，带开关的动态总线结构以及可变的在运行信号处理模块结构使信号处理平台具有良好的可扩展性、通用性和可剪裁性，体积小，适用于多种应用场合的自适应光学波前信号处理。
Description
技术领域
本发明涉及自适应光学高速波前处理系统的技术领域，具体涉及一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台。
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，而自适应光学系统校正大气湍流的一个关键问题就是信标光源，由于等晕角内不一定能找到适当的星体作为信标光源，因此人们又借助激光导引星作为人造信标提高自适应光学系统的天空覆盖率。人造信标是有限距离上的“点”光源，它与主激光的重叠区是一个锥体，在该锥体以外，主激光的位相信息不被信标光所携带，即在锥体以外的区域构成了一个非等晕区－聚焦非等晕性，为了减小锥体效应，通常采用多颗激光导引星构成星群，因此自适应光学系统必须配置多个传感器探测激光导引星群返回的信息，从而为变形镜提供反馈信号，补偿由于湍流引起的成像模糊效应。
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，实际应用的波前信号处理系统均是针对单个波前传感器进行设计，对于多传感器自适应光学系统需要采用多个信号处理系统进行处理，集成度很差、设计成本高、体积小，且无法实现各系统的波前信息融合。
发明内容
本发明为了解决目前在多传感器自适应光学系统中多个分离信号处理平台形成的集成度差、设计成本高、占地面积大，且无法实现各系统波前信息融合的问题，提出一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台。该平台结构采用一套信号处理平台可最多完成7个波前传感器的信号处理并输出数字电压信号到变形镜/倾斜镜电压驱动放大系统，可实现多个传感器在波前误差、波前复原和电压控制阶段的实时数据融合。本发明多个信号处理模块间以带开关的动态总线结构互连，信号处理模块间通讯总线带宽可根据系统需要进行调整，信号处理模块的位置可以互换，增加了平台的灵活性，信号处理平台在运行信号处理模块数最多可为7个，最少可为1个，具备可裁剪性，有效提高了平台的集成度、减小了自适应光学系统中信号处理平台的体积。
本发明采用的技术方案是：一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台，该平台包括：多个信号处理模块、互连背板、扩展I/O板以及监控主机，所述的多个信号处理模块中的每个信号处理模块均对应一个波前传感器，所述的多个信号处理模块与所述的监控主机通过所述的互连背板以PCI总线结构互连，所述的多个信号处理模块中正在运行的信号处理模块数可变，所述的多个信号处理模块之间以带开关的动态总线结构互连，该动态总线带宽可动态调整，所述的多个信号处理模块中的各信号处理模块均配置有传感器信号输入接口，该传感器信号输入接口通过所述的扩展I/O板将处理后的信号输出到对应的变形镜或倾斜镜驱动放大系统，所述的监控主机负责管理各信号的参数配置和信号监控。
其中，所述的多个信号处理模块中每个信号处理模块均包括一个FULL模式的CameraLink相机数据输入接口、一个可编程逻辑器件、一片数字信号处理器(DSP)、一个PCI桥接芯片以及多片存储器；当信号处理模块连接的传感器为跟踪传感器时，所述的可编程逻辑器件完成图像处理、目标位置提取以及接口通信控制工作，所述的数字信号处理器完成倾斜镜控制电压的PID运算以及多传感器倾斜镜电压数据融合；当信号处理模块连接的传感器为波前传感器时，所述的可编程逻辑器件完成图像处理、波前误差提取、多传感器波前误差数据融合、波前相位计算以及接口通信控制工作，所述的数字信号处理器完成变形镜控制电压的PID运算以及多传感器变形镜电压数据融合；信号处理模块的所述的可编程逻辑器件内配置一个与其它信号处理模块通讯的总线开关，当信号处理模块不需要和其它信号处理模块进行数据交互时，该信号处理模块关闭连接到本身的总线通道，这样就能为其它信号处理模块间通讯让出数据带宽，从而达到动态调整总线带宽的目的。
其中，所述的可编程逻辑器件为现场可编程门阵列（FPGA）。
其中，所述的互连背板提供每个信号处理模块与对应扩展I/O板间的并行数据通道，提供多个信号处理模块间的局部互连总线，提供监控主机与各信号处理模块通信的PCI总线通道，为每个信号处理模块、扩展I/O板和监控主机提供电源输入通道。
