自适应光学系统波前处理算法的优化

考虑自适应光学系统对波前处理计算量和实时性的要求,对原有基于块运算的波前处理算法进行了改进和优化,提出了一种自适应光学系统波前处理算法.该算法基于重复利用核心模块的方式完成波前斜率计算,利用矩阵与向量相乘的可分解性完成波前复原计算.在像素时钟的同步下,完成整个波前处理运算,给出促动器所需的促动量.采用一片Virtex-4 LX80现场可编程门阵列(FPGA)作为核心处理芯片进行了实验,结果表明该算法对于同样规模的自适应光学系统可降低约为50％的硬件资源,提高了系统的波前处理规模;与原算法帧同步结束后有338 μs的计算延时相比,本文提出的算法可在帧同步结束前完成整个波前处理的运算,提高了自适应光学系统的控制带宽.利用改进后的算法在原系统上进行了室内的光源校正实验,取得了很好的效果.     

961单元自适应光学系统波前处理器

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理器在输出规模、处理速度和控制带宽方面的要求,研制了千单元级自适应光学系统.设计了一种由主控计算机、波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合,输出规模最大可达1200单元的自适应光学系统波前处理器.采用大规模逻辑器件作核心处理芯片,用多线并行流水算法缩短波前处理延时,提高系统控制带宽.对设计完成的波前处理器进行了基于961单元变形镜的开环展平实验以及基于137单元变形镜的闭环校正实验.实验结果显示:系统最高采样帧频为2000 frame/s时,波前运算延时为20.96μs,表明文中提出的硬件扩展和多路并行流水算法对于大规模自适应光学系统波前处理可行且有效.     

机动式车载自适应光学波前处理器的设计

为满足机动式车载自适应光学系统的需求,设计了专用的波前处理器。该波前处理器采用波前处理主板、波前处理子板和DA转化板相结合的硬件架构,由光纤作为通信载体。在满足功能需求的同时提高了系统的可靠性;波前处理器是自适应光学系统闭环控制的运算中心,其运算延时直接影响系统的控制带宽。本文提出一种基于FPGA的多线流水自适应光学实时波前处理方法,实现了波前斜率计算、复原运算和控制运算。结果表明:对于两级精密跟踪,97个子孔径以及97单元变形镜的自适应光学系统,系统处理延时为506.25μs,满足系统1 500Hz的实时波前处理需求。     

基于FPGA的自适应光学系统波前处理机

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理规模的需求,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速大单元自适应波前处理系统,给出了设计方案,实施过程和测试结果.提出的基于FPGA的自适应光学系统波前处理机,在软件上采用FPGA对整个系统进行数据配置和调控,实现多路D/A数据同时传输和转换.同时,采用FPGA...     

基于实时波前信息的图像复原

提出了一种基于PIX总线的千单元可扩展波前探测图像恢复技术.采用波前探测与图像恢复相结合的方式来克服大气扰动和系统像差对图像分辨率的影响,满足大型地基望远镜高分辨率成像的需求.首先利用波前探测的方法得到波前相位畸变量,再由此恢复退化图像.其核心部件-波前处理器则采用波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合的方式来满足不同光学系统对波前处理规模的需求,波前空间采样散可扩展至千单元数量级.系统在室内进行了激光光源图像恢复实验,使激光光源的能量集中度提高50％左右;在室外对恒星和0.6″的双星图像进行了恢复,其半高全宽下降了约80％.系统采用大规模现场可编程门阵列(FPGA)作为波前处理的核心器件,实现了波前探测的实时处理和透过大气成像的退化图像的高分辨率图像恢复.     

