CN104317352B - 一种自适应光学控制系统快速去倾斜分量处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应光学控制系统快速去倾斜分量处理方法，该方法将波前复原运算分解为复原运算1和复原运算2，然后将波前斜率计算与复原运算1安排为流水线结构，待斜率计算全部完成并得到倾斜量后，开始复原运算2，其间的矩阵相乘都将矩阵分割多个可以并行运算的模块单元，最后复原运算1的结果减去复原运算2结果即完成复原运算。本发明有效克服了过去自适应光学控制系统在斜率需要去倾斜分量时，斜率计算与复原运算不能实现流水线工作的困难，大大减小了复原运算的处理延时，节省了资源，降低了开发难度，有效提高了系统处理带宽。

Description

一种自适应光学控制系统快速去倾斜分量处理方法
技术领域
本发明涉及一种自适应光学控制系统快速去倾斜分量处理方法，具体适用于自适应光学系统在斜率需要去倾斜分量的方式下减小波前复原的运算延时。
背景技术
在自适应光学系统中，为了有效校正大气湍流造成的动态波前误差，对波前处理机的计算能力和实时性要求非常高。通用的微型计算机已不能满足要求，必须根据自适应光学系统波前处理的特点研制专用的高速波前处理机。波前处理机的工作流程包括图像处理、斜率计算、复原运算、控制运算和D/A转换五个模块，随着子孔径数和驱动器单元数的不断增加，波前复原运算已经成为波前处理中运算量最大的部分。将子孔径波前斜率向量G乘波前复原矩阵D得到波前误差向量E，即：
E＝DG (1)
设子孔径数为n，驱动器数为m，则D是m×2n的矩阵，G有2n个分量，为各子孔径的X和Y方向斜率的组合。
自适应光学系统在斜率需要去倾斜分量时，要先计算出倾斜分量即X方向斜率的平均值和Y方向斜率的平均值G中各子孔径X和Y方向斜率要分别减去对应的和
目前的自适应光学系统在斜率不需要去倾斜分量时的主要处理方法是，将斜率计算与复原运算安排为流水线结构，当一部分子孔径计算完成以后即开始相应部分的复原运算，这样可以大大减小复原运算的处理延时。而在斜率需要去倾斜分量时的处理方法是，等待斜率全部计算完成以后，计算出倾斜分量和斜率减去和后再开始复原运算。这样复原运算无法采用流水线结构，运算耗时很长，资源消耗巨大。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于自适应光学系统在斜率需要去倾斜分量的方式下减小波前复原运算延时的处理方法，该方法有效克服了过去在斜率需要去倾斜分量的方式下斜率计算与复原运算不能实现流水线工作的困难，大大减小了复原运算的处理延时，节省了资源，降低了开发难度，有效提高了系统处理带宽。
本发明的技术方案如下：一种自适应光学控制系统快速去倾斜分量处理方法，将波前复原运算分解为复原运算1和复原运算2，然后将波前斜率计算与复原运算1安排为流水线结构，待斜率计算全部完成并得到倾斜量后，开始复原运算2，其间的矩阵相乘都将矩阵分割多个可以并行运算的模块单元，最后复原运算1的结果减去复原运算2结果即完成复原运算。
进一步的，所述的波前复原运算分解步骤如下：
①斜率矩阵为1列2N(N为子孔径数)行的矩阵，分解为1列2N行的原始斜率矩阵减去1列2N行的倾斜分量矩阵；
②复原运算即为M(驱动器单元数)行2N列的复原矩阵乘以斜率矩阵，可以分解为复原矩阵分别乘以原始斜率矩阵和倾斜分量矩阵的结果之差。
进一步的，所述的波前斜率计算与复原运算1的流水线结构为：以哈特曼传感器子孔径行为单位，当一个子孔径行的斜率计算完成后，随即开始该行斜率矩阵对应的复原运算；当下一行子孔径的斜率计算完成时，上一行子孔径斜率对应的复原运算已经完成。
进一步的，所述的复原运算2步骤如下：
①倾斜分量矩阵被分解为由两个倾斜量和重复组成的一列2N行的矩阵；
②复原矩阵乘以倾斜分量矩阵分解为复原矩阵每一行的奇数列乘以加上偶数列乘以
③由于复原矩阵可以提前得到的固定矩阵，所以将复原矩阵每一行的奇数列和偶数列分别累加得到这样复原矩阵简化为M行2列的矩阵；
④复原运算2即为M行2列的矩阵乘以2行1列的矩阵。
进一步的，所述的矩阵分割多个可以并行运算的模块单元是按行为单位，将复原矩阵分为多行并行进行乘累加。
本发明的原理在于：
一种自适应光学控制系统快速去倾斜分量处理方法：(1)波前复原运算分解，将复原矩阵与原始斜率减去倾斜分量后的斜率矩阵相乘的过程，分解为：复原矩阵与原始斜率矩阵的乘积(以下简称复原运算1)减去复原矩阵与倾斜分量矩阵的乘积(以下简 称复原运算2)；(2)将波前斜率计算与复原运算1安排为以子孔径行图像为单位的流水线结构，一个子孔径行斜率计算完成后即开始进行对应部分的复原运算；(3)斜率计算全部完成，计算得到倾斜量后，开始复原运算2；(4)将复原运算2中的复原矩阵与倾斜分量矩阵相乘简化为：复原矩阵奇数列累加和、偶数列累加和组成的两列矩阵与倾斜量X、Y组成的两行矩阵相乘的过程；(5)矩阵分割，目的是将矩阵分割为多个可以并行运算的模块单元，进一步提高运算效率；(6)复原运算1的结果减去复原运算2的结果即得到整个复原运算的结果。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过一种巧妙的矩阵拆分和简化，有效克服了过去自适应光学系统在斜率需要去倾斜分量的方式下只能等待斜率计算全部完成以后才能开始复原运算所导致的运算量巨大，耗时很长的困难，尤其是解决了随着自适应光学系统子孔径数目和驱动器数目不断增加而导致复原矩阵运算量剧增，进一步导致波前处理的高实时性难于实现的难题。
附图说明
图1为本发明中的波前复原矩阵拆分示意图；
图2为本发明中的斜率计算与复原运算1流水线结构示意图；
图3为本发明中的复原运算2简化示意图。
具体实施方式
下面结合图1至图3具体说明本实施方式。本发明的一种自适应光学控制系统快速去倾斜分量处理方法，具体适用于自适应光学系统在斜率需要去倾斜分量的方式下减小波前复原运算延时，它通过以下步骤完成：
1、如图1所示，将波前复原运算分解为复原运算1和复原运算2，斜率矩阵为1列2N(N为子孔径数)行的矩阵，分解为1列2N行的原始斜率矩阵减去1列2N行的倾斜分量矩阵；复原运算即为M(驱动器单元数)行2N列的复原矩阵乘以斜率矩阵，可以分解为复原矩阵分别乘以原始斜率矩阵和倾斜分量矩阵的结果之差。
2、如图2所示，将波前斜率计算与复原运算1设计为流水线结构：以哈特曼传感器子孔径行为单位，当一个子孔径行的斜率计算完成后，随即开始该行斜率矩阵对应的复原运算；当下一行子孔径的斜率计算完成时，上一行子孔径斜率对应的复原运算已经完成。当一帧图像输出结束时，斜率计算延时仅为最后一个子孔径行的斜率计算延时ttitl，复原运算1的运算延时为最后一个子孔径行的复原运算延时tre1。
3、如图3所示，复原运算2通过以下步骤简化：
①倾斜分量矩阵被分解为由两个倾斜量和重复组成的一列2N行的矩阵；
②复原矩阵乘以倾斜分量矩阵分解为复原矩阵每一行的奇数列乘以加上偶数列乘以
③由于复原矩阵可以提前得到的固定矩阵，所以将复原矩阵每一行的奇数列和偶数列分别累加得到这样复原矩阵简化为M行2列的矩阵；
④复原运算2即为M行2列的矩阵乘以2行1列的矩阵，运算量大大减小，其运算延时为tre2。
4、矩阵分割多个可以并行运算的模块单元是按行为单位，将复原矩阵分为多行并行进行乘累加。

