CN107357748A - 一种用于自适应光学的预处理系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于自适应光学的预处理系统，接口模块、处理模块、仿真模块、总线模块四部分。本发明用于自适应光学的机下数据处理，本系统在机下可连接光波前探测器；激光导星系统；变形镜系统以及辅助测试的仿真系统。通过光纤总线与机上连接，传递数据与命令。本发明解决了现有自适应光学系统波前校正处理中外接系统多，智能化低，不易更新升级等问题。简化并规范了外接系统的接口形式以及软件协议。尤其可应用于多激光导星系统、多哈德曼波前探测器和多变形镜系统下的自适应光学系统中。

Description

一种用于自适应光学的预处理系统
技术领域
本发明涉及自适应光学技术域，特别是涉及一种用于自适应光学的预处理系统。
背景技术
自适应光学技术普遍应用于天文观测中，地基望远镜向着大型化发展，目前全球在研的地基望远镜口径大多超过30米，其中EURO50项目达到50米，OWL项目口径达到了100米，由此自适应光学提出了诸如多点激光导星、多点自适应multi-objectAO（MOAO）、分层共轭自适应multi-conjugateAO（MCAO）等技术。随着技术的进步要求多个变形镜、多个激光导星或多个波前探测器协同工作，单一运算处理系统已经无法完成未来多变形镜、多激光导星、多波前探测协同工作这一要求。这就对自适应光学处理系统提出更高的要求。专利“一种自适应光学处理平台”（专利申请号201410543823.9）揭示了一种基于GPU协处理以及总线形式的新型自适应光学处理平台，对自适应光学数据处理提出了模块化、总线化、智能化和可扩展化的设计。本专利进一步阐述机下自适应预处理系统的独特设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，为自适应光学技术中的多个变形镜系统、激光导星系统、波前探测器协同工作的情况，提供一种用于自适应光学的预处理系统。此系统除了具有统一分系统数据和控制信号的作用外，同时具有于测试后端的自适应处理系统的性能的仿真功能。
采用的技术方案是：
一种用于自适应光学的预处理系统，主要包括：波前探测器、激光导星系统、变形镜系统、仿真发生系统、处理模块、仿真模块和总线模块，其特征在于：
波前探测器、激光导星系统和变形镜系统的信号输入、输出端通过导线并联后与处理模块上对应的信号输入、输出端连接，仿真模块的信号输入、输出端和处理模块上对应的信号输入、输出端连接，总线模块的信号输入、输出端和处理模上对应的信号输入、输出端连接，仿真模块的信号输出端和仿真发生系统的信号输入端连接。上述处理模块包括接受地址空间、发送地址空间和视频数据缓存区。处理模块上的接收地址空间的信号输入端通过导线和总线模块上对应的信号输入端连接，处理模块上的发送地址空间的信号输出端通过导线和总线模块上对应的信号输入端连接，处理模块上的视频数据缓存区的信号输出端通过导线和总线模块上对应的信号输入端连接。由外设的上位机通过总线模块来写入接收地址空间数据、读取发送地址空间数据或读出、写入视频数据缓存空间。
上述的波前探测器、激光导星系统、变形镜系统和接口模块的信号输入、输出端为RS232串行接口、RS422串行接口、USB3.0高速接口或CameraLink高速视频接口。
上述波前探测器为沙克-哈德曼波前探测器。
上述接口模块主要由数据收发芯片和部分FPGA以及附属电路组成。
上述接口模块所连接的波前探测器之间主要通讯数据是图像数据，其相互之间的通讯总线形式为Camera Link或者USB3.0。
上述接口模块与激光导星系统通讯的主要数据是命令参数，总线形式为双向串行RS422、RS232或并行LVDS差分。
上述接口模块与变形镜系统通讯的主要数据是命令参数和变形镜系统的形变量数据，总线形式为双向USB、RS422、RS232。
上述处理模块作为一个核心模块，主要由FPGA及其附属电路组成，在处理模块FPGA内部划定接收地址空间，规定对应位置存储参数表，接收所要控制的波前探测器系统、激光导星系统和变形镜系统的命令参数。同时在处理模块FPGA内部划定发送地址空间，发送波前探测器输出的数据、激光导星系统和变形镜系统的状态信息。
上述仿真模块作为一个辅助模块，是测试后端自适应数据处理系统的工具，由FPGA、固态存储器及其附属电路组成，可直接输出带波前误差的视频数据；也可控制外部诸如液晶空间光调制器或其他波前干扰源，随机产生波前误差。
上述总线模块是预处理系统和外部处理系统的衔接点，由FPGA及其附属电路构成，完成对各种命令、数据的通讯协议的统一定义。统一通讯协议是本发明的主要特点之一，由总线模块实现预处理系统的数据与命令和外部机上系统的数据与命令的相互交换，实现模块化设计。
