CN112217574B - 一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法和实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法和实现装置，该方法先对任意复杂形状的接收器进行外围框架的构建，构建了基准孔径的长方形框架；其次，确定了位移孔径相对于基准孔径进行位移时的位移范围；再次，对位移范围的每个正方形格子按从上到下、从左到右的顺序进行了编号；再次，创建一个FPGA的存储器，将基准孔径的每个子孔径的位置信息与这个FPGA的存储器中每个地址单元之间建立映射关系；再建立另一个FPGA的存储器，每次位移孔径移动到一个新位置的时候，位移孔径的每个子孔径的位置信息与该存储器的每个地址单元之间建立映射关系；通过先后建立的两个存储器对应地址单元的数据之间的与和操作，最终得到孔径平均函数。

Description

一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法和 实现装置

技术领域

本发明属于大气光学领域，具体涉及一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法和实现装置。

背景技术

光学闪烁对于大气光学的研究很重要。大气光学系统采集到的信号都会受到光学闪烁的干扰。夜晚能看到星星的时候，之所以我们会感觉到星星在眨眼睛，那是由于星星都是会发光的恒星，而恒星发出的光线在从远距离的太空传输到人眼的过程中，受到了湍流大气的起伏扰动，这种快速扰动的光线进入到人的眼睛，落在视网膜上，给人的感觉就好像星星在眨眼睛。这是光学闪烁的一种表现。这种快速的光强变化就叫做光学闪烁。

由于温度、压力和风速的变化，大气的光学折射率会以每秒钟三十、四十次左右的速度迅速的变化，这就是湍流的扰动。光学信号在这样扰动的湍流中传输，必然会有光学信号起伏。对于光学成像系统来说，比如对卫星进行光学成像，这种光学扰动就会导致成像质量的恶化。对于大气空间光通信系统来说，比如近地面两个光学望远镜之间的光通信，这种光学扰动就会导致光强信号的起伏，当传输距离增加和天气条件恶劣的时候，通信的误码率会迅速增加导致通信中断。

从某种意义上来说，光学闪烁实际上可以被理解为进入光学接收器的光通量的起伏。可以把光学接收器理解为光学望远镜。而进入光学接收器的光通量的起伏由光学接收器端面上任意两点的光强协方差与光学接收器孔径平均函数乘积的对接收面积的积分来决定。也就是说，接收到的光信号的起伏的强弱由两个因素决定：一个因素是接收器端面上任意两点之间的光强的协方差，它是表示接收端面上的任意两点之间的光强相互关系的物理量；另一个因素是接收孔径的孔径平均函数，它是在数学的二维平面上计算位移了一定距离的接收孔径与该不位移的接收孔径的交叠面积，而这个交叠面积就叫做孔径平均函数。

因为实际应用过程中使用的光学接收器的孔径尺寸有大有小，所以研究孔径平均函数的绝对值大小没有任何意义。通常研究的是所使用的接收器的孔径平均函数的归一化值，即把计算得到的交叠面积除以接收孔径的面积。作为计算光通量起伏的积分的被积函数的一部分，孔径平均函数的物理意义是光强协方差的权重。在数学上，孔径平均函数指的是不同的质心间距(这是个矢量，矢量长度为ρ，矢量角度为φ)对应的归一化孔径交叠面积。

Fried计算了光学接收孔径为圆形的情况(例如圆形光学透镜)的孔径平均函数，得到了其解析解(Aperture averaging of scintillation,D.L.Fried,J.Opt.Soc.Am.)。杨昌旗采用分段计算的方法，分别得到了Y型接收器(Technique of weight factorshifting for aperture averaging,Changqi Yang,Appl.Opt.)和卡塞格伦光学接收器(Analytic expression of the aperture averaging function for Cassegrainsystem,Changqi Yang and et al.,2016 Progress in Electromagnetic ResearchSymposium)的孔径平均函数的解析解。对于其它的非圆对称的光学接收孔径，目前还没有计算其孔径平均函数的合适方法。尤其是在需要计算任意复杂形状的光学接收器的孔径平均函数的时候，目前还没有任何方法。

发明内容

本发明的技术思路：

首先，对任意复杂形状的接收器进行了外围框架的构建，对其构建了基准孔径的长方形框架；其次，在基准孔径的长方形框架的前后左右八个方向上构建了一样尺寸大小的长方形框架，形成了位移孔径相对于基准孔径进行位移时的位移范围；再次，对位移范围的每个正方形格子按从上到下、从左到右的顺序进行了编号，相当于对基准孔径和位移孔径定位；然后，创建一个FPGA的存储器RAM块，将基准孔径的每个子孔径的位置信息与这个FPGA的RAM块的每个地址单元之间建立映射关系；然后，建立了另一个FPGA的存储器RAM块，每次位移孔径移动到一个新位置的时候，位移孔径的每个子孔径的位置信息与该RAM块的每个地址单元之间建立映射关系；通过先后建立的两个RAM块对应地址单元的数据之间的与和操作，可得到孔径平均函数。

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法和实现装置，具体的技术方案为：

一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的实现装置，其特征在于，包括光学接收器预处理单元以及信息处理单元，所述光学接收器预处理单元对待计算的光学接收器进行预处理操作，并将操作结果发送给信息处理单元，通过计算得到任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数；