其中，所述的扩展I/O板，用于输入望远镜系统的控制信号及输出变形镜或倾斜镜的数字驱动控制信号，所述的扩展I/O板的输入/输出接口包括四种接口：Base模式的Cameralink接口、百兆网络接口、LVDS并行接口以及光纤接口。
其中，所述的监控主机为每个信号处理模块提供相机平场数据加载、探测目标的标定位置加载、复原矩阵加载以及PID控制参数加载，从各信号处理模块读取对应传感器的图像数据、各传感器所探测目标的位置误差数据、各变形镜或倾斜镜的电压控制信号。
其中，通过增加或减少信号处理模块及其对应扩展I/O板的数量可使该信号处理平台完成多套传感器的信号处理及多个变形镜或倾斜镜的电压控制运算，各信号处理模块的硬件结构完全相同，多个信号处理模块间可通过互连背板进行数据交互，实现多传感器控制的数据融合，当传感器及对应变形镜或倾斜器发生变化时，只需修改信号处理模块上的FPGA和DSP器件的程序，无需对信号处理模块的硬件电路做任何变动。
其中，所述的波前传感器为一个至七个。
其中，所述的互连背板（2）是基于CPCI总线结构的。
本发明相对于现有技术具有如下优点在于：
1、本发明采用一个整体的波前信号处理平台完成多个波前传感器的波前信号处理，弥补了现有分离波前信号处理系统用多个信号处理平台完成多传感器自适应光学系统波前信号处理而导致的集成度差、体积庞大的缺陷，提高了多传感器自适应光学系统波前信号处理的集成度、缩小了波前信号处理系统的体积、降低了故障环节；
2、本发明采用动态总线方式实现多个信号处理模块间的数据通信，弥补了现有多个分离波前信号处理平台间数据通信带宽固定，无法按需调整的缺陷；
3、本发明多个信号处理模块间可通过互连背板进行数据交互，实现多传感器控制的数据融合，弥补了分离信号处理平台需要连接多个电缆才能进行数据融合的缺陷。
附图说明
图1：信号处理平台原理结构框图。
图2：信号处理模块原理结构框图。
图3：互连背板网络拓扑图。
图4：一个实例的信号处理平台结构框图。
图5：一个实例的信号处理模块原理框图。
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。
一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台，包括：多个信号处理模块1、互连背板2、扩展I/O板3以及监控主机4，所述的多个信号处理模块中的每个信号处理模块均对应一个波前传感器，所述的多个信号处理模块与所述的监控主机通过所述的互连背板以PCI总线结构互连，所述的多个信号处理模块中正在运行的信号处理模块数可变，所述的多个信号处理模块之间以带开关的动态总线结构互连，该动态总线带宽可动态调整，所述的多个信号处理模块中的各信号处理模块均配置有传感器信号输入接口，该传感器信号输入接口通过所述的扩展I/O板3将处理后的信号输出到对应的变形镜或倾斜镜驱动放大系统，所述的监控主机4负责管理各信号的参数配置和信号监控，其结构如附图1所示：
互连背板2可以基于CPCI总线结构的。
信号处理模块的结构如附图2所示，由一个FULL模式的CameraLink相机图像数据输入接口、一个可编程逻辑器件(FPGA)、一片数字信号处理芯片(DSP)、一个PCI桥接芯片以及多片存储器组成。FPGA对传感器输入的图像信号进行降噪处理，并计算探测目标实际位置与校正位置的位置误差，如果信号处理模块连接的是跟踪传感器，FPGA将计算出的位置误差送入DSP，DSP则根据位置误差，采用PID控制算法计算出倾斜镜所需的控制电压；如果信号处理模块连接的是波前传感器，则FPGA还需复原出待测波前的相位误差，然后将相位误差送入DSP，DSP根据相位误差，采用PID控制算法计算出变形镜所需的控制电压。信号处理模块通过PCI桥接芯片与监控主机4间采用PCI总线方式进行通讯。FPGA内配置一个与其它信号处理模块通讯的总线开关，当信号处理模块不需要和其它信号处理模块进行数据交互时，该信号处理模块关闭连接到本模块的总线通道，这样就能为其它信号处理模块间通讯让出数据带宽，从而达到动态调整总线带宽的目的。
扩展I/O板3输入望远镜系统对自适应光学系统的控制信号、输出变形镜/倾斜镜的数字电压控制信号到变形镜/倾斜镜驱动系统，扩展I/O板3的数字电压输出包括四种接口：Base模式的Cameralink接口、百兆网络接口、LVDS并行接口以及光纤接口。
监控主机4为每个信号处理模块提供相机平场数据加载、探测目标的标定位置加载、复原矩阵加载以及PID控制参数加载，从各信号处理模块读取对应传感器的图像数据、各传感器所探测目标的位置误差数据、各变形镜/倾斜镜的电压控制信号。
