CN102507147A - 一种自适应光学系统性能的实时评价系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应光学系统性能的实时评价系统，该系统包括输入接口模块(1)、可编程逻辑器件(2)、数字信号处理器(3)、存储模块(4)和输出接口模块(5)，输入接口模块(1)接收同步信号和数据信号，可编程逻辑器件(2)实现前端的高速预处理，数字信号处理器(3)实现复杂度高的后续运算，输出接口模块(5)将计算的性能指标输出；存储模块(4)用于提高数字信号处理器(3)存储数据和程序的能力。本发明实现了在自适应光学系统工作过程中评价其对大气湍流扰动的补偿能力，具有很好的实时性，体积小，易于大规模集成，在不改变硬件实现的基础上，可应用于不同的自适应光学系统。

Description

一种自适应光学系统性能的实时评价系统

技术领域

本发明涉及高速信号处理系统技术领域，特别涉及一种自适应光学系统性能的实时评价系统，其实时计算自适应光学系统的性能参数，评价其对大气湍流扰动的补偿能力。

背景技术

自适应光学(Adaptive Optics，AO)技术能够实时探测并校正由大气湍流扰动引起的随机波前畸变，广泛应用于天文观测和激光传输等领域。自适应光学系统对大气湍流扰动的补偿能力直接关系到天体目标成像的质量和激光的聚焦效果，通常采用以下几个指标作为其效果评判依据：斯特列尔比(Strehl Ratio，SR)、半高全宽(Full Width HalfMaximum，FWHM)、点扩散函数(Point Spread Function，PSF)、调制传递函数(ModulationTransfer Function，MTF)等。

对自适应光学系统的性能进行评价，传统实现手段是在自适应光学系统中搭建成像系统。自适应系统工作时，成像系统负责采集目标的远场图像，在事后对自适应光学系统的性能进行离线计算与分析。这种方法带来的问题有：一、不能实时且直观地反映自适应光学系统的校正性能；二、需要搭建成像系统，使自适应光学系统的结构更加复杂化，在自适应光学系统光路发生改变时，需要重新调整成像系统的光路，使用不便；三、根据目标的图像特性，该方法只能用于点目标的自适应光学系统，不能用于扩展目标的自适应光学系统，如太阳自适应光学系统。

随着技术的发展，在线评价自适应光学系统的性能成为了一个重要的研究方向。夏克-哈特曼波前传感器是一种以平均斜率测量为基础的波前测试仪器，可以检测波前相位分布的时间特性和空间特性，根据这些信息可以得到被测波前的近场和远场情况。因此，可以根据残余平均斜率进行自适应光学系统的在线性能评价。欧洲南方天文台ESO的NAOS(Nasmyth Adaptive Optics System)中采用了6个TMS320C40DSP来实时计算大气湍流参数和自适应光学系统的性能参数，其中，自适应光学系统性能参数的计算刷新周期为2分钟；SPARTA平台中采用协处理机群实现了自适应光学系统在线的性能评价。NAOS的在线性能评价模块和SPARTA的设计中，存在如下不足：使用较多芯片，硬件成本较大，且集成度不高；计算能力有限，导致刷新时间间隔较长。

可编程逻辑器件拥有丰富的寄存器资源以及大量用户IO，有利于流水线和并行技术的运用，数字信号处理器的内部采用程序总线和数据总线分开的哈佛结构，提供特殊的数字信号处理指令，有利于实现各种复杂的数字信号处理算法，可编程逻辑器件和数字信号处理器的特点，非常适合实现自适应光学系统性能参数的实时计算。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：利用可编程逻辑器件和数字信号处理器，设计一种自适应光学系统性能的实时评价系统，根据夏克-哈特曼波前传感器探测的残余波前斜率，实时计算表征自适应光学系统对大气湍流扰动补偿能力的性能指标参数。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种自适应光学系统性能的实时评价系统，包括输入接口模块、可编程逻辑器件、数字信号处理器、存储模块和输出接口模块，其中，输入接口模块接收同步信号和数据信号，可编程逻辑器件实现前端的高速预处理，数字信号处理器实现复杂度高的后续运算，输出接口模块将计算的性能指标输出；存储模块用于提高数字信号处理器存储数据和程序的能力。

进一步的，所述的接口模块采用高速总线实现信号的传输。

进一步的，所述的可编程逻辑器件由地址生成模块和乒乓缓存模块实现前端的高速预处理。

进一步的，所述的地址生成模块中使用计数器对同步信号中的数据有效信号进行计数，计数结果作为当前数据信号所对应的夏克-哈特曼波前传感器的子孔径位置，同步信号中的帧有效信号负责对计数器清零。

