CN112782844A - 一种自适应光学系统稳定闭环控制方法 - Google Patents

一种自适应光学系统稳定闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自适应光学系统稳定闭环控制方法，包含杂光的检测、斜率滤波、复原运算、控制运算等过程，通过对杂光的识别、判断处理及对斜率的滤波处理，实现在杂光干扰条件下的稳定闭环控制，本发明利用自适应光学系统中的现有条件，无需增加任何额外的设备，实现简单，提高了自适应光学系统的适应性和稳定性，拓展了自适应光学系统的应用领域。

Description

一种自适应光学系统稳定闭环控制方法
技术领域
本发明涉及自适应光学系统的技术领域，具体涉及一种自适应光学系统稳定闭环控制方法。
背景技术
自适应光学系统是一种基于相位的波前校正系统，通常包含波前探测、波前控制和波前校正三部分组成。目前，大多数自适应光学系统通常采用夏克-哈特曼波前传感器进行波前探测。哈特曼波前传感器实时探测波前畸变，通过波前控制器进行信号处理，处理后的控制信号施加到波前校正器上，实现光束质量的校正。
目前大多数自适应光学系统是通过操作员判断哈特曼子光斑情况进行开闭环操作。周璐春、陈忠凤提出了基于能量分布判决的自适应光学系统智能控制方法；甘永东、沈锋等提出了一种自适应光学系统自动开/闭环决策方法；该两种方法都实现自适应光学系统的自动开闭环控制，但是无法解决自适应光学系统工作连续性和稳定性的问题。
自适应光学系统工作的连续性和稳定性可能造成最佳工作时间延误，影响系统工作效率，严重时会带来设备的损坏，丢失重要的数据，造成财产损失和任务失败等灾难性损失。本发明从信号处理的角度提出了一种自适应光学系统稳定控制方法，通过对杂光干扰信号的识别处理和斜率滤波的方式实现了在杂光或其他干扰信号下的连续稳定闭环控制，可以有效避免系统工作的不连续和系统失控带来安全、数据丢失、任务失败等问题。该方法在工程上易于实现，对自适应光学系统的稳定性及安全性具有重要意义，降低了自适应光学系统使用的环境要求，极大地拓展了自适应光学系统的应用范围。
发明内容
本发明的目的是：解决自适应光学系统在对杂光等外部干扰条件下稳定闭环控制问题，降低自适应光学系统对使用环境的要求，拓展自适应光学的应用领域，提高自适应光学系统的稳定性及安全性，对自适应光学系统的发展具有重大意义。
本发明采用的技术方案是：一种自适应光学系统稳定闭环控制方法，该方法解决了系统在杂光等干扰条件下，系统稳定闭环工作的问题。该方法通过判断子孔径的大小波门的光斑像素灰度和之差是否大于设定的杂光阈值(杂光阈值是大波门与小波门之间的光斑像素灰度值之和所占小波门范围内的光斑像素灰度值之和的百分比)，若满足条件，则判定子孔径内有杂光，若不满足条件，则子孔径内无杂光。若子孔径内有杂光，则将子孔径的斜率置为0，若子孔径内无杂光，则该斜率为有效信号。对斜率有效信号实现斜率滤波处理，通过判断当前帧的子孔径斜率与上一帧的子孔径斜率的差值是否大于斜率滤波阈值，若满足条件，则将当前帧该子孔径的斜率更改为上一帧该子孔径斜率加上限定值之和，否则斜率保持不变。最后经过复原运算、控制运算、限压运算输出电压。该方法有效的解决了在杂光等干扰情况下自适应光学系统的工作不连续或工作紊乱的问题，同时也降低了自适应光学系统对使用环境的需求。具体工作流程和步骤如下：
