CN104391466A - 一种快速自适应光学控制器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的自适应光学控制器的设计方法主要是利用FPGA强大的并行处理能力与多核DSP强大的数据处理能力进行实时波前处理，将波前斜率的计算用FPGA进行硬件加速，实现边接收边处理，同时在DSP中利用并行计算的方法，减少波前复原和控制运算的时间。该方法快速有效，实现了子孔径图像的边接收边处理，充分利用图像传输的时间，缩小自适应光学系统波前处理的时延，满足自适应光学系统调整迅速的要求。

Description

一种快速自适应光学控制器的设计方法

技术领域

本发明涉及自适应光学领域，尤其涉及自适应光学系统中自适应光学控制器的设计方法。

技术背景

光在大气中传播的时候，由于大气的不稳定性和随机性，会受到气流扰动，分子吸收，气体气溶胶散射等各种影响。从而导致波平面波入射后，从大气介质射出后得到的是一个随机曲面的波阵面，直接后果就是使目标在成像设备焦平面的图像模糊不堪，在各种光学系统中，这都将严重影响系统的成像性能。

自适应光学技术目的是有效克服和补偿大气湍流的影响。自适应光学系统利用波前探测器WFS测量成像系统瞳面的射出波面与平面波波面误差，得到误差数据后将这些数据转换成自适应光学系统控制信号，利用这些控制信号对系统的光学特性做实时控制，实时的校正入射光束波前变形，从而达到了补偿波前畸变的效果。通过自适应光学技术，物镜可以得到近似于衍射极限的目标图像。所以自适应光学技术使我们的光学系统能够自动的适应外界条件的随机变化，稳定的保持一个良好的工作状态。在地对空观测成像系统，航空航天对地遥感高分辨率成像系统以及高速飞行器成像制导系统中，自适应光学技术都发挥了重要的作用。同时，自适应光学系统不仅适用于望远镜以及光学遥感器的高分辨率成像，在激光加工，眼科医学，航空航天及通信领域也存在着广阔的应用前景。

自适应光学控制器是一个电子控制器单机，主要实现波前处理的功能，波前处理又分为图像传输、斜率计算、波前恢复和控制运算等步骤。其输入为CCD相机图像，输出为波前矫正器的控制信号，自适应光学控制器有PC接口，接收PC的控制。

自适应光学系统的控制响应时间等于各模块的处理延时之和。为了获得更好地控制性能，需要系统的处理时间尽可能少。波前处理的时延为波前斜率计算，波前复原和控制运算时延之和。为了最小化运算时延，需要充分的利用并行化运算技巧。

传统的自适应光学控制器设计方法，一般采用任务间流水线运算、矩阵并行计算等策略来完成系统任务和改善系统时延。本发明一种自适应光学控制器的设计方法，采用FPGA硬件加速，实现了边接收边处理，能实时进行波前处理的计算。该方法快速有效，能显著改善自适应光学系统的时延。

发明内容

为了进一步改善改善自适应光学系统控制响应的时延问题，本发明提出了一种快速自适应光学控制器的设计方法，在保证准确性与鲁棒性的前提下，解决了波前处理计算复杂度高、延时大的问题。

本法明提出的一种快速自适应光学控制器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：CCD相机采集子孔径的图像数据，并将该图像数据传送至包含FPGA和数字信号处理器的自适应光学的控制系统中；

步骤2：在FPGA中计算子孔径的像素灰度与子孔径水平方向坐标的加权和A、像素灰度与子孔径垂直方向坐标的加权和B、子孔径像素灰度和H；

步骤3：依据上述A、B、H的值，在数字信号处理器中计算子孔径图像质心，并结合正常图像入射时子孔径图像质心，计算得到波前斜率；

步骤4：利用波前斜率，计算波面误差；

步骤5：波面误差矩阵计算控制电压，并发送至自适应光学矫正器；

优选的，步骤2中A、B、H的计算公式分别为 $B={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{l-1}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^{k-1}{I}_{\mathrm{ij}}\·i,H={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{l-1}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^{k-1}{I}_{\mathrm{ij}},$ 其中k和l分别为子孔径像素的行数和列数，i和j分别为像素的横坐标和纵坐标，I_ij为子孔径内像素点(i,j)处的灰度值；计算方法为：依据FPGA接收每个子孔径图像的像素序列，采用累加的方式，在接收像素数据的同时计算当前所有像素点的A、B、H的值。

