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61单元自适应光学系统实时波前处理技术研究

王春鸿  
【摘要】: 自适应光学系统具有实时探测和校正光学系统中的静态和动态波前误差的能力,从而提高系统的光学质量。但是,为了有效校正大气湍流造成的动态光学波前误差,自适应光学系统必须有较高的空间带宽和时间带宽,即要求自适应光学系统具有足够的子孔径数和校正单元数,以与所需校正的大气湍流的空间特征频率r0匹配;要求自适应光学系统具有足够的时间采样频率和实时波前处理运算能力,以与所需校正的大气湍流的时间特征频率τ0匹配。然而空间带宽越高,要求波前传感器的子孔径数和变形镜的驱动器数就越多,因此造成所需的波前处理运算量就越大;时间带宽越高,要求波前传感器的采样频率就越高,因此不仅造成波前处理的运算量增大,而且要求波前处理运算的延时更小。上述两个问题都对波前处理机的实时性提出了严峻的要求。因此研究提高波前处理运算实时性,减小波前处理机运算延时的方法成为自适应光学系统中的关键问题之一。 本文分析了自适应光学系统中波前处理机的任务,波前处理任务的主要运算,以及各任务的运算量和任务之间的数据流关系,研究了串行处理、帧间流水线处理、帧内流水线处理、双流水线处理、并行处理、并发处理等多种不同的波前实时处理方法,详细分析了各种方法的优缺点、运算延时和时序特点。分析表明,采用双流水线和并行处理相结合的波前处理机结构,可以更好地保证波前处理机的实时性。在此基础上,针对61单元2900Hz采样频率的自适应光学系统,设计了基于多DSP的专用高速数字波前处理机。该波前处理机由17个DSP组成,峰值运算速度达8.5亿次/秒。实验表明,该波前处理机的运算延时为330μs,满足了自适应光学系统的实时性要求。 最后,论文分析了该波前处理机的不足,并提出了今后的研究工作方向。


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