光学接收器预处理单元包括基准长方形框架模块、位移范围确定模块和位移范围格子编号模块；

所述基准长方形框架模块由包含有多个正方形的子孔径的基准长方形框架组成，该基准长方形框架套在任意复杂形状的光学接收器外围，被套在基准长方形框架内的光学接收器为基准孔径，基准长方形框架的最左上角的子孔径为基准定位点；

所述位移范围确定模块包括中心处的基准长方形框架以及紧密排布在其周围的8个形状相同的长方形框架，由这9个长方形框架确定的区域为位移范围；

所述位移范围格子编号模块用于对位移范围内的所有正方形的子孔径进行编号；

信息处理单元基于FPGA实现的数字电路，包括基准孔径信息存储模块、移动数目确定模块、位移孔径信息存储模块、存储器与和操作模块以及位移一位模块。

一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：对任意复杂形状的光学接收器进行外围框架构建，最终建立该光学接收器的基准长方形框架，得到其基准孔径信息；

S2：在构建好的基准长方形框架的外侧构建与基准长方形框架尺寸相同的长方形框架，确定位移范围；

S3：对位移范围内的每个子孔径都按照顺序进行编号；

S4：在FPGA上创建一个基准孔径信息存储器，将得到的基准孔径信息存储到该基准孔径信息存储器上；

S5：将基准长方形框架进行复制，得到位移长方形框架，被套在位移长方形框架内的光学接收器为位移孔径，并将位移长方形框架放置到位移范围的最左上角，计算从位移长方形框架的最左上角正方形子孔径移动到基准定位点所需的格数，并将该格数记为移动数目，用于根据基准孔径信息得到位移孔径信息；

S6：在FPGA上创建一个位移孔径信息存储器，将得到的位移孔径信息存储到该位移孔径信息存储器上；

S7：将基准孔径信息存储器和位移孔径信息存储器中相同地址单元的数据进行逻辑与操作，并将操作结果送入累加器求和，通过统计结果中1的个数，最终得到基准长方形框架和位移长方形框架的重合单元个数；

S8：将位移长方形框架整体向右位移一个子孔径，如果右移会溢出位移范围，则将位移长方形框架整体向下移动一行并放置到下一行的最左边；

S9：重复执行S6-S8，直至位移长方形框架移动到位移范围的最右下角，最终得出该光学接收器的孔径平均函数的值。

进一步地，步骤S1的具体操作步骤包括：

S11：在任意复杂形状光学接收器的外侧构建一个长方形框架；

S12：初始化参数n，将光学接收器的孔径划分为n*n个子接收孔径阵列；

S13：在所述子接收孔径阵列的左端增加n行*1列个正方形的子孔径，最终形成包含有n*(n+1)个正方形子孔径的基准长方形框架；

S14：将光学接收器所占据的正方形的子孔径记为真实子孔径，将未被光学接收器所占据的正方形的子孔径记为虚拟子孔径。

进一步地，步骤S2的具体操作步骤包括：

S21：分别在所述基准长方形框架的左上方、正上方、右上方、左方、右方、左下方、正下方及右下方8个方向添加8个与基准长方形框架相同的长方形框架；

S22：所述8个方向的长方形框架以及中间的基准长方形框架围成的区域即为位移范围，且该位移范围包含有(3n)*(3n+3)个正方形的子孔径，其为位移孔径相对于基准孔径进行位移时的最大位移范围。

进一步地，步骤S3的具体操作步骤为：将位移范围内的所有的所述子孔径按照从左到右和从上到下的顺序，从第一行的最左边编号为0，一直编号到第一行的最右边编号为3n+2，然后是第二行、第三行，直到编号到位移范围的最右下角的子孔径。

进一步地，步骤S4的具体操作步骤为：

S41：建立一个FPGA的存储器a，即为基准孔径信息存储器，初始化存储器a，将其清零；

S42：将所述位移范围内编号为1的基准长方形框架的子孔径信息存储在存储器a中地址为1的存储单元a[1]中，依次类推，每个不同编号的子孔径信息存储在对应的存储单元中；

S43：将存储所述真实子孔径的存储单元赋值为1，将存储所述虚拟子孔径的存储单元赋值为0。

进一步地，步骤S5的具体操作步骤为：

S51：将所述基准长方形框架进行复制，得到位移长方形框架，并将位移长方形框架放置在所述位移范围的最左上角；

S52：从基准长方形框架最左上角顶点向位移长方形框架最左上角顶点连线，得到基准长方形框架与位移长方形框架的质心间距矢量，该质心间距矢量即为基准孔径与位移孔径的质心间距矢量；

S53：从位移长方形框架的最左上角子孔径开始一行一行往右计数正方形子孔径的数目，每计数完一行的正方形子孔径数目，则继续从下一行的最左边正方形子孔径开始计数，直至到达基准定位点，计数得到的正方形子孔径的数目即为移动数目。