349单元自适应光学波前处理器

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求,本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统,该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器,报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果,实验中对模拟大气相干长度r_0为6cm,格林伍德频率为160Hz的大气湍流实现有效校正,自适应光学系统闭环后,波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600nm,后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500Hz的波前校正频率下有较高的成像质量,波前处理延时优于235μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100Hz以下的波前畸变具有明显的校正效果。     

液晶自适应光学系统中倾斜镜的建模与控制

为了提高液晶自适应光学系统的波前探测精度,研究了该系统中倾斜镜的校正方法。分析了液晶自适应光学系统中各环节的物理特性,利用拉格朗日方程给出了倾斜镜系统模型的基本结构;采用子空间辨识方法确定了模型参数,同时利用非线性最小二乘算法对子空间模型的频域特性进行了修正。修正后模型幅频特性均方根误差为0.024 5dB,相频特性均方根误差为1.9008°。引入Smith控制策略来解决倾斜镜校正波前整体倾斜过程中的时滞问题;利用子空间辨识出的模型分别进行Smith和PID的仿真和实验验证,得到的结果与仿真计算相吻合,即在相同稳定裕度的情况下,采用Smith补偿PID算法的误差抑制带宽比传统PID算法提高了23.97%。最后,用提出的方法对一组湍流整体倾斜信号进行了校正。结果显示:采用Smith补偿PID算法的控制精度比传统PID算法提高了21.03%,证实提出的方法优化了倾斜镜的校正精度,保证了开环液晶自适应光学系统的波前探测精度。     

基于ADSP-TS101的实时波前处理技术研究

分析了TI和AD公司DSP的优缺点，将ADSP-TS101应用于自适应光学系统实时波前处理．搭建了实验平台。实验结果表明，ADSP-TS101可以进一步提高波前处理的实时性。     

桌面97单元自适应光学系统性能测试

构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统,用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成,分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正,得到了系统的静态校正精度。然后,测试了精密跟踪系统的校正能力。最后,利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件,以成像相机图像的斯特列尔比(SR)为指标,在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示:该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ/20;两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz;系统在强湍流情况下,动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明,97单元自适应光学系统能够有效地校正像差,提高成像分辨率。     

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计

为了提高自适应光学系统科研人员的工作效率,满足自适应光学系统向高低阶多波前校正器的发展需求,本文研究了一套自适应光学系统控制软件设计方法,以适应实验设备的不断更新换代,避免实验过程中软件不断更新修改所带来的问题。本文首先从功能和性能两方面分析了实验对软件系统的需求,提出基础层、功能层及表示层3层的软件架构体系,采用共享内存和临界区对象相结合的软件开发方法,确保自适应光学系统的实时性与准确性,避免资源冲突和浪费;采用Windows API事件实现多线程之间同步协调控制。基于上述思想开发了液晶-变形镜混合的高低阶自适应光学系统控制软件,可在0.6ms内完成波前采集、波前计算、控制信号计算和各设备间的同步协调控制。最后,使用该软件进行自适应光学校正:仅变形镜和倾斜镜校正后峰峰值由3.38μm降为0.95μm,均方根误差由0.66μm降为0.12μm;液晶校正器、变形镜和倾斜镜同时校正后峰峰值为0.44μm,均方根误差为0.02μm,计算总延迟为0.378ms。由实验结果可知,本文设计的软件可以实现自适应光学系统的实时校正,在保证校正精度的同时具有方便修改、功能齐全及模块化的优势,为后续自适应光学实验提供保障。     

大视场液晶自适应视网膜成像系统

设计了大视场眼底自适应成像系统,用于扩大现有视网膜自适应成像系统的视场。对人眼等晕角视场下的自适应像差校正成像进行分析,确定了波前探测与成像校正两个过程对视场的不同要求。在共光源像差探测及成像光学系统中,采用切变视场光阑的方式先后在波前探测和自适应校正成像过程中进行小-大视场切换,避免了大视场中眼波像差探测失真问题,使成像区域由200 μm扩展到500 μm。利用人眼等晕角大视场使眼底液晶自适应成像系统在不降低成像质量的前提下将成像区域扩展了2.5倍,大幅提升了该自适应成像系统在临床上应用的可行性。     