步骤1：设置杂光阈值(PTHR)、斜率滤波阈值(SLOP_THR)、大波门大小(B_SUB)，设计4位二进制数表示大波门有效信号(B_SUB_VAL)、大波门像素行结束信号(B_SUB_PIXL_END)、大波门结束信号(B_SUB_END)、小波门有效信号(S_SUB_VAL)、小波门像素行结束信号(S_SUB_PIXL_END)及小波门结束信号(S_SUB_END)；
步骤2：输入波前传感器图像，经过图像处理后的图像；
步骤3：根据上一帧子孔径的质心，移动控制表并确定小波门的质心及大小(S_SUB)；
步骤4：根据传感器图像计算大波门(B_SUB_VAL)和小波门(S_SUB_VAL)范围内有效信号灰度和；
步骤5：根据大波门光斑信号(B_SUB_END)，计算每个子孔径的斜率及质心，将计算出的质心作为步骤3的输入；
步骤6：判断每个子孔径的大小波门灰度值之差是否小于设定的杂光阈值(PTHR)，若满足条件，则认为该子孔径内无杂光，若不满足条件，则认为该子孔径内有杂光；
步骤7：若子孔径内有杂光，则将该子孔径的斜率置为0，若无杂光，则进行斜率滤波判断；
步骤8：判断当前帧的子孔径斜率与上一帧的该子孔径斜率之差是否大于设定的斜率滤波阈值(SLOP_THR)，若满足条件，则将当前帧该子孔径的斜率更改为上一帧该子孔径斜率加上限定值之和，若不满足条件，则当前帧的子孔径斜率不作处理；
步骤9：将斜率滤波运算的结果，实现复原运算、控制运算、限压运算、最终电压输出；
步骤10：从步骤2开始依次重复该过程。
自适应光学系统稳定闭环控制方法，如图1所示，通过波前传感器输入图像，经过图像处理运算，通过判断子孔径的大小波门灰度和之差是否大于杂光阈值(PTHR)，若满足条件，则子孔径内存在杂光；若不满足条件，则子孔径内无杂光。当子孔径内存在杂光时，将该子孔径的斜率置为0。斜率滤波是通过判断当前帧的该子孔径斜率与上一帧的该子孔径斜率之差是否大于设定的斜率滤波阈值(SLOP_THR)，若满足条件，则表明该子孔径波前信息具有干扰带来的较大信号冲击，可能为干扰信号或信号突变；则将当前帧该子孔径的斜率更改为上一帧该子孔径斜率加上限定值之和，若不满足条件，则当前帧的子孔径斜率不作处理。该处理方法可以滤除干扰信号，对突变信号也可以减小冲击，逐次逼近达到实时控制的目的。最后，将斜率经过复原运算、控制运算、限压运算及输出电压。同时必须满足整个系统控制处理流程小于探测器的一个采样周期。本发明旨在杂光等信号干扰条件下，系统仍然能够稳定的闭环，确保了系统工作的连续性。
本发明的原理在于：
根据波前传感器的设计情况，设置杂光阈值(PTHR)、斜率滤波阈值(SLOP_THR)及大波门大小(B_SUB)。杂光阈值(PTHR)和大波门大小(B_SUB)的设定与系统的光学设计(包含子孔径大小、光斑大小、探测光束的进场分布等)相关，且阈值的设定采用小波门灰度和的百分比。阈值设置得过大或过小都会导致对杂光的误判。斜率滤波阈值(SLOP_THR)的选取与系统光学设计(子光斑像素分辨率)相关，过大影响系统稳定性，过小影响系统闭环带宽。为了目标识别的准确性，小波门的位置随子孔径光斑的质心位置浮动，大波门(B_SUB)为系统的子孔径分割位置。小波门(S_SUB)的位置与上一帧大波门内的质心有关，随着大波门的质心移动，小波门的大小根据系统设计的实际情况而定。当出现杂光等干扰信号时，自适应光学系统探测的为错误信号，系统将工作紊乱，无法正常工作，造成任务失败或设备损坏，严重时会带来安全问题。本发明旨在通过子孔径杂光判断、斜率滤波计算的方法处理杂光干扰或其他冲击信号对系统闭环稳定性的影响。