进一步地，步骤S6的具体操作步骤包括：

S61：建立一个FPGA的存储器b，即为位移孔径信息存储器，并将其进行初始化清零操作；

S62：将所述存储器a中的所有存储单元向前平移所述移动数目个位置，并将存储单元中的值赋值给存储器b。

进一步地，步骤S8的具体操作步骤为：

S81：将位移长方形框架整体向右移位一个正方形格子；

S82：判断位移长方形框架是否超过位移范围，如果超出位移范围则进入S83，如果未超出位移范围则结束位移长方形框架移动；

S83：将位移长方形框架整体下移一行正方形格子到达下一行的最左边。

进一步地，步骤S9的具体操作步骤为：

S91：每移动一次所述位移长方形框架，将步骤S7中得到的重合单元个数除以基准孔径的正方形子孔径总数，得到该位置的孔径平均函数；

S92：当位移长方形框架移动到位移范围的最右下角时，得到所有位置的孔径平均函数，即该光学接收器的孔径平均函数。

本发明的有益效果为：

第一，光学接收器的孔径平均函数是影响光学系统信号质量的两个关键因素之一。目前只出现过对光学接收器形状为圆形、圆环形、1*2圆形阵列的孔径平均函数的理论计算。其中，对于圆环形和1*2圆形阵列的孔径形状来说，由于其非圆对称，采取的是分段拼接的计算方法。而对于正方形、三角形，甚至是非圆对称的任意复杂形状的光学接收器，还没有计算其孔径平均函数的方法。而本发明中提出的方法能够适用于任意复杂形状的光学接收器的孔径平均函数计算，应用范围广。

第二，本发明提出的计算方法，将整个计算的过程通过FPGA芯片的外部输入和内部电路运算来实现，把计算得到的结果进行了数字化，并存储在FPGA芯片内部的存储器，可以被其它的部件调用。本发明中计算基准孔径信息存储器和位移孔径信息存储器重合单元数时，利用FPGA内部的逻辑与和电路来实现，得到了该质心间距矢量条件下的正方形子孔径重叠数目，也就是未归一化的孔径重叠面积，而每一次循环，移动数目都会变化，相应的质心间距矢量都会变化，相应地重新计算该质心间距矢量条件下的孔径重叠面积，并通过FPGA芯片的管脚输出该信息，被外部处理器调用进行其它运算。由于光强的协方差会迅速的变化，与之相匹配的孔径平均函数(孔径重叠面积的归一化值)也应该迅速变化才能获得小的光学闪烁，进而才能提高空间光通信或光学成像系统的性能。外部处理器可以通过调用FPGA的管脚输出来计算相应的孔径平均函数是否匹配迅速变化的光强协方差，并指导光学系统形成相应的光学接收器形状来完成匹配。

第三，利用本发明提出的计算方法，也可以事先计算无数多种任意形状的光学接收器的孔径平均函数，建立孔径平均函数的数据库。当空间光通信系统或光学成像系统实时运作时，根据光强协方差的实时变化，可以迅速的从数据库中找出相应的孔径平均函数和光学接收器的孔径形状，进而指导光学接收器实时改变形状，达到减少闪烁的目的。

附图说明

图1为本发明中提出的实现装置的结构示意图；

图2(a)-图2(c)为根据不同的参数n将接收孔径为正方形孔径划分为不同正方形子孔径阵列的示意图；

图3(a)是接收孔径为非圆对称孔径的示意图；

图3(b)为根据不同的参数n将图3(a)的非圆对称接收孔径划分为正方形子孔径阵列的示意图；

图4为构建成功的基准长方形框架示意图；

图5为确定出的位移范围的示意图；

图6为对位移范围内的子孔径进行编号的结果图；

图7为把基准长方形框架的孔径信息映射到存储器a的过程示意图；

图8-图9为移动数目确定步骤实施示意图；

图10-14为本发明中实施例的实现过程。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

寻求计算光学接收器的孔径平均函数的方法的目的在于：孔径平均函数是决定一个光学系统正常工作与否的两个关键因素之一，实际场景的光学接收面的光强协方差是凌乱的，要想找到一个与之匹配并能有效减小光学闪烁的孔径平均函数，这样的光学接收孔径一定不是圆对称和规规矩矩的。这样的光学接收孔径一定是形状非常奇怪、甚至中间有空洞的复杂形状，因此本发明的目的就是提供一种能够计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法和实现装置。

进入光学接收器的光信号的起伏强弱，一般由两个因素决定：

第一，是光学接收器端面(如果光学接收器为照相机的镜头，那么光线在进入镜头那一刻的镜头横截面就是端面)任意两点之间光强的协方差，可以把这个协方差理解为接收端面任意两点光强的相关性，任意两点之间从一点到另一点一划就得到个矢量，光学接收器内有无数个两点，就有无数个两点间距矢量；

第二，是光学接收器的孔径平均函数。孔径平均函数描述的是这种光学接收孔径对不同间距矢量的光强协方差的平均效果。孔径平均函数的xy坐标是间距矢量，z坐标是这个矢量对应的孔径平均效果。所以孔径平均函数描述的是进入这种形状的光学孔径的光线，任意两点之间的光强有相关性，孔径平均函数对不同的矢量间距对应的光强的相关性的影响是多少，相当于给每个相关性前面加了个权重系数；

控制了孔径平均函数就相当于掐住了光强的起伏两个影响因素的一个。

孔径平均函数的定义为：把基准孔径固定，把基准孔径的复制品(也就是位移孔径)移动到基准孔径周围A处，记录两者之间质心间距矢量，计算两者之间的叠加面积(该叠加面积就是该质心间距矢量条件下的未归一化孔径平均函数)；再把位移孔径移动到基准孔径周围B处，记录两者之间质心间距矢量，计算两者之间的叠加面积(得到了另一个质心间距矢量条件下的未归一化孔径平均函数)；以此类推，计算位移孔径移动到任何地方时与基准孔径之间的质心间距矢量和两者之间的叠加面积。可以看出，孔径平均函数描述的就是在不同的质心间距矢量条件下的基准孔径与位移孔径的交叠面积。