本发明的优势：
1、本发明提出了自适应预处理系统的基本构成：接口模块可连接波前探测器系统、激光导星系统、变形镜系统和仿真系统；总线模块连接外部机上系统；处理模块处理前端数据；仿真模块作为辅助系统用于测试外部机上自适应数据处理系统。
2、本发明提出了自适应预处理系统用于数据和命令交换的接收空间和发送空间，从而使各种不同的系统可以通过预处理统一数据格式，以便自适应数据处理系统独立于外部各分系统，从而使自适应处理系统模块化设计成为可能。
3、建立一套可以应用多激光导星系统、多波前探测器系统和多变形镜系统的预处理系统。
4、本发明以总线结构为基础，统一进出自适应数据处理系统的数据格式，更适用于大型光学自适应系统。
5、本发明所涉及的仿真系统，具有真正的实时仿真能力，可以脱离望远镜的光学系统测试自适应数据处理系统的性能。
附图说明
图1是系统组成示意图。
图2是对应参数总线示意图。
图3是本发明的流程图。
具体实施方式
一种用于自适应光学的预处理系统，主要包括：波前探测器5、激光导星系统6、变形镜系统7、仿真发生系统8、处理模块2、仿真模块4和总线模块3，其特征在于：
波前探测器5、激光导星系统6和变形镜系统7的信号输入、输出端通过导线并联后与处理模块2上对应的信号输入、输出端连接，仿真模块4的信号输入、输出端和处理模块2上对应的信号输入、输出端连接，总线模块3的信号输入、输出端和处理模2上对应的信号输入、输出端连接，仿真模块4的信号输出端和仿真发生系统8的信号输入端连接。上述处理模块2包括接受地址空间9、发送地址空间10和视频数据缓存区11。处理模块2上的接收地址空间9的信号输入端通过导线和总线模块3上对应的信号输入端连接，处理模块2上的发送地址空间10的信号输出端通过导线和总线模块3上对应的信号输入端连接，处理模块2上的视频数据缓存区11的信号输出端通过导线和总线模块3上对应的信号输入端连接。由外设的上位机通过总线模块3来写入接收地址空间数据、读取发送地址空间数据或读出、写入视频数据缓存空间。
当自适应预处理系统运行时，波前探测器5开始探测光波的波前误差，其图像数据经过接口模块1进入预处理系统，通过常规缓冲处理后存入视频数据缓存空间11，处理模块2把波前探测器5传送来的视频数据用并行算法提取质心计算偏移量。不过由于波前探测器5的不同，所需设置参数是不同的，本发明的预处理模块通过FPGA的内部设置可以接收多种样式的波前探测器5，具体做法为：在处理模块FPGA内部划定接收地址空间9设置对应参数表，由上位机通过总线模块3来填写这个参数表内的值。这个对应参数表中波前传感器命令设置区域的规定了波前探测器5所使用控制方式、输出的图像格式、子孔径单元数、数据源的选择、计算算法选择、计算精度选择、计算结果数据存放格式等参数。计算所得的偏移量缓存在发送地址空间10的数据区中，等待总线模块3提取。总线模块3也可以直接从视频数据缓存空间11中提取波前探测器5传送来的视频数据，此时质心计算以及偏移量的提取交由自适应数据处理系统处理。发送地址空间10中还规定了激光导星系统6、变形镜系统7的状态信息地址，其中缓存各系统的状态信息都有总线模块3负责统一格式发送给自适应数据处理系统。由于总线12的硬件设备为光纤，数据带宽高，所以总线12的提取速度是远远超过预处理系统中相应数据的写入速度的，这样只需约定好发送地址空间10，自适应系统就会得到相应的数据，相关数据不会出现冗余或者数据溢出的现象。发送地址空间10给出了协议约定方式，但本发明不限于此一种协议约定方式。
同时后端自适应数据处理系统的对激光导星系统6的命令信息和对变形镜系统7的控制信息通过总线12下传到预处理系统的总线模块3，由总线模块3写入接收地址空间9，所要控制的系统写入不同区域，以便预处理系统提取。当自适应系统想要对某个激光导星系统6发出控制命令时，由总线模块3写入接收地址空间9的特定区域，激光导星系统6会通过接口模块1得到此命令，并根据系统命令运行。同时激光导星系统6的状态信息会通过接口模块1和处理模块2写入发送地址空间10以便自适应处理系统通过总线12提取。
当自适应处理系统想要对变形镜系统7发出控制命令时，由总线模块3写入接收地址空间9的特定区域，变形镜系统7会通过接口模块1得到此命令，根据系统命令变形镜系统7开始运行。同时变形镜系统7的状态信息，会通过接口模块1写入发送地址空间10以便自适应处理系统通过总线12提取；