优选的，步骤3中波前斜率为子孔径图像质心与正常子孔径图像质心的差值。

优选的，每接收一个子孔径图像质心，同时计算相应的波前斜率。

优选的，波面误差的计算方法包括：

步骤41：构建前复原矩阵M；

步骤42：在得到第n个子孔径图像的波前斜率的同时，将该波前斜率在x方向的值与M的第n列元素相乘，并与之前n‐1个子孔径图像相应的计算结果累加；将该波前斜率在y方向的值与M的第2n列元素相乘，并与该波前斜率在x方向的值与M的第n列元素相乘并累加后的结果继续累加。

本发明一种快速自适应光学控制器的设计方法，利用FPGA强大的并行处理能力与多核DSP强大的数据处理能力进行实时波前处理，将波前斜率的计算用FPGA进行硬件加速，实现边接收边处理，同时在DSP中利用并行计算的方法，减少波前复原和控制运算的时间，在保证准确性与鲁棒性的前提下，解决了波前处理计算复杂度高、延时大的问题。

附图说明

图1为本发明自适应光学控制器的功能结构示意图；

图2为本发明自适应光学控制器装置的框图；

图3为本发明自适应光学控制器的数据处理流程示意图；

图4为本发明自适应光学控制器中FPGA的逻辑功能示意图；

图5为本发明自适应光学控制器中FPGA与DSP连接示意图；

图6为本发明自适应光学控制器中总线连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出进一步详细说明。

如图1所示,一个完整的自适应光学系统应该包括CCD相机，由图像传输、斜率计算、波前复原、控制运算构成的自适应光学控制器，以及波前矫正器；工作原理为：目标图像穿过大气后经过透镜被CCD相机接收，CCD相机曝光的子孔径图像数据传给自适应光学控制器，通过进行各子孔径波前斜率运算得到斜率向量，根据所得的斜率向量进行波前复原的计算，将斜率向量转化为波面误差向量，自适应光学系统最后通过控制运算得到波前矫正器所需的控制数据，从而完成自动调节功能。系统中CCD相机、波前矫正器由用户选择确定，图像传输、斜率计算、波前复原、控制运算功能由自适应光学控制器实现。

本发明的自适应光学控制器的设计方法主要是利用FPGA强大的并行处理能力与多核DSP强大的数据处理能力进行实时波前处理，将波前斜率的计算用FPGA进行硬件加速，实现边接收边处理，同时在DSP中利用并行计算的方法，减少波前复原和控制运算的时间。该方法快速有效，实现了子孔径图像的边接收边处理，充分利用图像传输的时间，缩小自适应光学系统波前处理的时延，满足自适应光学系统调整迅速的要求。

如图2所示，本实施例中，电源给板卡上电后，CCD相机采集子孔径图像，并用MDR26接口通过CameraLink协议将采集到的图像数据传给板卡。板卡上设有2个MDR26接口，支持CameraLink协议中的Base、Medium、Full三种模式。板卡在FPGA+DSP中对子孔径图像数据进行实时波前处理后输出控制电压，并通过CNT_BUS接口把控制电压发给波前校正器。

如图3所示，本实施例的一种快速自适应光学控制器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：电源给板卡上电后，CCD相机采集生成子孔径图像，并用MDR26接口通过CameraLink协议将采集到的子孔径图像数据传给自适应光学控制器板卡，CameraLink协议可以选择base、medium、full三种模式，图像传输的速度分别为255MB/S、510MB/S和680MB/S。

步骤2：板卡接收MDR26接口传来的子孔径图像数据，经过差分电平转换为单端电平的电平转换后，将数据传入FPGA中。

步骤3：根据接收到的子孔径图像数据，在FPGA中计算子孔径的像素灰度与子孔径水平方向坐标的加权和A、像素灰度与子孔径垂直方向坐标的加权和B、子孔径像素灰度和H，为子孔径图像的波前斜率的计算做好准备。本发明波前斜率的计算采用质心法，即子孔径内各像素点坐标的加权平均值作为波前斜率，权值为像素点上的