本方法的核心思路为：将基准孔径信息存储在一个存储器，位移孔径信息存储在另一个存储器，由于位移孔径是基准孔径的复制品，因此，两个存储器的信息内容是一样的，只不过信息存放的地址单元错开了位置，错开的位置就是移动数目。从而根据移动数目就可以通过一个存储器信息得到另一个存储器信息。通过两个存储器信息相同地址内容的与和操作可以知道基准孔径和位移孔径相互之间有多少个正方形子孔径是重合的。考虑到归一化，重合的正方形子孔径的数目除以基准孔径的正方形子孔径总数就得到了孔径平均函数。每移动一次位移长方形框架，就会有新的移动数目、新的质心间距矢量和新的位移孔径存储器信息，也就可以计算出该新的质心间距矢量对应的孔径平均函数。所有的质心间距矢量对应的孔径平均函数计算完之后，就得到了该光学接收器的孔径平均函数的全貌。

参考附图1可以看出，本发明中提出的一种计算光学接收器的孔径平均函数的实现装置，该实现装置接收光学接收器预处理单元的3个模块的人工数据计算结果作为输入，同时运行信息处理单元内部的5个模块；

所述光学接收器预处理单元包括基准长方形框架模块1、位移范围确定模块2和位移范围格子编号模块3；

所述信息处理单元包括基准孔径信息存储模块4、移动数目确定模块5、位移孔径信息存储模块6、存储器与和操作模块7以及位移一位模块8；

一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法，包括以下步骤，分别对应上述这8个模块：

S1：对任意复杂形状的光学接收器进行外围框架构建，最终建立该光学接收器的基准长方形框架，得到其基准孔径信息；

本发明的基准长方形框架的模块是通过人工数学计算实现，是在任意复杂形状的光学接收器外围构建一个长方形框架套住光学接收器，长方形框架里有n行*(n+1)列个正方形格子(子孔径)，光学接收器所占据的正方形格子表示这些正方形子孔径是真实的，其信息在数学上表示为1，其对应的后续要建立的存储器的值为1；光学接收器未占据的正方形格子表示这些正方形子孔径不是真实的，其信息为0，其对应的后续要建立的存储器的值为0；

这个长方形框架(包括它套住的光学接收器)不移动，所以它叫做“基准”长方形框架(它里面套住的光学接收器就叫做“基准”孔径)；

参考附图2以接收孔径为正方形孔径为例进行描述此步骤：

如附图2(a)、图2(b)和图2(c)所示，设定参数n，将孔径划分为n*n的正方形子孔径阵列。n越大，则计算结果越精细，相应的数据存储量越大；

附图2(a)是把正方形孔径划分为2*2的正方形子孔径阵列，图2(b)是把正方形孔径划分为4*4的正方形子孔径阵列，图2(c)是把正方形孔径划分为n*n的正方形子孔径阵列。如果接收孔径是非圆对称的如图3(a)所示的Y型接收器，则需要按照其横向或纵向的最大尺寸在其外围构建一个正方形将其套住，并将其划分为n*n的正方形子孔径阵列，如图3(b)所示；在n*n正方形子孔径阵列的左端添加n行*1列个正方形子孔径，形成一个长方形框架，该长方形框架具有n*(n+1)个正方形子孔径。以n*n的正方形子孔径阵列为例，其构建成长方形框架后的结构就如附图4所示，即是“基准长方形框架”；

S2：在构建好的基准长方形框架的外侧构建与基准长方形框架尺寸相同的长方形框架，确定位移范围；

本发明的位移范围确定模块是通过人工数学计算实现，它是在基准长方形框架外围八个方向紧密添加8个和基准长方形框架一模一样的框架，把基准长方形框架围住，形成的总共9个长方形框架的范围就叫做位移范围，位移范围具有3n行*(3n+3)列个正方形格子，9个长方形框架确定了位移孔径相对于基准孔径进行位移时的最大位移范围。

参考附图5所示，附图5中的灰色区域BEFG就是基准孔径的长方形框架，在图5的灰色区域的基准长方形框架的左上方HIJB、正上方IKBE、右上方KLEM、左方JBNF、右方EMGO、左下方NFPQ、正下方FGQR和右下方GORT共8个方向添加8个一模一样的长方形框架，就可以得到附图5所示的具有(3n)*(3n+3)个正方形子孔径的区域，这个长方形区域HLPT确定了位移孔径的位移范围；

S3：对位移范围内的每个子孔径都按照顺序进行编号；

本发明的位移范围格子编号模块是通过人工数学计算实现，它是把位移范围的所有正方形格子进行编号，按照从左到右和从上到下的顺序，从第一行的最左边编号为0，一直编号到第一行的最右边编号为3n+2，然后是第二行、第三行，直到编号到位移范围的最右下角正方形格子。

以附图5为例，给图5的每个正方形格子编号，按照从左至右和从上到下的顺序，先是从第一行的最左边格子到第一行的最右边格子依次编号，接着从第二行的最左边格子到第二行的最右边格子依次编号，然后是第三行，等等......依次编号为0、1......9n²+9n-1，最终的编号结果如附图6所示；

S4：在FPGA上创建一个基准孔径信息存储器，将得到的基准孔径信息存储到该基准孔径信息存储器上；

本发明的基准孔径信息存储模块是通过硬件描述语言对FPGA芯片编程实现，它是把基准长方形框架(它里面套着基准孔径)放置在位移范围的正中间保持不动，定位基准长方形框架的最左上角正方形格子，这个位置叫做“基准定位点”。