在计算大小波门灰度和时，采用并行流水线的方式，通过图像数据帧信号、行信号、大小波门有效信号、大小波门像素行结束信号及大小波门结束信号，并行输出大小波门的灰度和，通过判断子孔径内大小波门灰度和之差是否大于杂光阈值(PTHR)，若满足条件，则子孔径内有杂光，若不满足条件，则子孔径内无杂光。当子孔径内有杂光时，将子孔径的斜率置为0，当无杂光时，则将子孔径的斜率进行斜率滤波运算，判断当前帧的子孔径斜率与上一帧的子孔径斜率之差是否小于斜率滤波阈值(SLOP_THR)，若满足条件，则当前帧斜率保持不变，若不满足条件，则更改当前帧的斜率为上一帧的斜率加上斜率限定值之和，再将当前帧的斜率进行复原运算、控制运算、限压运算及输出电压。该种方法可以实现系统连续稳定的闭环，可以有效的避免自适应光学系统闭环紊乱的情况，从而避免自适应光学系统工作紊乱带来的安全问题或其他问题。同时，该方法实现简单，无需增加额外的硬件或其他资源，同时对自适应光学系统的其他功能和性能无影响，降低了自适应光学系统的使用环境需求，促进了自适应光学系统的发展，拓展了自适应光学的应用领域。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)本发明通过杂光判定，排除了光路中的部分错误信号，减少了错误信号引起的系统不稳定性。
(2)本发明通过斜率滤波，对系统中较大的冲击信号进行了衰减，减小了系统中的阶跃冲击，提高了系统的稳定性。
(3)本发明采用流水线计算，提高了计算效率，减少了系统的时间延时，提高了系统的控制带宽。
(4)本发明小波门的位置是根据子孔径光斑质心位置进行浮动的，有效光斑位置及有效信号的判断具有真实性和准确性，提高了杂光判断的准确性，提高了系统稳定性。
(5)本发明通过在进行图像处理和复原控制之间增加逻辑判断，不需要额外的硬件及其他资源，对系统原有性能无影响。
(6)本发明可以实现自适应光学系统的连续稳定闭环，有效减少非必要性引起的安全问题或自适应光学系统工作紊乱问题，保证了系统的连续性。
附图说明
图1为本发明自适应光学系统在杂光干扰条件下的工作流程；
图2为大小波门示意图；
图3为无杂光图像；
图4为通过该方法判定的杂光图像；
图5为大小波门控制字图；
图6为大小波门计算灰度和时序图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
图2所示为一套真实的自适应光学系统波前探测器采用的子孔径布局图，实线为大波门，虚线为小波门，波前探测器采用的是8*8的哈特曼，变形镜采用的是9*9的正方形排布，根据信标光的特征，实际采用为48个子孔径和69个驱动器，子孔径大小为24个像素，光斑大小为9个像素，设置大波门大小(B_SUB)为24*24像素，设置小波门大小(S_SUB)为16*16。驱动器校正电压最大为±5V，驱动器校正电压限压范围为±4V，设置杂光阈值(PTHR)为10(即大小波门之间像素灰度和达到小波门灰度和的10％时确定为该子孔径内出现了杂光),根据该系统的像素分辨率设置斜率滤波阈值(SLOP_THR)为0.5(即当前帧该子孔径斜率与上一帧该子孔径斜率之差大于0.5个像素时认为该子孔径受到异常信号的冲击)，
一种自适应光学系统稳定闭环控制方法，采用图1所示的自适应光学系统工作控制流程，对系统中的杂光进行判定和冲击信号进行滤波，具体判定方法和实现步骤如下：
步骤1：设置杂光阈值(PTHR)、斜率滤波阈值(SLOP_THR)、大波门大小(B_SUB)，设计4位二进制数表示大波门有效信号(B_SUB_VAL)、大波门像素行结束信号(B_SUB_PIXL_END)、大波门结束信号(B_SUB_END)、小波门有效信号(S_SUB_VAL)、小波门像素行结束信号(S_SUB_PIXL_END)及小波门结束信号(S_SUB_END)；