互连背板为各结点提供互连通道，如附图3所示，提供每个信号处理模块与对应扩展I/O板3间的并行数据通道，提供多个信号处理模块间互连总线通道，提供监控主板与各信号处理模块通信的PCI总线通道，为各信号处理模块、扩展I/O板3、监控主机4提供电源输入通道。
信号处理平台多个信号处理模块间以带开关的动态总线结构互连，可实现各系统的波前信息融合，信号处理模块间通讯总线带宽可根据系统需要进行调整，信号处理模块的位置可以互换，增加了平台的灵活性，信号处理平台在运行信号处理模块数最多可为7个，最少可为1个，增加了平台的集成度、可裁剪性、缩小了自适应光学系统中信号处理平台的体积。
结合实际自适应光学系统设计并实现了一套波前信号处理平台，该自适应光学系统中配置了一个跟踪传感器、一个61单元的哈特曼－夏克波前传感器和一个128单元的哈特曼－夏克波前传感器。结合该自适应光学系统对附图1所示的波前信号处理平台进行裁剪后得到如附图4所示的信号处理平台。该信号处理平台只搭载了三个信号处理模块①、②以及③，分别对应跟踪传感器、61单元哈特曼－夏克波前传感器和128单元哈特曼－夏克波前传感器。
与跟踪信号处理模块①连接的扩展I/O板输出数字电压信号到倾斜镜驱动放大电路，并输入系统控制信号到信号处理模块①；与信号处理模块②连接的扩展I/O板输出61路数字电压到变形镜驱动放大电路，并输入系统控制信号到信号处理模块②；与信号处理模块③连接的扩展I/O板输出128路数字电压到变形镜驱动放大电路，并输入系统控制信号到信号处理模块③。
由于系统只要求跟踪传感器与128单元传感器间进行斜率数据融合，而61单元自成闭环系统，为增加信号处理模块①与信号处理模块③间的数据通讯带宽，将所有信号处理模块间互连总线调整为信号处理模块①到信号处理模块③的单向数据通道，通道频率为80MHz,数据带宽为32bit，控制信号为8bit。
如附图5所示，信号处理模块由一片Xilinx公司的FPGA(XC5VLX1106FF1136)、一片TI公司的浮点DSP(TMS320C6747)、一片PLX公司的PCI桥接芯片（PLX9054）、一个FULL模式的CameraLink相机接收芯片以及一片DDR3和一片SBRAM组成以及这些芯片的外围电路组成。DSP与FPGA通过EMIFA总线进行连接，总线频率为100MHz,数据带宽为16bit，FPGA与PCI总线通信速度为33MHｚ，数据带宽为32bit,SBRAM用于存储单帧图像，DDR3用于存储较长时间的斜率和电压数据。
信号处理模块①中FPGA接收跟踪传感器图像，完成图像降噪处理、目标搜索算法，计算目标实际位置与标定位置的误差量，并输出误差量到信号处理模块③进行数据融合，DSP根据FPGA计算出的误差量，采用PID控制算法计算出倾斜镜在X和Y两个方向的控制电压，FPGA与DSP采用握手以及存储器映射方式进行通讯。
信号处理模块②中FPGA接收61单元的哈特曼传感器图像,完成图像降噪处理、54个子光斑的斜率求解以及61路波前相差求解，DSP根据FPGA求解出的61路波前相差，利用PID控制算法计算出变形镜的61路控制电压，FPGA与DSP采用握手以及存储器映射方式进行通讯。
信号处理模块③中FPGA接收128单元的哈特曼传感器图像,信号处理模块①输入的跟踪目标误差，完成哈特曼图像的降噪处理、128个子光斑的斜率求解和数据融合，128路波前相差求解，DSP根据FPGA求解出的128路波前相差，利用PID控制算法计算出变形镜的128路控制电压，FPGA与DSP采用握手以及存储器映射方式进行通讯。
本发明将多个信号处理模块集成到一个信号处理平台中，提高了自适应光学波前信号处理硬件平台的集成度，减小了信号处理系统的占地面积；多个信号处理模块采用带开关的动态总线结构互连，各模块间互连总线带宽可根据系统需要动态调整，增加了信号处理模块间通讯的灵活性；多个信号处理模块采用了完全相同的硬件结构，模块间可随意互换，降低了系统设计成本；信号处理平台的在运行信号处理模块数可变，最少为1个，最多为7个，增加了信号处理平台的可裁剪性。根据该平台设计的自适应光学系统信号处理平台适用性强、集成度高、体积小、灵活性好，并且具备可裁剪性，适合自适应光学信号处理系统的工程实现。
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 (9)