用硬件描述语言建立一个FPGA的存储器a，把位移范围的所有正方形格子的孔径信息送给存储器a，位移范围编号为0的孔径信息送给存储器a的地址为0的单元a[0]，位移范围编号为1的孔径信息送给存储器a的地址为1的单元a[1]，以此类推；

基准孔径所处在的正方形格子就是真实的光学孔径，有真实的光学孔径的正方形格子的孔径信息为1，相应的存储器a的单元的数据就为1；没有真实的光学孔径的正方形格子的孔径信息为0，相应的存储器a的单元的数据就为0，其具体实现采用硬件描述语言Verilog HDL，首先建立一个FPGA存储器RAM，取名为a，它有9n²+9n个存储单元，存储单元的地址依次为0、1......9n²+9n-1，其次，对a存储器的所有单元进行初始化清零，相应的Verilog HDL代码如下：

根据具体的光学接收器孔径的形状，然后通过Verilog HDL编程将真实孔径的信息映射到对应的存储器单元；

结合附图6可以看出，图中灰色的区域BEFG就是基准长方形框架，建立基准长方形框架的各个子孔径与a存储器存储单元之间的一一对应关系。即图6有真实光学正方形子孔径的地方，对应的存储单元地址的内容就赋值为1。图6没有真实光学正方形子孔径的地方，对应的存储单元地址的内容就赋值为0。

结合附图7所示就是把基准长方形框架的孔径信息映射到存储器a的过程示意图。附图7的左边就是基准长方形框架BEFG放置于位移范围的正中间，图7的右边就是a存储器。例如图7，正中间灰色基准长方形框架的最左上角子孔径处在第n+1行的第n+2列，它对应的a存储器单元地址为n(3n+3)+n+2-1，即3n²+4n+1；正中间灰色基准长方形框架的最右上角子孔径处在第n+1行的第2n+2列，它对应的a存储器单元地址为n(3n+3)+2n+2-1，即3n²+5n+1；正中间灰色基准长方形框架的最左下角子孔径处在第2n行的第n+2列，它对应的a存储器单元地址为(2n-1)*(3n+3)+n+2-1，即6n²+4n-2；正中间灰色基准长方形框架的最右下角子孔径处在第2n行的第2n+2列，它对应的a存储器单元地址为6n²+5n-2。按照光学接收孔径形状的具体情况，对a存储器的各个单元地址值进行赋值。

附图7是针对基准长方形框架的情况，按照实际光学接收孔径的形状，图7的灰色区域里的部分正方形格子是有真实孔径的，对应的a存储器单元值为1；图7的灰色区域里的其它部分正方形格子是没有真实孔径的，对应的a存储器单元值为0；图7的非灰色区域没有真实孔径，非灰色区域的每一个正方形格子对应的a存储器单元值为0，可以通过编写Verilog HDL源代码对a存储器的各单元值进行赋值来实现以上把孔径信息映射到存储器a的过程。

S5：将基准长方形框架进行复制，得到位移长方形框架，被套在位移长方形框架内的光学接收器为位移孔径，将位移长方形框架放置到位移范围的最左上角，计算从位移长方形框架的最左上角正方形子孔径需要移动多少格才能移动到基准定位点，此即为移动数目，由于位移长方形框架是基准长方形框架的整体平移，确定移动数目即可根据基准孔径信息得到位移孔径信息；

本发明的移动数目确定模块是通过FPGA芯片实现，它是把基准长方形框架(它里面套着基准孔径)复制一份，复制后的框架就叫做位移长方形框架(它里面套着的就是位移孔径)，复制后的位移长方形框架放置在位移范围的最左上角。

计算位移长方形框架的最左上角正方形格子一行一行往右和往下移动需要移动多少个格子，才能到达基准定位点，将此移动数目记为s。当参数n确定以后，就可以事先确定移动数目s的初始值，移动数目s的初始值为3n²+4n+1。

移动数目s的后续值通过Verilog HDL编程实现，具体实现参考附图8所示，将位移长方形框架UVWX放置在位移范围的最左上角，位移长方形框架以子孔径有-45°斜线标识。从基准长方形框架BEFG最左上角顶点B向位移长方形框架最左上角顶点U连线，该连线为一矢量(该矢量平行绘制在图8的左边)，该矢量表示的是此时基准长方形框架BEFG和位移长方形框架UVWX的质心间距。

接下来计算位移长方形框架的最左上角子孔径一行一行往右和往下移动需要移动多少个子孔径，才能到达基准长方形框架的最左上角子孔径(也就是基准定位点)，并将此移动数目记为s。

每次移动位移长方形框架就会获得新的s值，每个s也唯一确定了对应的矢量的长度ρ和角度φ的值，事先人工建立该对应关系。例如：当把位移长方形框架放置在位移范围的最左上角如图8所示的位置时，位移长方形框架的最左上角正方形子孔径在x方向距离基准定位点n+1个格子，在y方向上距离n个格子，所以该对应关系的质心间距矢量的长度ρ＝[n²+(n+1)²]^1/2，该对应关系的质心间距矢量的角度φ＝π-tan^-1[n/(n+1)]；当把位移长方形框架右移一格，到达如图9所示的位置时，位移长方形框架的最左上角正方形子孔径在x方向距离基准定位点n个格子，在y方向上距离n个格子，所以该对应关系的质心间距矢量的长度ρ＝[n²+n²]^1/2，该对应关系的质心间距矢量的角度φ＝π-tan^-1[n/n]。以此类推。