进一步的，所述的乒乓缓存模块使用两片RAM构成，由地址生成模块寻址，使用乒乓方式缓存数据信号。

进一步的，所述的数字信号处理器，完成复杂的后续运算，并控制输出接口模块将性能指标输出。

进一步的，所述的存储模块，作为数字信号处理器的片外扩展存储器，用于提高数字信号处理器存储数据和程序的能力。

进一步的，可编程逻辑器件和数字信号处理器之间以流水线的方式工作。

本发明的原理是：传统的基于成像系统获取目标远场图像，评价自适应光学系统性能的方法，只能事后计算，不能实时实现，使用不便，适用范围小，只能运用于点目标，不能用于扩展目标。夏克-哈特曼波前传感器是自适应光学系统的核心组成结构之一，可以探测残余波前斜率，根据残余波前斜率，可以检测波前相位分布的时间特性和空间特性，根据这些信息能够得到被测波前的近场和远场情况，因此可以用于衡量自适应光学系统的性能。

本发明具有的优点：结合了可编程逻辑器件和数字信号处理器的特点，采用可编程逻辑器件实现前端的高速预处理，保证实时性，以数字信号处理器实现后端复杂的数学运算，保证计算结果的精确度。能够实现与自适应光学系统的无缝连接，可作为一个单独的模块存在于自适应光学系统中。该处理系统具有很高的计算吞吐能力，能在自适应光学系统工作过程中实现自适应光学系统性能指标的在线计算，具有很好的实时性，并且具有很高的集成度和通用性，促进了装置的小型化和兼容性。

附图说明

图1为本发明的自适应光学系统性能的实时评价系统整体电路结构示意图；

图2为本发明中的可编程逻辑器件的内部结构示意图；

图3为本发明中输入数据信号、可编程逻辑器件、数字信号处理器的时序图。

其中，1为输入接口模块；2为可编程逻辑器件；3为数字信号处理器；4为存储模块；5为输出接口模块。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，一种自适应光学系统性能的实时评价系统，包括输入接口模块1、可编程逻辑器件2、数字信号处理器3、存储模块4和输出接口模块5。同步信号和数据信号通过输入接口模块1以数据流的形式进入实时评价系统，可编程逻辑器件2对高速的数据信号进行预处理，在地址生成模块的控制下将数据信号存储到乒乓缓存模块中。乒乓缓存模块输出端与数字信号处理器3相连接。数字信号处理器3从乒乓缓存模块获取预处理的信号结果进行自适应光学系统性能指标的后续运算。可编程逻辑器件2与数字信号处理器3通过对乒乓缓存模块进行读写操作实现数据的交换。性能指标的计算结果通过输出接口模块5输出。存储模块4与数字信号处理器3相连接，作为数字信号处理器3的片外扩展存储器，提高信号处理器3存储数据和程序的能力。

所述的可编程逻辑器件2对高速的数据信号进行预处理是对残余波前斜率信号g进行操作：

${\stackrel{\‾}{g}}_k^x=g_k^x---\left(1\right)$

其中，k表示第k组残余波前斜率信号，x表示第k组残余波前斜率信号中的第x帧，表示对第k组残余波前斜率信号中的第x帧的预处理结果。

所述的数字信号处理器3从可编程逻辑器件2的乒乓缓存模块中获取预处理的信号结果进行自适应光学系统性能参数的后续运算，是根据第k组残余波前斜率信号中的第x帧的预处理结果

计算衡量自适应光学系统性能的指标参数：点扩散函数PSF、斯特列尔比SR、半高全宽FWHM和调制传递函数MTF。

点扩散函数PSF描述了目标像平面上的光场分布，由入射波前的像差和光学系统的衍射极限决定，它可以表示为：

PSF＝|FT(P(x，y))|²    (2)

其中，FT表示傅里叶变换；||²表示求模的平方；P(x，y)为入射波前，由振幅和相位确定：

P(x，y)＝A(x，y)e^iΦ(x，y)    (3)

上式中，A(x，y)是光瞳函数，Φ(x，y)是入射波前的相位分布，可根据残余波前斜率，利用泽尼克模式波前复原算法计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}A=D^{+}\·{\stackrel{\‾}{g}}_k^x\\ \mathrm{\Φ}(x,y)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{Z}_i(x,y)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，D⁺是复原矩阵D的逆矩阵，由夏克-哈特曼波前传感器子孔径的布局决定；

表示第k组残余波前斜率信号中的第x帧的预处理结果；A是泽尼克多项式系数矩阵；i是泽尼克模式复原的阶数；a_i是A矩阵的元素表示形式，表示第i阶泽尼克多项式系数；Z_i(x，y)是第i阶泽尼克多项式。

峰值SR定义为实际光束轴上的远场峰值光强I与其衍射极限峰值强度I_diff之比，从能量方面反映自适应光学系统对波前畸变的校正能力：

$\mathrm{SR}=\frac{I}{I_{\mathrm{diff}}}---\left(5\right)$

半高全宽FWHM指探测目标远场图像上半峰值之间的宽度，从分辨率方面反映自适应光学系统对波前畸变的校正能力。

调制传递函数MTF表示光学系统对各频率分量对比度的传递特性，可由点扩散函数PSF的傅里叶变换得到：

MTF＝|FT(PSF)|    (6)

