基于FPGA技术的波前斜率处理方法

以61单元自适应光学系统中的高速实时波前处理机为例，分析了传统基于DSP的波前斜率处理方法的优缺点，提出了一种基于FPGA技术，采用单像素控制的新型波前斜率处理方法，该方法可以使得波前斜率处理机的实时性更强，体积更小，并能适用于不同子孔径布局和不同子孔径数的自适应光学系统。     

直接斜率波前复原算法的控制效果分析

建立自适应光学系统功率谱抑制函数的概念，分析了采用直接斜率波前复原算法的自适应当光学系统的控制效果，理论分析与６１单元自适应光学系统上的实验结果表明，直接斜率波前复原算法将导致控制效果下降。     

波前斜率探测的线性预防方法

由于自适应光学技术校正大气湍流有一定的延迟时间，这将降低系统的校正性能，主要表现为波前斜率探测的采样率不足，使得系统的带宽有限而不能补偿有定功率谱的湍流大气。研究了两种工作方式下的线笥预防方法，结果显示，如果采用线性预防方法，在同样的延时条件下，可以减小波前斜率的ＭＳＥ误差（由延时引起）约３０％。     

波前斜率探测的线性预测方法

由于自适应光学技术校正大气湍流有一定的延迟时间 ,这将降低系统的校正性能 ,主要表现为波前斜率探测的采样率不足 ,使得系统的带宽有限而不能完全补偿有一定功率谱的湍流大气。研究了两种工作方式下的线性预测方法 ,结果显示 ,如果采用线性预测方法 ,在同样的延时条件下 ,可以减小波前斜率的 MSE误差 (由延时引起 )约 30 %。     

大气湍流畸变波前斜率的稀疏分解

利用压缩感知技术对大气湍流波前探测数据进行压缩,可使测量数据量大幅度减少,能有效降低数据的传输与存储压力,有利于湍流波前的实时测量;但压缩条件要求波前信号是稀疏的或在某个变换域内能够稀疏表示。本文对大气湍流波前斜率信号的稀疏性进行了初步研究,基于大气湍流的统计特性,在频域内对湍流功率谱作黄金分割采样(GS),建立符合大气湍流斜率物理特征的稀疏基,明确了湍流波前斜率的稀疏性。利用该GS稀疏基对波前斜率进行稀疏分解,并通过仿真实验对比了不同稀疏基对波前斜率的稀疏分解效果。在此基础上,以GS基作为训练基的初始化字典,进行K奇异值分解字典训练(KSVD),得到训练基(KSVD-GS),分析了该训练基对波前斜率信号的稀疏表示性能。本文验证了波前斜率能够稀疏分解,建立了一个较好的稀疏基,为压缩感知的应用提供了前提基础。

     

提高Hartmann波前传感器质心探测精度的阈值方法

详细地讨论了Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传感器质探测的误差来源。主要讨论了光量子起伏、ＣＣＤ的背影电子噪声引起的质心探测误差，并对采样阈值对Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传感器质心探测精度的影响进行了分析。本文对Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传器的经设计以及实际操作提供了一定的理论依据。     

基于控制流的实时波前复原脉动阵列

波前复原算法是自适应光学波前信号处理的中枢部分.针对波前复原算法计算量大、算法简单规则的特点,本文研究了波前复原部分的并行算法以及复原矩阵的子孔径行系数簇变换和循环矩阵分解法,同时建立了基于控制流的波前复原脉动阵列.针对一套128单元自适应光学系统,进行了基于控制流波前复原脉动阵列和传统复原脉动阵列的实验研究,实验结果表明基于控制流的波前复原脉动阵列在实时性上略逊于传统脉动复原阵列,资源占用仅为传统脉动复原阵列的几十到几百分之一.     

一种Hartmann-Shack波前传感器图像的自适应阈值选取方法

在Hartmann-Shack波前传感器中，图像阈值的选取对质心探测精度有效大的影响。根据模式识别理论，提出一种适用于Hartmann-Shack波前传感器图像阈值选取的新方法——基于类别方差的自适应门限方法。实验结果表明，本方法在Hartmann-Shack波前传感器图像信噪比大于3时，能够比较有效地自动选取每帧图像的阈值。     

基于脉动阵列的自适应光学实时波前处理机设计

针对自适应光学系统对波前处理机高计算量、高实时性的要求,本文提出了一种基于脉动阵列的自适应光学实时波前处理方法.该方法将脉动阵列的概念引入波前处理机设计,完成了波前斜率计算、复原运算和控制运算向脉动阵列的映射,合理地建立了数据的深度流水线,同时分析了以FPGA技术实现时系统的计算延时.对于48个子孔径,61单元的自适应光学系统,以一片Xilinx Virex-Ⅱ XC2V3000芯片实现了基于脉动阵列的实时波前处理机,实验测得计算延时仅8.6μs,结果表明该方法能极大地提高系统的实时性,集成度、通用性和扩展性.     