在位移长方形框架从最左上角一格一格移动到位移范围的最右下角的过程中，s的值从初始值逐渐减小。当位移长方形框架与基准长方形框架重合时，s为0。随后，随着位移长方形框架继续向右向下移动的过程中，s的值为负整数，并不断减小；

S6：在FPGA上创建一个位移孔径信息存储器，将得到的位移孔径信息存储到该位移孔径信息存储器上；

本发明的位移孔径信息存储模块是通过硬件描述语言对FPGA芯片编程实现，它是用硬件描述语言建立另一个FPGA存储器b，它也有9n²+9n个存储单元，存储单元的地址依次为0、1......9n²+9n-1。

对存储器b的所有单元进行初始化清零，建立b存储器和初始化清零的过程与存储器a类似。然后再将存储器a的所有单元的内容整体向前平移s个单元并赋值给存储器b，例如：将a[s]赋值给b[0]、a[s+1]赋值给b[1]，a[s+2]赋值给b[2]，……，以此类推。

假设存储器a有一个地址为x的单元，该地址存的数据为y(y为0或1)，因此y＝a[x]＝b[x-s]。存储器a的所有单元的内容对应的是基准长方形框架里包含的孔径的信息；将存储器a的所有单元的内容整体向前平移s个单元并赋值给b存储器，意味着赋值之后存储器b映射着位移长方形框架里包含的孔径信息，此过程可以通过Verilog HDL编程实现；

S7：将基准孔径信息存储器和位移孔径信息存储器中对应地址单元的数据进行逻辑与操作，并将操作结果送入累加器求和，得出基准长方形框架和位移长方形框架的子孔径重合个数；

本发明的存储器与和操作模块是通过硬件描述语言对FPGA芯片编程实现，它是把a存储器和b存储器相同地址的数据进行逻辑与的操作，将每个与操作的结果送入累加器求和，从而统计按位与的结果中1的个数，进而得到基准长方形框架和位移长方形框架之间有多少个真实子孔径重合，累加器就显示多少。

位移长方形框架从最左上角开始向右向下移动，由于位移长方形框架最多只需要移动4n²+6n+2个格子就会超出位移范围，因此s有4n²+6n+2个值。建立另一个FPGA存储器RAM，取名为c，它有4n²+6n+2个存储单元。对c存储器进行清零初始化。把累加器求和的结果赋值给存储器c的地址为3n²+4n+1-s的地址单元。也就是说，当移动数目为s的时候，把累加器求和的结果赋值给c[3n²+4n+1-s]。例如：a存储器的某个地址的数据为1，b存储器的同一地址的数据为1，与的结果为1，它表示基准长方形框架里的相应正方形格子和位移长方形框架里的相应正方形格子有了真实孔径导致的交叠。如果与的结果为0，表示至少有一个存储器所对应的正方形格子不包含真实孔径，不存在孔径交叠，1个正方形格子存在真实孔径交叠，累加器就加1。累加器求和的结果就表示孔径在此种质心间距时(对应的移动数目为s)的孔径交叠面积，将累加器的结果存到新建立的存储器c的位置为3n²+4n+1-s的地址单元，此过程可以通过Verilog HDL编程实现。

当位移长方形框架在位移范围的最左上角的时候，s为初始值3n²+4n+1，对应的c存储器的单元地址为0；当位移长方形框架移动到与基准长方形框架完全重合时，s＝0，对应的c存储器的单元地址为3n²+4n+1；当位移长方形框架移动到位移范围的最右下角的时候，s＝-n²-2n，对应的c存储器的单元地址为4n²+6n+1；

S8：将位移长方形框架整体向右位移一个子孔径，如果右移会溢出位移范围，则将位移长方形框架整体向下移动到下一行的最左边；

本发明的位移一位模块是通过硬件描述语言对FPGA芯片编程实现，它是把位移长方形框架(包含里面的位移孔径)整体向右位移一个正方形格子(即移动数目的值减1，并赋值给移动数目自己)，如果向右位移会导致框架超出位移范围，则把位移长方形框架整体下移一行正方形格子到达下一行的最左边。每次位移长方形框架移动一个格子，移动数目s的值会减1。具体实现为：保持附图8中的基准长方形框架BEFG不动，将图8的位移长方形框架UVWX整体向右移动一个正方形格子的宽度，移动到如附图9所示的位置，即s的值减1。

从基准长方形框架BEFG最左上角顶点B向位移长方形框架最左上角顶点U连线，该矢量的长度ρ和角度φ绘制在图9的左边。从事先建立的对应关系中，可以通过s知道ρ和φ的信息。此步骤过程实际就是s的值减1，并赋值给s自己。此过程可以通过Verilog HDL编程实现。

S9：重复执行S6-S8，直至位移长方形框架移动到位移范围的最右下角，最终得出该光学接收器的孔径平均函数的值。

实施例：

下面以一个如图10所示的任意非圆对称形状的光学接收器来举例如何实施本发明内容。假设有一个如附图10(a)所示的光学接收器。它是一个非圆对称的形状。图10(a)里标注了“真实孔径”字样的地方表示这些区域是真实存在的，不是构建出来的虚拟部分。