光强。根据公式(1)可以计算子孔径内图像的质心,C_x、C_y、I_ij依次代表子孔径质心在x与y方向的质心值和子孔径内像素点(i,j)处的灰度值，子孔径的大小为k×l,式中符号单位均为pixel。

$\left\{\begin{array}{c}{C}_x=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{l-1}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^{k-1}{I}_{\mathrm{ij}}\·j}{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{k-1}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^{l-1}{I}_{\mathrm{ij}}}\\ C_y=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{l-1}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^{k-1}{I}_{\mathrm{ij}}\·i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{l-1}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^{k-1}{I}_{\mathrm{ij}}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

步骤3.1：根据公式(1)，将子孔径内图像质心的计算分为三部分，即即子孔径的像素灰度与子孔径水平方向坐标的加权和,即子孔径像素灰度与子孔径垂直方向坐标的加权和,即子孔径像素灰度和。所以A、B、H三部分的运算是相互独立的，且只跟像素有关。

步骤3.2：如图4所示，FPGA从接收子孔径图像的第一行第一个像素数据时，开始进行乘加运算，第二个像素与第一个像素进行A、B、H三种乘加运算，依次类推，当接收到第一行第l个像素，即第一个子孔径的第一行像素数据接收完毕时，乘加完毕。同样的，在接收第一行第l个到第2l个像素(即第二个子孔径的第一行像素数据)时，与前l个像素一样，同时进行A、B、H三种乘加运算，此时像素点的坐标参照第二个子孔径的坐标系，且用了三个新的乘加器。因为A、B、H三种乘加运算相互独立，且只与像素点的灰度值和像素点的坐标有关，所以可以一边接收像素数据一边进行乘加，当像素数据接收完毕时乘加运算也相应的完成了。将每个子孔径图像的三个乘加器作为一组，设图像大小为a×b，共有b/l组乘加器，所以整个计算共需要b/l×3个乘加器。乘加器用FPGA中固有的硬件模块DSP Slice实现。当接收前l个像素数据时，用第一组乘加器进行乘加，当接收第l到2l个像素数据时，用第二组乘加器进行乘加，以此类推，直到第一行像素数据接收完毕，用第b/l组乘加器对最后l个像素数据进行乘加运算。同样的，当接收图像第二行像素数据时，计算方法和计算第一行像素数据时相同，每组乘加器在第一行的乘加结果上继续进行累加，依次类推，当接收到第k行l列个像素后，第一组乘加器所得出乘加结果就是第一个子孔径质心的A、B、H三种运算的值，再根据公式(1)就能得到第一个子孔径图像的质心值了。

步骤3.3：把第一组乘加器A、B、H三种运算所得到的值分别存入X、Y、Z三块双端口的RAM中。同时把第一组乘加器的乘加结果清零。如图5所示，所述三块双端口的RAM为FPGA中固有的硬件模块。每块的大小为一幅图像子孔径总数n×32bit。每块RAM都有n个地址，分别用于存储一幅图像所有子孔径质心A、B、H三种乘加运算所得到的值。

步骤3.4：X、Y、Z三块双端口RAM的地址寄存器Addr_cnt加1。Addr_cnt寄存器存储的是三块RAM的地址指针，且每写一次RAM，Addr_cnt寄存器的值加1。

步骤4：DSP读取Addr_cnt寄存器的值。如图5所示，这三块双端口的RAM，通过EMIF接口与DSP连接，在DSP端有一个质心计数器M，初始值为0，DSP不停地通过EMIF接口读取Addr_cnt寄存器的值，并把其与M的值进行比较，当M与Addr_cnt寄存器中的值不同时，DSP开始通过EMIF接口顺序读取X、Y、Z三块双端口的RAM中A、B、H三种运算的值，且M自加一。EMIF接口数据线只有16bit，而3块RAM中的数据位32bit，所以在DSP端看来，RAM的地址总共有2n个。

步骤5：DSP用所接收的A、B、H三种运算的值进行波前斜率的计算。在DSP端如图5，分别有P、Q两块存储器，P、Q的容量相等，容量为图像子孔径总数n×32×3bit(即三块RAM的容量之和)。P用于接收和处理图像子孔径的A、B、H三种运算的值。Q用作备用存储，方便算法的拓展。在接收EMIF接口数据时，由于EMIF接口数据线只有16位，所以在接收时必须把两个数据拼成一个32bit数据存储在存储器中。当开始写存储器P时，DSP开始波前斜率的计算，计算过程如下：