1.一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台，其特征在于：该平台包括：多个信号处理模块（1）、互连背板（2）、扩展I/O板（3）以及监控主机（4），所述的多个信号处理模块中的每个信号处理模块均对应一个波前传感器，所述的多个信号处理模块与所述的监控主机通过所述的互连背板（2）以PCI总线结构互连，所述的多个信号处理模块中正在运行的信号处理模块数可变，所述的多个信号处理模块之间以带开关的动态总线结构互连，该动态总线带宽可动态调整，所述的多个信号处理模块中的各信号处理模块均配置有传感器信号输入接口，该传感器信号输入接口通过所述的扩展I/O板（3）将处理后的信号输出到对应的变形镜或倾斜镜驱动放大系统，所述的监控主机（4）负责管理各信号的参数配置和信号监控。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台，其特征在于：所述的多个信号处理模块（1）中每个信号处理模块均包括一个FULL模式的CameraLink相机数据输入接口、一个可编程逻辑器件、一片数字信号处理器(DSP)、一个PCI桥接芯片以及多片存储器；当信号处理模块连接的传感器为跟踪传感器时，所述的可编程逻辑器件完成图像处理、目标位置提取以及接口通信控制工作，所述的数字信号处理器完成倾斜镜控制电压的PID运算以及多传感器倾斜镜电压数据融合；当信号处理模块连接的传感器为波前传感器时，所述的可编程逻辑器件完成图像处理、波前误差提取、多传感器波前误差数据融合、波前相位计算以及接口通信控制工作，所述的数字信号处理器完成变形镜控制电压的PID运算以及多传感器变形镜电压数据融合；信号处理模块的所述的可编程逻辑器件内配置一个与其它信号处理模块通讯的总线开关，当信号处理模块不需要和其它信号处理模块进行数据交互时，该信号处理模块关闭连接到本身的总线通道，这样就能为其它信号处理模块间通讯让出数据带宽，从而达到动态调整总线带宽的目的。
3.根据权利要求2所述的一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台，其特征在于：所述的可编程逻辑器件为现场可编程门阵列（FPGA）。
4.根据权利要求1所述的一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台，其特征在于：所述的互连背板提供每个信号处理模块与对应扩展I/O板（3）间的并行数据通道，提供多个信号处理模块间的局部互连总线，提供监控主机与各信号处理模块通信的PCI总线通道，为每个信号处理模块、扩展I/O板（3）和监控主机（4）提供电源输入通道。
5.根据权利要求1所述的一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台，其特征在于：所述的扩展I/O板（3），用于输入望远镜系统的控制信号及输出变形镜或倾斜镜的数字驱动控制信号，所述的扩展I/O板（3）的输入/输出接口包括四种接口：Base模式的Cameralink接口、百兆网络接口、LVDS并行接口以及光纤接口。
6.根据权利要求1所述的一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台，其特征在于：所述的监控主机（4）为每个信号处理模块提供相机平场数据加载、探测目标的标定位置加载、复原矩阵加载以及PID控制参数加载，从各信号处理模块读取对应传感器的图像数据、各传感器所探测目标的位置误差数据、各变形镜或倾斜镜的电压控制信号。
7.根据权利要求3所述的一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台，其特征在于：通过增加或减少信号处理模块及其对应扩展I/O板（3）的数量可使该信号处理平台完成多套传感器的信号处理及多个变形镜或倾斜镜的电压控制运算，各信号处理模块的硬件结构完全相同，多个信号处理模块间可通过互连背板进行数据交互，实现多传感器控制的数据融合，当传感器及对应变形镜或倾斜器发生变化时，只需修改信号处理模块上的FPGA和DSP器件的程序，无需对信号处理模块的硬件电路做任何变动。
8.根据权利要求1所述的一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台，其特征在于：所述的波前传感器为一个至七个。
9.根据权利要求1所述的一种适用于多传感器自适应光学系统的信号处理平台，其特征在于：所述的互连背板（2）是基于CPCI总线结构的。
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