步骤1，给该光学接收器构建基准长方形框架。取参数n＝2，给图10(a)的光学接收器构建一个2*2的正方形框架，结果如图10(b)所示。图10(b)人为构建的部分填充了文字“虚拟孔径”。接着在图10(b)的左端添加一列虚拟孔径，使得给如图10(a)所示的光学接收器构建了一个如图10(c)所示的2行*3列的长方形框架。图10(c)的标注着“真实孔径”的3个正方形格子区域就是基准孔径所在区域。

步骤2，确定位移范围。如附图11所示，长方形BEFG区域就是基准长方形所在区域。在BEFG区域的四周8个方向紧密添加八个一模一样的长方形框架，形成的HLPT区域就是位移范围。

步骤3，对位移范围的格子进行编号。如附图11所示，从最左上角编号为0，一直按照从左到右、从上到下的顺序，最后的编号为53。总计54个格子。

步骤4，对基准孔径信息进行存储。如附图12的左边所示，把基准长方形框架放置到位移范围的中央，附图12的BEFG区域就是基准长方形框架。其中编号为23、31和32的3个正方形格子为真实光学接收器处在的范围，标注了“真实孔径”；而附图12的其它正方形格子都是虚拟的，标注了“虚拟孔径”。编写如下Verilog HDL源代码，建立a存储器，对基准孔径信息进行存储。

将以上程序编译后植入FPGA芯片，会形成相应的电路。附图12的右边显示了a存储器映射之后的存储结果。

步骤5，确定移动数目s。区域BEFG是基准长方形框架所处在的区域。从编号0的正方形格子出发，需要向右和向下移动移动21个格子才能移动到编号为21的格子。

步骤6，对位移孔径信息进行存储。将附图12的基准长方形框架BEFG(里面套着基准孔径)整体复制并放置到位移范围的最左上角。如附图13左边所示。此时，位移长方形框架UVWX(里面套着位移孔径)处在初始位置，s＝21。此时的位移孔径处在第2、10和11个正方形格子。第2、10和11个正方形格子就具有真实孔径，映射到b存储器的相应地址单元，可得b[2]＝1、b[10]＝1、b[11]＝1。因为a存储器的23、31和32格与b存储器的2、10和11格都差21(s＝21)，因此对位移孔径信息进行存储的过程，可通过Verilog HDL编程实现。图13的其它格子都是虚拟孔径，相应的b存储器的数据都为0。如附图13右边所示。

步骤7，对a、b两个存储器进行与和操作。因为s＝21时，位移孔径与基准孔径没有交叠，因此，a[0]&&b[0]、a[1]&&b[1]......a[53]&&b[53]都为0，所以累加器求和结果也为0。s＝21对应的是c[0]的地址。将累加器结果0赋值给新建立的存储器的c[0]。c[0]＝0。

步骤8，执行位移长方形框架(里面套着位移孔径)位移一位的操作。将位移长方形框架位移到如附图14左边所示的UVWX的位置。s的值减1，因此，s＝20。s＝20对应的是c[1]的地址。此时位移孔径的第3、11和12个格子为真实孔径，其余为虚拟孔径。

重复执行步骤6-步骤8。

将附图14左边的位移孔径信息映射到存储器b。于是得到图14右边的存储器b的信息。b[3]＝1、b[11]＝1、b[12]＝1。

对a、b两个存储器进行与和操作。a[0]&&b[0]、a[1]&&b[1]......a[53]&&b[53]都为0，所以累加器求和结果也为0。将累加器结果0赋值给新建立的存储器的c[1]。c[1]＝0。

执行位移长方形框架(里面套着位移孔径)位移一位的操作。s＝19。s＝19对应的是c[2]的地址。此时位移孔径的第4、12和13个格子为真实孔径，其余为虚拟孔径。

重复执行步骤6-步骤8。直到位移长方形孔径与位移范围的最右下角重合。计算结束。c存储器的每个地址单元就存储着该形状光学接收器的孔径平均函数。

如果设置参数n为很大的数，则计算出来的孔径平均函数的精度会很精确。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的实现装置，其特征在于，包括光学接收器预处理单元以及信息处理单元，所述光学接收器预处理单元对待计算的光学接收器进行预处理操作，并将操作结果发送给信息处理单元，通过计算得到任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数；

光学接收器预处理单元包括基准长方形框架模块（1）、位移范围确定模块（2）和位移范围格子编号模块（3）；

所述基准长方形框架模块（1）由包含有多个正方形的子孔径的基准长方形框架组成，该基准长方形框架套在任意复杂形状的光学接收器外围，被套在基准长方形框架内的光学接收器为基准孔径，基准长方形框架的最左上角的子孔径为基准定位点；

所述位移范围确定模块（2）包括中心处的基准长方形框架以及紧密排布在其周围的8个形状相同的长方形框架，由这9个长方形框架确定的区域为位移范围；

所述位移范围格子编号模块（3）用于对位移范围内的所有正方形的子孔径进行编号；

信息处理单元为基于FPGA实现的数字电路，包括基准孔径信息存储模块（4）、移动数目确定模块（5）、位移孔径信息存储模块（6）、存储器与和操作模块（7）以及位移一位模块（8）；

所述基准孔径信息存储模块（4）用于存储基准孔径信息；

所述移动数目确定模块（5）用于复制基准长方形框架得到位移长方形框架并计算位移长方形框架移动到基准定位点的格数，得到位移孔径信息；

所述位移孔径信息存储模块（6）用于存储位移孔径信息；

所述存储器与和操作模块（7）用于计算基准长方形框架和位移长方形框架的重合单元个数；

所述位移一位模块（8）用于将位移长方形框架右位移一个子孔径。

2.一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：对任意复杂形状的光学接收器进行外围框架构建，最终建立该光学接收器的基准长方形框架，得到其基准孔径信息；