液晶空间光调制器对真实人眼畸变波前的校正研究

目的:本文对一个用于人眼畸变波前探测和校正的自适应光学系统的性能进行测试和研究。方法:沙克-哈特曼波前探测器,高分辨率的液晶空间光调制器分别被用来探测和校正人眼的畸变波前。结果:对近视500度的人眼进行自适应校正后校正精度达到波前残差的均方根误差为0.013个波长（=0.808 nm）。眼底原来模糊的细胞可以被清晰分辨。结论:液晶空间光调制器可以有效校正人眼畸变波前,达到提高成像质量的目的。     

激光为光源的液晶自适应眼底成像系统

摘要：本文介绍了基于液晶波前校正器的模拟人眼眼底自适应成像系统,该系统采用Shark-Hartman波前探测器进行波面探测,将探测所得波前畸变经过计算处理转化为灰度图通过电脑施加到LCOS上进行波面校正,通过校正人眼像差的方式来提高系统成像质量。经过校正后系统波前误差从1.92m降低到0.048m系统分辨率接近70lp/mm已经到达该光学系统衍射极限分辨。     

分块非线性加权在车灯检测仪校准器光轴角测量中的应用

针对传统光轴角测量系统中人为因素干扰导致的重复性能降低等不足,设计一种基于图像处理技术与高精度电控转台相结合的自动测量方案。分析了照明光斑光强分布特性,提出了一种基于图像区域分割的最优非线性加权的特征点提取算法。该方法根据光强与灰度的线性关系,将光强量化到3个区间。然后分析灰度因素在特征点定位中的影响;针对不同区间应用局部最优加权法则以实现局部最优化处理。最后,利用光轴偏转角与特征点在像面上位移的对应关系,计算得到光轴角测量值。开展了光斑特征点重复性实验并分析了光轴角检测精度,结果表明:该系统在不同光强、不同角度条件下重复性好,测角精度优于60.18″。与激光光源的光轴角测量实验对比,该算法在光斑光强分布不均的条件下仍能完成稳定且精确的光轴角测量。     

激光粒度测试中的独立模式反演算法研究

在测量微粒系统的散射光强角分布中计算微粒系统的粒径分布,属于典型的反演问题.反演算法一直是激光粒度仪的关键和难点.介绍了基于米氏散射理论的粒度测试,对其求解方法进行了详细分析.针对独立模式算法不需要预先指定粒径分布函数的形式就可获得真实粒度分布,提出了一种改进的独立模式粒度反演算法,并对算法的性能进行了理论分析和实验论...     

大气光幂雾图像的清晰度复原

针对现有图像去雾方法处理效率低,天空部分处理效果欠佳以及去雾图像视觉效果不理想等问题,提出了一种快速大气光幂去雾算法。提出的算法是对全球环境光值和大气光幂值求取方法的改进。首先,采用高斯低通滤波求取雾气图像低频区,应用循环四分图算法在低频区得到全球环境光值A;其次,采用暗原色优先算法获取初始大气光幂值,结合自适应各向异性高斯滤波处理大气光幂;最后,采用色调调整增强图像细节,使图像逼近于无雾场景。实验结果表明,本文算法能消减图像景深突变处的晕轮效应,亮度、对比度和细节信息处理效果较好,不仅较完整地保留了边缘细节,而且显著提升了处理效率,同时具有较高的鲁棒性和实时性。     

基于遗传算法的结构光条纹中心检测方法

为提高结构光三维信息获取系统的精度,提出了一种激光条纹中心检测算法.该算法基于遗传算法并具有优化图像阈值选取的性能,可以很好地分割激光条纹.利用图像处理和方向模板的方法,在激光条纹的基础上进一步提取激光中心线.实验表明在合理选择遗传算法的交叉率和变异率的情况下,能够准确有效地获取结构光条纹中心,满足系统精度的要求.