其中，FT表示傅里叶变换，||表示求模值。

在自适应光学系统闭环工作过程中，数据信号和同步信号通过输入接口模块1顺序输入到可编程逻辑器件2中。其中，数据信号为残余波前斜率

(x＝1，…，L)，每一帧的数据信号含有2n路残余波前斜率数据，n为夏克-哈特曼波前传感器的子孔径个数。

如图2所示，可编程逻辑器件3由地址生成模块和乒乓缓存模块组成。地址生成模块使用计数器对同步信号中的数据有效信号进行计数，计数结果作为当前数据信号所对应的夏克-哈特曼波前传感器的子孔径位置，同步信号中的帧有效信号负责对计数器清零。乒乓缓存模块使用两片RAM构成，由地址生成模块寻址，将数据信号以乒乓交替的方式进行缓存。

数字信号处理器4首先从可编程逻辑器件3中获取预处理的信号结果，然后完成自适应光学系统性能指标点扩散函数PSF、斯特列尔比SR、半高全宽FWHM和调制传递函数MTF的后续运算，如公式(2)～(6)所示，再控制输出接口模块5输出自适应光学系统性能指标的计算结果。

数字信号处理器的片内存储器容量有限，存储模块4用于扩展数字信号处理器的片外存储器容量，提高数字信号处理器存储数据和程序的能力。例如公式(4)中所述的复原矩阵D的逆矩阵D⁺、第i阶泽尼克多项式Z_i等。在程序运行时，根据需要搬移相应的数据到数字信号处理器的片内存储器中，解决数据容量大与数据存储在片外时程序运行速度受限的矛盾。

如图3所示，可编程逻辑器件2与数字信号处理器3以流水线的方式协同工作，每次对一组连续的L帧信号数据进行处理。当可编程逻辑器件2对第k+1组数据信号进行预处理时，数字信号处理器根据第k组数据信号的预处理结果计算自适应光学系统的性能指标。由于可编程逻辑器件2与数字信号处理器3之间的数据交换采用了乒乓读写的方式，第k+1组数据信号将被写入可编程逻辑器件2的乒乓缓存模块的另一个缓存区，不会影响数字信号处理器3从乒乓缓存模块中读取第k组完成预处理的数据信号。计算的自适应光学系统的性能指标点扩散函数PSF、斯特列尔比SR、半高全宽FWHM、调制传递函数MTF用{Performance}_k表示，下标表示该组性能指标是利用第k组数据信号计算得到的。自适应光学系统性能指标的刷新周期由波前处理机的帧频、L的长度和实时评价系统的处理速度决定。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (8)

1.一种自适应光学系统性能的实时评价系统，包括输入接口模块(1)、可编程逻辑器件(2)、数字信号处理器(3)、存储模块(4)和输出接口模块(5)，其特征在于：输入接口模块(1)接收同步信号和数据信号，可编程逻辑器件(2)实现前端的高速预处理，数字信号处理器(3)实现复杂度高的后续运算，输出接口模块(5)将计算的性能指标输出；存储模块(4)用于提高数字信号处理器(3)存储数据和程序的能力。

2.根据权利要求1所述的一种自适应光学系统性能的实时评价系统，其特征在于：所述的接口模块(1)采用高速总线实现信号的传输。

3.根据权利要求1所述的一种自适应光学系统性能的实时评价系统，其特征在于：所述的可编程逻辑器件(2)由地址生成模块和乒乓缓存模块实现前端的高速预处理。

4.根据权利要求3所述的一种自适应光学系统性能的实时评价系统，其特征在于：所述的地址生成模块中使用计数器对同步信号中的数据有效信号进行计数，计数结果作为当前数据信号所对应的夏克-哈特曼波前传感器的子孔径位置，同步信号中的帧有效信号负责对计数器清零。

5.根据权利要求3所述的一种自适应光学系统性能的实时评价系统，其特征在于：所述的乒乓缓存模块使用两片RAM构成，由地址生成模块寻址，使用乒乓方式缓存数据信号。

6.根据权利要求1所述的一种自适应光学系统性能的实时评价系统，其特征在于：所述的数字信号处理器(3)，完成复杂的后续运算，并控制输出接口模块(5)将性能指标输出。

7.根据权利要求1所述的一种自适应光学系统性能的实时评价系统，其特征在于：所述的存储模块(4)，作为数字信号处理器(3)的片外扩展存储器，用于提高数字信号处理器(3)存储数据和程序的能力。

8.根据权利要求1所述的一种自适应光学系统性能的实时评价系统，其特征在于：可编程逻辑器件(2)和数字信号处理器(3)之间以流水线的方式工作。

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