961单元自适应光学系统波前处理器

自适应光学系统规模(波前探测器子孑L径数量和波前校正器单元数量)主要根据大气相干长度 r0确定，当波前探测器的子孔径大型波前校正器的单元大小与 t"0相当时，才能较好地补偿大气扰动引起的波前相位畸变l ]。如 4 m望远镜的设计，当 t'o为 15 cm时，系统规模约为 710单元；当 r0为 10 cm时，系统规模约为 1 6003]。同时，由于空间目标成像探测对 自适应光学系统闭环控制带宽的要求高于天文观测，大型望远镜的采样频率只有达到 1 000 Hz以上，才能保证波前校正控制带宽为 100～200 Hz，倾斜校正控制带宽为 5O～i00 Hz[4 ]，故对系统的波前处理延时提出了很高的要求。

目前，千单元级自适应光学实时波前处理系统大多采用处理板卡级联的并行处理架构。如2003年美国星火靶场发布 的 SOR 3。5 m 自适应望远镜，其波前处理系统采用大规模的现成编程门阵列(FPGA)作为主处理芯片，全系统采用 9块处理板卡，对于微透镜阵列为 3O×3O，变形镜促动器数量为 941的自适应光学系统规模，计算延时为 0.297 ms[7 。2006年 Xinetics公 司为在帕洛马山上 5 m 望远镜 的 自适应光学系统配置了基于 GPU 的波前处理系统，全系统采 用 16块高性能 GPU并行处理，系统预计延时为 0.22m s[1 ]。 本文研制了-种由主控计算机、波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合的波前处理器 ，其最大输出规纳达 1 200单元。采用大规模逻辑器件作为核心处理芯片，算法上采用多线并行流水算法，缩短了波前处理延时，提高了系统带宽。

2 961单元波前处理器系统构成图 1为基于 PXI总线的千单元 自适应光学波前处理器的系统结构框图。它由主控计算机、波前处理主板和波前处理子板 3部分组成。主控计算机与波前处理主板通过 PXI总线进行通信，波前处理主板与波前处理子板通过自定义的板间总线进行通信[ 。

主控计算机完成系统监控、故障诊断、系统标定、数据分析存储等功能。波前处理主板进行波前图像预处理、波前斜率计算并将斜率数据打包发送给各波前处理子板；同时，它通过 PXI总线将各种实时波前计算数据上传至主控计算机以及结合波前处理子板完成波前标定的功能。波前处理子板主要完成波前拟合、波前控制和 D/A转换的功能。

图 2为设计完成的 961单元波前处理器实物图，整个系统集成在-个 6U PXI工业控制机箱中，从而提高了系统的集成度和稳定性。

波前处理主板图 1 自适应光学系统处理器框 图Fig.1 Block diagram of adaptive optical wave-frontprocessor图 2 961单元波前处理器实物图Fig.2 961-element wave-front processor----.-第6期 贾建禄，等：961单元自适应光学系统波前处理器3 多线并行流水波前处理算法实时波前处理算法主要包括波前斜率计算、波前复原计算和波前控制计算 3大部分，如图 3所示。波前处理器的运算数据流程如下：实时采集波前探测器输出的图像信号，经过波前斜率、波前复原和控制运算后，输出控制信号驱动波前校正器进行波前校正。波前处理运算中，计算量主要集中在波前斜率和波前复原两部分。

图3 波前处理运算数据流图Fig.3 Data flow of wave front processing3.1 波前斜率计算在基于哈特曼 的波前探测器 中，子孑L径 波前斜率的计算主要如下：∑z ∑Yzsp。t 3，sp。t i，j i，式中： 是子孔径内坐标 (z ，Y )处的像素灰度值，(z ，Y )分别是像素在子孔径的z和Y方向上的坐标 。

图4 波前斜率实时计算流程图Fig.4 Flow chart of wave-front gradient calculator具体算法包括离线标定和实时计算两大部分，其中离线标定主要是计算出没有波前畸变状态下的参考点位置，然后将这些数据传送给实时波前处理器。

实时计算过程如图4所示，具体步骤为：(1)首先 CCD像素数据在像素时钟的同步下同时进入两个乘法器，分别算出z 和YJIf'J；(2)算出的z 工 和 Y f，J和当前像素灰度值同时进入 3通道的累加器，计算出 X ，∑Y 和∑I ，存储在当前子孔径的RAMJ i，j中；(3)随着像素数据的读出，重复(1)、(2)两个步骤。分别计算出同-数据行上不同子孔径的∑ j ，∑Y 工 和∑ ，存储在相应的子孔i i·径 RAM 中；(4)随着子孔径行最后-列像素数据的输入，采用像素时钟的8倍频时钟信号先后将 ：XlJfJj和∑f ，∑Y fJ和∑J 输入除法器，计算得i，J J i，J到当前子孔径的质心数据( ，Y 。 )；(5)得到的质心数据( ，Y 。 )与离线标定得到的参考点数据( Y )相减得到质心偏差数据(Ax ，Ayf)。

该算法的优点在于：(1)整个算法只需要两个乘法器和-个除法器，所需的乘法器和除法器不会随自适应光学系统规模的增加而增加。

(2)三通道累加器的数量只撒于通光孔径直径方向上的子孑L径数 。

3.2 波前复原计算单个子板中进行的基于直接斜率法的波前复原运算为：d11 1221 22d 1 d 2d1，2nz.2HAxl△3，1AxAy. (2)简化为：E-D ·G ， (3)其中：D是波前复原矩阵，可通过事先标定所得；G是斜率向量，有 2 个分量；E是误差向量；竹为1392 光学 精密工程 第21卷统波前处理器，它由主控计算机、波前处理主板和可扩展的波前处理子板组成，最大输出单元为 1200单元。系统分别在 961单元和 137单元变形