步骤5.1：计算子孔径图像质心。质心矩阵C＝[C_1x，C_1y，......C_nx，C_ny]是2n维列向量，根据公式(1)及已经计算得到的A、B、H三种运算的值就能得到。

步骤5.2:得到正常子孔径图像的质心。正常图像入射时图像子孔径质心矩阵为C₀，自适应光学系统会预先存储一副未经大气湍流干扰的图像信号，C₀＝[C_1x0，C_1y0，......C_nx0，C_ny0]是2n维列向量，代表正常图像子孔径质心，预先存储在DSP中。

步骤5.3：根据公式(2)，计算得到波前斜率矩阵，G₀＝[g_1x，C_1y，......C_nx，C_ny]是2n维列向量，G₀即为所有子孔径点的波前斜率向量。

G₀＝C-C₀      (2)

根据步骤5.1、步骤5.2、步骤5.3所述，各子孔径波前斜率的计算只是接收的图像子孔径质心坐标减去正常图像子孔径质心坐标，各子孔径质心间的计算并无相关性，所以可以一边接收质心值，一边计算波前斜率。

根据上述方法，当一幅图像传输完成时，图像子孔径质心矩阵C就能得出，波前斜率矩阵也能迅速得出，大量地缩小了波前斜率计算的时延。

上述方法的优点在于：在得到第一个像素数据时就开始进行波前斜率的计算，充分地利用了图像传输的时间，缩短了波前斜率计算的延时。

步骤6：进行波前复原的计算。波前复原的作用是通过恢复矩阵将得到的波前斜率信息求解为波面误差信息。波前复原的算法包括区域法和模式法，其中模式法得到的各个系数都有相应的物理意义，可以定量的分析光学系统的物理特性并采取相应的畸变校正措施。本发明采用模式法，模式法有很多种，包括Zernike模式法、直接斜率法、本征模法等等。根据公式(3)，它们在复原工作中主要的计算工程是通过波前复原矩阵M，拟合得到波面误差矩阵E。如公式(3)所示。

E＝MG₀     (3)

其中，M为m×2n向量，其中m为波前校正器的校正单元数，n为一幅图像子孔径的总数。M是波前斜率和波面误差的关系矩阵，采用模式法各种算法其值不相同，且是固定不变的，可以事先存入DSP芯片中。其中m_1.1表示第一个校正单元在第一个子孔径x方向上波前斜率和波面误差的关系值，m_1.2表示第一个校正单元在第一个子孔径y方向上波前斜率和波面误差的关系值。依次类推，m_m.2n表示第m个校正单元在第n个子孔径y方向上波前斜率和波面误差的关系值。

$\left[\begin{array}{ccccccc}{m}_{1.1}& m_{1.2}& & ...& & ...& m_{1.2n}\\ m_{2.1}& m_{2.2}& & ...& & ...& m_{2.2n}\\ ...& ...& ...& & ...& ...& ...\\ ...& ...& ...& & ...& ...& ...\\ m_{m.1}& m_{m.2}& ...& & ...& ...& m_{m.2n}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{g}_{1x}\\ g_{1y}\\ .\\ g_{\mathrm{nx}}\\ g_{\mathrm{ny}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}_1\\ e_2\\ .\\ .\\ e_m\end{array}\right]---\left(4\right)$

波前复原的计算就是矩阵与向量的相乘。根据公式(4)，为达到边接收边处理的目的，本发明采用的方法如下：

步骤6.1：将计算所得的斜率向量G₀的元素g_1x与波前复原矩阵M的第一列向量[m_1.1，m_2.1，...，m_m.1]中的每一个元素相乘，结果存在m个存储器中。

步骤6.2：将计算所得的斜率向量G₀的元素g_1y与波前复原矩阵M的第二列向量[m_1.1，m_2.1，...，m_m.1]中的每一个元素相乘，将结果与存在m个存储器中的数据做累加运算。