需要指出的是接收地址空间9和发送地址空间10是开放的。命令和数据可以有总线模块3提取但不只限定于总线模块3提取，以激光导星系统6为例，激光导星系统6和波前处理器5或者其他处理器可能会有比较严格的时间统一要求，激光导星系统6的时间信息实时存储于发送地址空间10；接口模块1可以直接通过申请得到发送地址空间10的访问权直接获得激光导星系统6的时间信息。
仿真模块4的作用是模拟外部大气环境，生成带有误差的光波前，当接收地址空间9对应参数设置为‘内部仿真’时，由接口模块1屏蔽外部视频数据同时调用SSD内存储波前探测器5视频数据，进入处理模块2，此后处理过程与真实处理过程一样。接收地址空间9对应参数还控制设置仿真子孔径单元数量以及波前误差的大小，由仿真模块4产生相应的仿真视频数据，此种方法可测试自适应处理系统的开环参数；当接收地址空间9对应参数设置为‘外部仿真’时由分FPGA资源组成软件系统控制波前干扰源，可以由液晶空间光调制器构成，光线通过干扰光源时，波前相位被加入波前误差，经光波前探测器5进入整个自适应预处理系统。此种方法可测试自适应处理系统的闭环参数，同时如果干扰源为液晶空间光调制器可定量设置波前误差的大小，此种方法可定量分析自适应处理系统的性能。
下面结合程序流程图以一个具体事例来说明本发明的运行机制。当系统启动后，首先对系统进行13系统初始化，主要工作有：根据规定的总线协议由上位机通过本系统的缓存区测试各分系统的连接情况，以自适应光学典型系统为例，测试波前探测器、激光导星、变形镜是否正确连接。测试结束后，上位机发出命令字节，14 波前探测器初始化设置开始运行，得到反馈状态字节确认正确后，上位机发出另一命令字节，15激光导星初始化设置开始运行，同样得到反馈状态字节确认正确后，再发送命令字节16 变形镜初始化设置开始运行，并得到反馈状态字节确认正确。各分系统已处于17 等待上位机系统运行是否运行的状态。当上位机命令字节到来，程序开始执行18 激光导星工作、19 波前探测器工作、20 变形镜工作。由于FPGA是并行IC，上述三个工作是同时进行的。至此，预处理系统对各分系统进行了有效的管理和程序控制。

Claims (7)

1.一种用于自适应光学的预处理系统，主要包括：波前探测器(5)、激光导星系统(6)、变形镜系统(7)、仿真发生系统(8)、处理模块(2)、仿真模块(4)和总线模块(3)，其特征在于：
波前探测器(5)、激光导星系统(6)和变形镜系统(7)的信号输入、输出端通过导线并联后与处理模块(2)上对应的信号输入、输出端连接，仿真模块(4)的信号输入、输出端和处理模块(2)上对应的信号输入、输出端连接，总线模块(3)的信号输入、输出端和处理模(2)上对应的信号输入、输出端连接，仿真模块(4)的信号输出端和仿真发生系统(8)的信号输入端连接；上述处理模块(2)包括接受地址空间(9)、发送地址空间(10)和视频数据缓存区(11)；处理模块(2)上的接收地址空间(9)的信号输入端通过导线和总线模块(3)上对应的信号输入端连接，处理模块(2)上的发送地址空间(10)的信号输出端通过导线和总线模块(3)上对应的信号输入端连接，处理模块(2)上的视频数据缓存区(11)的信号输出端通过导线和总线模块(3)上对应的信号输入端连接；由外设的上位机通过总线模块(3)来写入接收地址空间数据、读取发送地址空间数据或读出、写入视频数据缓存空间。
2.根据权利要求1所述的一种用于自适应光学的预处理系统，其特征在于：上述的波前探测器(5)、激光导星系统(6)、变形镜系统(7)和接口模块(1)的信号输入、输出端为RS232串行接口、RS422串行接口、USB3.0高速接口或CameraLink高速视频接口。
3.根据权利要求1所述的一种用于自适应光学的预处理系统，其特征在于：上述波前探测器(5)为沙克-哈德曼波前探测器。
4.根据权利要求1所述的一种用于自适应光学的预处理系统，其特征在于：上述接口模块(1)主要由数据收发芯片和部分FPGA以及附属电路组成。
5.根据权利要求1所述的一种用于自适应光学的预处理系统，其特征在于：上述接口模块(1)所连接的波前探测器(5)之间主要通讯数据是图像数据，其相互之间的通讯总线形式为Camera Link或者USB3.0。
6.根据权利要求1所述的一种用于自适应光学的预处理系统，其特征在于：上述接口模块(1)与激光导星系统(6)通讯的主要数据是命令参数，总线形式为双向串行RS422、RS232或并行LVDS差分。
7.根据权利要求1所述的一种用于自适应光学的预处理系统，其特征在于：上述接口模块(1)与变形镜系统(7)通讯的主要数据是命令参数和变形镜系统的形变量数据，总线形式为双向USB、RS422、RS232。
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