步骤2：输入波前传感器图像，经过图像处理后的图像；
步骤3：根据上一帧子孔径的质心，移动控制表并确定小波门的质心及大小(S_SUB)；
步骤4：根据传感器图像计算大波门(B_SUB_VAL)和小波门(S_SUB_VAL)范围内有效信号灰度和；
步骤5：根据大波门光斑信号(B_SUB_END)，计算每个子孔径的斜率及质心，将计算出的质心作为步骤3的输入；
步骤6：判断每个子孔径的大小波门灰度值之差是否小于设定的杂光阈值(PTHR)，若满足条件，则认为该子孔径内无杂光，若不满足条件，则认为该子孔径内有杂光；
步骤7：若子孔径内有杂光，则将该子孔径的斜率置为0，若无杂光，则进行斜率滤波判断；
步骤8：判断当前帧的子孔径斜率与上一帧的该子孔径斜率之差是否大于设定的斜率滤波阈值(SLOP_THR)，若满足条件，则将当前帧该子孔径的斜率更改为上一帧该子孔径斜率加上限定值之和，若不满足条件，则当前帧的子孔径斜率不作处理；
步骤9：将斜率滤波运算的结果，实现复原运算、控制运算、限压运算、最终电压输出；
步骤10：从步骤2开始依次重复该过程。
根据提出的方法判断杂光干扰。通过波前传感器实时采集图像数据，经过图像处理，判断子孔径内的大小波门灰度和之差是否大于杂光阈值(PTHR)，若满足条件，则子孔径内存在杂光，若不满足条件，则子孔径内无杂光。若存在杂光，则将子孔径的斜率置为0，若不存在杂光，则进行斜率滤波运算，判断当前帧斜率与上一帧斜率之差是否小于斜率滤波阈值(SLOP_THR)，若满足条件，则将当前帧的子孔径斜率保持不变，若不满足条件，则将当前帧的子孔径斜率更改为上一帧子孔径斜率加上斜率滤波阈值之和。而后将子孔径斜率实现复原运算、控制运算、限压运算及输出电压。如图3为正常无杂光的哈特曼图像。图4为有杂光干扰的情况，采用该方法准确的判断出3号、14号、18号、23号、29号和36号子孔径为出现杂光干扰。图5为大小波门控制字，通过控制字可以有效识别波门的位置，行起始位、行结束位，波门的起始位和结束位，通过控制字的识别，采用并行流水线的方式计算大小波门内光斑图像的灰度和，提高了计算效率。图6为计算大小波门灰度和的时序图，当计算大波门灰度和时，通过大波门有效信号，实现累加得到giacc_sig，当一个像素行结束时将giacc_sig清零，当大波门像素行结束时，将giacc_sig赋给iacc_pre_sig，将大波门像素行结束信号延迟一拍，得到modu_delay_one，延迟两拍得到modu_delay_two，当modu_delay_one有效时，将iacc_pre_sig赋给iacc_sec_sig，当modu_delay_two有效时，实现iacc_pre_sig减去iacc_sec_sig得到iacc_thr_sig，iacc_thr_sig加上iacc_lastlv_sig得到iacc_fou_sig，将iacc_fou_sig移位得到iacc_lastlv_sig，当判断得到大波门结束信号时，输出第一个大波门的灰度和，以此类推。小波门的灰度和与大波门的灰度和计算相同。
当出现杂光时，系统仍然能够连续稳定闭环，避免了因为杂光等外部干扰造成的系统工作紊乱，保证了系统工作的连续性和稳定性。
综上所述，本发明可以实现对杂光的判断与处理，同时当出现杂光时，自适应光学系统仍然能够实现连续稳定闭环，提高了自适应光学系统共在的稳定性和安全性，降低了自适应光学系统对使用环境的要求，拓展了自适应光学的应用领域，提高了系统的智能化、自动化水平。