步骤6.3：依次类推，直到斜率向量G₀最后一个元素g_1y与波前复原矩阵M最后一列向量[m_1.2，m_2.2，...，m_m.2]相乘，将结果与存在m个存储器中的数据做累加运算，就能得到最后的波面误差矩阵E。

该方法的优点在于：在得到波前斜率向量的第一个值后即可进行波前复原的计算，充分地利用了各子孔径波前斜率计算的时延，缩短了波前复原的延时。

步骤7：控制运算。控制运算的目的是将得到的波前信息转化为波前控制器所需的控制信息。控制运算可以采用PID控制、期望频率特性、Smith控制等多种办法，控制向量V和波面误差向量E可以表示为公式(5)，公式(5)为控制向量V和波面误差向量E之间传递函数的Z变换。

$\frac{V}{E}=\frac{b_0+b_1{Z}^{-1}+b_2{Z}^{-2}+b_3{Z}^{-3}}{1-a_1{Z}^{-1}-a_2{Z}^{-2}-a_3{Z}^{-3}}---\left(5\right)$

其中，a₁、a₂、a₃、b₀、b₁、b₂、b₃均为系统控制参数，通过测试可得。本发明根据公式(5)的传递函数采用迭代法求得V，如公式(6)。

V＝b₀E+x₁

x₁＝b_lE+a_lV+x₂

                           (6)

x₂＝b₂E+；a₂V+x₃

x₃＝b₃E+a₃V

所以，在得到波面误差矩阵E后，根据公式(6)计算所得到的V就是自适应光学控制器最终输出到波前校正器驱动器上的控制电压。因为控制电压的计算同样是矩阵与向量的相乘，所以本发明控制电压的计算可以同样采用步骤6.1、步骤6.2、步骤6.3所述的方法，实现边接收边处理。

步骤8：如图6，在得到控制电压矩阵V后，DSP将其存储在J中，J的大小为m×32bit。J通过EMIF总线，连接到SOPC的总线上，通过总线传输给自定义的CNT_BUS接口，最后通过CNT_BUS接口发给自适应光学矫正器。

综上所述，本发明一种快速自适应光学控制器的设计方法，仅用一个FPGA和一个DSP就能完成波前处理的计算，节约硬件资源；本方法使用FPGA对算法进行硬件加速，实现了边接收处理，图像传输完成的同时，控制电压也能立刻得出。在保证准确性与鲁棒性的前提下，解决了波前处理计算延时大的问题；本发明能实时进行波前处理的计算，快速灵活，稳定性强，且数据接口丰富，具有广阔的应用前景。

Claims (5)

1.一种快速自适应光学控制器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤： 

步骤1：CCD相机采集子孔径的图像数据，并将该图像数据传送至包含FPGA和数字信号处理器的自适应光学的控制系统中； 

步骤2：在FPGA中计算子孔径的像素灰度与子孔径水平方向坐标的加权和A、像素灰度与子孔径垂直方向坐标的加权和B、子孔径像素灰度和H； 

步骤3：依据上述A、B、H的值，在数字信号处理器中计算子孔径图像质心，并结合正常图像入射时子孔径图像质心，计算得到波前斜率； 

步骤4：利用波前斜率，计算波面误差； 

步骤5：波面误差矩阵计算控制电压，并发送至自适应光学矫正器。 

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中A、B、H的计算公式分别为 其中k和l分别为子孔径像素的行数和列数，i和j分别为像素的横坐标和纵坐标，I_ij为子孔径内像素点(i,j)处的灰度值；计算方法为：依据FPGA接收每个子孔径图像的像素序列，采用累加的方式，在接收像素数据的同时计算当前所有像素点的A、B、H的值。 

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中波前斜率为子孔径图像质心与正常子孔径图像质心的差值。 

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，每接收一个子孔径图像质心，同时计算相应的波前斜率。 

5.如权利要求1‐4中任一项所述的方法，其特征在于，波面误差的计算方法包括： 

步骤41：构建前复原矩阵M； 

步骤42：在得到第n个子孔径图像的波前斜率的同时，将该波前斜率在x方向的值与M的第n列元素相乘，并与之前n‐1个子孔径图像相应的计算结果累加；将该波前斜率在y方向的值与M的第2n列元素相乘，并与该波前斜率在x方向的值与M的第n列元素相乘并累加后的结果继续累加。