用于21单元H—S波前传感器的自适应光学波前信号处理机

需要处理的数据量大要求处理的速度快，是应用于Ｈ－Ｓ波前传感器的自适应光以前信号处理机的主要特点。本文完成了利用ＴＭＳ３２０Ｃ２５作为处理器，应用于２１单元Ｈ－Ｓ波前传感器的实时波前信号处理的研制。该系统完成对Ｈ－Ｓ波前传感器输出的高帧频图象信号的采集、处理、并计算出波前校正所需的控制信号，处理速度不低于２５０帧／秒。     

基于绝对差分算法的相关HS波前处理机设计

在太阳自适应光学系统中,通常采用绝对差分或者互相关因子算法进行哈特曼波前探测.本文给出了一种基于绝对差分算法的相关HS(Hartmann-Shack)波前处理机的设计结果.针对子孔径阵列呈6×6方形排布,单个子孔径大小为32 pixels×32 pixels,参考模板大小为16 pixels×16 pixels的相关HS渡前传感器,采用绝对差分算法在单片FPGA内实现了对波前的实时处理.实验结果表明,该处理机峰值运算量超过230亿次/s,系统延时120μs,能够满足1 000 Hz的CCD采样要求.本设计在单片FPGA内实现,具有成本低、易维护、集成度高的特点.     

基于NiosⅡ的动态称重控制器实现

介绍了一种新的称重控制器的实现方案,它以NiosⅡ软核处理器为核心,可以降低成本;并利用C2H工具将数据处理算法变成硬件加速电路,提高处理器的处理速度,使系统误差小于0.2%。最后,采用Altera公司的EP2C8芯片上实现了这种设计方案。     

基于FPGA＋多DSP的JPEG2000星载遥感图像压缩实现方案

为了满足星载遥感图像压缩的实时性需求,以及最大程度地发挥硬件功效,提出了一种高效的JPEG2000星载遥感图像压缩实现方案.借助流水线和SPMD(Single Program Multiple Data)并行思想,建立了JPEG2000压缩算法实现方案的体系结构,并搭建了基于FPGA和4 DSP的硬件平台.FPGA与4个DSP以独立方式通过EMIF接口相连,数据传输基于抢先式控制;为了便于对DSP调试和管理,4个DSP的仿真接口串成JTAG链结构;为了降低硬件复杂度以及加快DSP的引导速度,设计了HPI并行引导方法.     

基于分布源边界点法的近场声全息技术

分布源边界点法是一种新型的声辐射数值计算方法,通过分布在振动体内部一系列的特解源间接地构造出声源与声场之间的传递矩阵,从而有效地避开了采用边界元法求解声辐射问题时所存在的复杂的变量插值、奇异积分的处理、特征波数处解的非唯一性等问题.本文首先建立了分布源边界点法实现近场声全息变换的模型,并提出采用Tikhonov正则化方法稳定重建过程,抑制了重建误差的影响,随后通过实验研究进一步验证了文中方法的可行性和正确性.     

基于参考点和差分变异策略的高维多目标冷轧负荷分配

为提高高维多目标进化算法收敛精度,分析了参考点及2个差分变异策略的特性,提出了RN2-DE算法改进变异策略,用以替代高维进化算法R-NSGA-II的变异策略。4维函数DTLZ2的实验结果表明,所提算法收敛精度得到明显改善。通过等功率裕量、最小轧制功率、预防打滑、末机架板形良好4个目标函数建立冷轧负荷分配的高维多目标优化问题,并使用所提算进行优化。     

自适应光学系统SPGD控制算法的FPGA硬件实现

针对随机并行梯度下降(SPGD)算法实时性强,同时具有一定的灵活性的要求,本文提出了一种基于FPGA的SPGD算法硬件实现方法.该方法首先划分了各功能模块,然后对关键模块进行了实时化处理,并使用"流水线"和RAM技术设计了可升级和扩展的变形镜控制模块.最后将该算法实现并应用到6l单元自适应光学激光实验中,结果表明本文的设计可使用不同的性能指标实现变形镜的SPGD算法闭环控制,并能同时完成倾斜镜的控制,达到了实时性和灵活性的要求.     

短时傅里叶变换的FPGA实现及其应用

针对机械设备实时监控中信号处理的需要,在研究短时傅里叶变换Goertzel递推算法与该算法滤波器结构的基础上,提出一种基于FPGA（Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列）的短时傅里叶变换实现方案,该方案充分利用FPGA嵌入式RAM资源、嵌入式乘法器及其灵活的IP Core功能。通过对仿真信号与实际工程信号的测试,验证了该方案的正确性。     

A Reference Infrasound Source with Low Distortion Based on Laser Pistonphone Technology

For safety protection from infrasound and its metrology, a reference infrasound source was developed on the basis of the laser pistonphone technique. The electromagnetic vibrator was made based on the technology of air bearings and a displacement feedback system. The air bearings reduce the damping of the vibrator, and the displacement feedback system could effectively control the distortion of the pistonphone. Through the displacement of the piston measured by a laser interferometer, the sound pressure could be calculated. In the meantime, the sound pressure was measured by a LS1P microphone with the reciprocity calibration results. The test results show that the difference between the measured pressure and the calculated one is no more than 0.01 dB from 5 to 20 Hz and the total distortion of the sound pressure at 124.0 dB is less than 0.7 % from 1 to 20 Hz.