Claims (1)

1.一种自适应光学控制系统快速去倾斜分量处理方法，其特征在于：将波前复原运算分解为复原运算1和复原运算2，然后将波前斜率计算与复原运算1安排为流水线结构，待斜率计算全部完成并得到倾斜量后，开始复原运算2，其间的矩阵相乘都将矩阵分割多个可以并行运算的模块单元，最后复原运算1的结果减去复原运算2结果即完成复原运算；
所述的波前复原运算1分解步骤如下：
①斜率矩阵为1列2N行的矩阵，分解为1列2N行的原始斜率矩阵减去1列2N行的倾斜分量矩阵，其中N为子孔径数；
②复原运算1即为M行2N列的复原矩阵乘以斜率矩阵，其中M为驱动器单元数，可以分解为复原矩阵分别乘以原始斜率矩阵和倾斜分量矩阵的结果之差；
所述的波前斜率计算与复原运算1的流水线结构为：以哈特曼传感器子孔径行为单位，当一个子孔径行的斜率计算完成后，随即开始该行斜率矩阵对应的复原运算1；当下一行子孔径的斜率计算完成时，上一行子孔径斜率对应的复原运算1已经完成；
所述的复原运算2步骤如下：
①倾斜分量矩阵被分解为由两个倾斜量和重复组成的一列2N行的矩阵；
②复原矩阵乘以倾斜分量矩阵分解为复原矩阵每一行的奇数列乘以加上偶数列乘以
③由于复原矩阵可以提前得到的固定矩阵，所以将复原矩阵每一行的奇数列和偶数列分别累加得到这样复原矩阵简化为M行2列的矩阵；
④复原运算2即为M行2列的矩阵乘以2行1列的矩阵；
所述的矩阵分割多个可以并行运算的模块单元是按行为单位，将复原矩阵分为多行并行进行乘累加。
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