Claims (9)

1.一种自适应光学系统稳定闭环控制方法，其特征在于：包含图像处理、杂光的检测、斜率滤波、复原运算、控制运算、电压输出过程，具体步骤如下：
步骤1：设置杂光阈值(PTHR)、斜率滤波阈值(SLOP_THR)、大波门大小(B_SUB)，设计4位二进制数表示大波门有效信号(B_SUB_VAL)、大波门像素行结束信号(B_SUB_PIXL_END)、大波门结束信号(B_SUB_END)、小波门有效信号(S_SUB_VAL)、小波门像素行结束信号(S_SUB_PIXL_END)及小波门结束信号(S_SUB_END)；
步骤2：输入波前传感器图像，经过图像处理后的图像；
步骤3：根据上一帧子孔径的质心，移动控制表并确定小波门的质心及大小(S_SUB)；
步骤4：根据传感器图像计算大波门(B_SUB_VAL)和小波门(S_SUB_VAL)范围内有效信号灰度和；
步骤5：根据大波门光斑信号(B_SUB_END)，计算每个子孔径的斜率及质心，将计算出的质心作为步骤3的输入；
步骤6：判断每个子孔径的大小波门灰度值之差是否小于设定的杂光阈值(PTHR)，若满足条件，则认为该子孔径内无杂光，若不满足条件，则认为该子孔径内有杂光；
步骤7：若子孔径内有杂光，则将该子孔径的斜率置为0，若无杂光，则进行斜率滤波判断；
步骤8：判断当前帧的子孔径斜率与上一帧的该子孔径斜率之差是否大于设定的斜率滤波阈值(SLOP_THR)，若满足条件，则将当前帧该子孔径的斜率更改为上一帧该子孔径斜率加上限定值之和，若不满足条件，则当前帧的子孔径斜率不作处理；
步骤9：将斜率滤波运算的结果，实现复原运算、控制运算、限压运算、最终电压输出；
步骤10：从步骤2开始依次重复该过程。
2.根据权利要求1所述自适应光学系统稳定闭环控制方法，其特征在于：该方法是通过判断子孔径的大、小波门灰度和之差，实现杂光的处理。
3.根据权利要求1所述自适应光学系统稳定闭环控制方法，其特征在于：大小波门的设定与系统的光学设计相关，大波门为系统的子孔径分割位置，小波门的设定与成像后光斑的大小相关。
4.根据权利要求1所述自适应光学系统稳定闭环控制方法，其特征在于：小波门随着大波门内光斑质心位置浮动。
5.根据权利要求1所述自适应光学系统稳定闭环控制方法，其特征在于：杂光阈值(PTHR)的设定与系统的光学设计相关，光学设计包含子孔径大小、光斑大小、探测光束的进场分布，且阈值的设定采用小波门灰度和的百分比。
6.根据权利要求1所述自适应光学系统稳定闭环控制方法，其特征在于：大、小波门范围内的光斑灰度和是采用并行流水线的方式计算的。
7.根据权利要求1所述自适应光学系统稳定闭环控制方法，其特征在于：若子孔径的大小波门灰度值之差大于杂光阈值(PTHR)，则认为该子孔径内有杂光，则将该子孔径的斜率置为0，否则进行斜率滤波判断。
8.根据权利要求1所述自适应光学系统稳定闭环控制方法，其特征在于：对斜率进行滤波处理，通过判断当前帧的子孔径斜率与上一帧的子孔径斜率的差值是否大于斜率滤波阈值(SLOP_THR)，若满足条件，则将当前帧的斜率更改为上一帧该子孔径斜率加上限定值之和，否则斜率保持不变。
9.根据权利要求1所述自适应光学系统稳定闭环控制方法，其特征在于：自适应光学系统稳定闭环控制流程是实时的，处理延时小于探测器的一个采样周期。
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