步骤S1的具体操作步骤包括：

S11：在任意复杂形状光学接收器的外侧构建一个长方形框架；

S12：初始化参数n，将光学接收器的孔径划分为n*n个子接收孔径阵列；

S13：在所述子接收孔径阵列的左端增加n行*1列个正方形的子孔径，最终形成包含有n*（n+1）个正方形子孔径的基准长方形框架；

S14：将光学接收器所占据的正方形的子孔径记为真实子孔径，将未被光学接收器所占据的正方形的子孔径记为虚拟子孔径；

S2：在构建好的基准长方形框架的外侧构建与基准长方形框架尺寸相同的长方形框架，确定位移范围；

S3：对位移范围内的每个子孔径都按照顺序进行编号；

步骤S3的具体操作步骤为：将位移范围内的所有的所述子孔径按照从左到右和从上到下的顺序，从第一行的最左边编号为0，一直编号到第一行的最右边编号为3n+2，然后是第二行、第三行，直到编号到位移范围的最右下角的子孔径；

S4：在FPGA上创建一个基准孔径信息存储器，将得到的基准孔径信息存储到该基准孔径信息存储器上；

S5：将基准长方形框架进行复制，得到位移长方形框架，被套在位移长方形框架内的光学接收器为位移孔径，并将位移长方形框架放置到位移范围的最左上角，计算从位移长方形框架的最左上角正方形子孔径移动到基准定位点所需的格数，并将该格数记为移动数目，用于根据基准孔径信息得到位移孔径信息；

S6：在FPGA上创建一个位移孔径信息存储器，将得到的位移孔径信息存储到该位移孔径信息存储器上；

S7：将基准孔径信息存储器和位移孔径信息存储器中相同地址单元的数据进行逻辑与操作，并将操作结果送入累加器求和，统计按位与的结果中1的个数，最终得到基准长方形框架和位移长方形框架的重合单元个数；

S8：将位移长方形框架整体向右位移一个子孔径，如果右移会溢出位移范围，则将位移长方形框架整体向下移动一行并放置到下一行的最左边；

S9：重复执行S6-S8，直至位移长方形框架移动到位移范围的最右下角，最终得出该光学接收器的孔径平均函数的值；

步骤S9的具体操作步骤为：

S91：每移动一次所述位移长方形框架，将步骤S7中得到的重合单元个数除以基准孔径的正方形子孔径总数，得到该位置的孔径平均函数；

S92：当位移长方形框架移动到位移范围的最右下角时，得到所有位置的孔径平均函数，即该光学接收器的孔径平均函数。

3.根据权利要求2所述的一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法，其特征在于：步骤S2的具体操作步骤包括：

S21：分别在所述基准长方形框架的左上方、正上方、右上方、正左方、正右方、左下方、正下方及右下方8个方向添加8个与基准长方形框架相同的长方形框架；

S22：所述8个方向的长方形框架以及中间的基准长方形框架围成的区域即为位移范围，且该位移范围包含有（3n）*（3n+3）个正方形的子孔径，其为位移孔径相对于基准孔径进行位移时的最大位移范围。

4.根据权利要求3所述的一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法，其特征在于，步骤S4的具体操作步骤为：

S41：建立一个FPGA的存储器a，即为基准孔径信息存储器，初始化存储器a，将其清零；

S42：将所述位移范围内编号为1的基准长方形框架的子孔径信息存储在存储器a中地址为1的存储单元a[1]中，依次类推，每个不同编号的子孔径信息存储在对应的存储单元中；

S43：将存储所述真实子孔径的存储单元赋值为1，将存储所述虚拟子孔径的存储单元赋值为0。

5.根据权利要求4所述的一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法，其特征在于，步骤S5的具体操作步骤为：

S51：将所述基准长方形框架进行复制，得到位移长方形框架，并将位移长方形框架放置在所述位移范围的最左上角；

S52：从基准长方形框架最左上角顶点向位移长方形框架最左上角顶点连线，得到基准长方形框架与位移长方形框架的质心间距矢量，该质心间距矢量即为基准孔径与位移孔径的质心间距矢量；

S53：从位移长方形框架的最左上角子孔径开始一行一行往右计数正方形子孔径的数目，每计数完一行的正方形子孔径数目，则继续从下一行的最左边正方形子孔径开始计数，直至到达基准定位点，计数得到的正方形子孔径的数目即为移动数目。

6.根据权利要求2所述的一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法，其特征在于，步骤S6的具体操作步骤包括：

S61：建立一个FPGA的存储器b，即为位移孔径信息存储器，并将其进行初始化清零操作；

S62：将所述存储器a中的所有存储单元向前平移所述移动数目个位置，并将存储单元中的值赋值给存储器b。

7.根据权利要求2所述的一种计算任意复杂形状光学接收器的孔径平均函数的方法，其特征在于，步骤S8的具体操作步骤为：

S81：将所述位移长方形框架整体向右移位一个正方形格子；

S82：判断位移长方形框架是否超过位移范围，如果超出位移范围则进入S83，如果未超出位移范围则结束位移长方形框架移动；

S83：将位移长方形框架整体下移一行正方形格子到达下一行的最左边。

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