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。     

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.     

用脉动阵列实现实时波前复原处理

在自适应光学系统中,波前复原是波前处理中运算量较大的部分,其运算速度直接影响波前处理机的实时性和系统的控制带宽。根据波前复原算法的特点,提出了用脉动阵列实现基于FPGA的实时波前复原处理方法,采用流水和并行处理技术,提高系统的吞吐率;极大地提高了运算速度。该方法实时性强,模块化程度高。     

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.     

基于B样条函数的快速波前复原

从斜率复原波前是夏克-哈特曼波前传感器这一类斜率采样探测器的核心流程.传统的复原算法中,区域法对局部波前的复原效果好,但易受斜率噪声的影响,同时空间分辨率较低;模式法抗噪能力强,但没有精确复原局部波前的能力.本文提出了基于B样条函数的快速复原算法,将波前展开为B样条曲面的线性组合,并将复原问题从斜率最小二乘问题转化为泊...     

本征模波前复原法的初步研究

自适应光学的模式波前复原算法，包括Ｚｅｒｎｉｋｅ模式法，直接斜率法等都存在一定的局限性，本文介绍一种改进的模式法－本征模法，对其构造和应用原则作了叙述，证明了它与直接斜率法的关系，最后以３７单元变形镜为例，进行了实际构造本征模的尝试。     

基于高斯光斑的相关HS波前斜率处理器

大规模自适应光学系统要求哈特曼-夏克波前传感器的子孔径数目巨大,这势必会增加波前斜率提取电路实现的难度.为了在大规模自适应光学系统中进行波前斜率提取,提出了一种相关算法的实现结构,以高斯光斑作为参考模板,通过两次级联滤波完成子孔径光斑之间的相关运算,并得到局部波前斜率.与多通道并行处理的实现结构相比,本文所提出的结构实现的硬件成本不会随着子孔径规模的增大而显著增加,特别适用于大规模自适应光学系统的波前斜率提取.实验结果表明:对于8×8方形排布的哈特曼-夏克波前传感器图像,本文的结构用FPGA内实现,在27 MHz的工作频率下,完成一帧所有子孔径斜率计算的延迟为1.2 μs,均方根误差小于0.02个像素,最大误差不超过0.04个像素,而资源消耗仅仅为925个Slices.本结构能够满足大规模自适应光学系统中波前斜率探测高速实时和高精度要求.     

基于部分岭估计的Zernike模式法人眼波前像差重建

为了提高自适应光学系统中人眼波前像差的重建精度,进而提高自适应光学图像中的点扩散函数重建精度,提出了一种基于部分岭估计的Zernike模式前重建算法。首先,基于Zernike模式波前重建模型,分析了常用的模式系数求解方法;其次,在最小均方误差意义下,将部分岭估计的概念引入到自适应光学系统的波前重建算法中,通过确定最优岭估计参数来改善最小二乘估计的奇异性,从而抑制波前探测中测量误差的进一步被放大;最后,讨论了在波前斜率误差的影响下由两种算法所产生的误差大小。仿真实验结果表明：在波前重建算法中引入部分岭估计可有效减小模式系数的均方误差,相对于奇异值分解法减小了8%~10%,在波前探测测量误差增大的情况下,部分岭估计的波前重建精度要高于最小二乘估计法,有利于自适应光学后期中基于波前探测的图像复原研究。     

直接斜率法复原矩阵误差分析

利用范数理论,对直接斜率法中的复原矩阵误差进行了理论分析,认为直接斜率法中的探测噪声和测试传递矩阵的电压矩阵是影响复原电压误差大小的主要因素.在61单元自适应光学系统中噪声相同的情况下,对用Hadamard模式和单位矩阵模式这两种模式得到复原矩阵的方法进行了仿真,并用这两个复原矩阵去校正像差,得到了两个残差波面.通过比较这两个残差波面,得出在相同的噪声条件下,用Hadamard模式得到的复原矩阵有较小误差.     

弱光61单元自适应光学系统的校正有效性分析

基于Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式模式复原原理,分别就光学系统静态误差和大气湍流扰动引起的动态波前误差两种情况,定义了静态模式因子和动态模式因子两个变量,用来分析弱光６１单元自适应光学系统的校正有效性。     

BICGSTAB算法在波前重构和控制中的应用

自适应光学波前重构和控制对精度和实时性的要求很高。BICGSTAB算法可用于非正定对称的线性系统方程的求解,并且速度快、精度高,稳定性好。基于Fried网格,提出将BICGSTAB算法引入自适应光学波前重构和控制系统方程的求解,并与SVD以及几种常见的迭代算法(Jacobi,Seidel,SOR以及SSOR)作比较。仿真结果表明,对于121阶系统,BICGSTAB法达到0.01%精度仅仅需要不到70次的迭代;SVD法达到0.01%需要近300次;四种常见迭代方法即使104次也没有收敛。这说明BICGSTAB具有更高的速度和精度,能够更好地满足自适应光学系统实时性和精度的需要。     

Adaptive Control of a Micromachined Continuous Membrane Deformable Mirror for Aberration Compensation

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＡｃｔｉｖｅｍｉｒｏｒｓａｒｅｉｎｄｉｓｐｅｎｓａｂｌｅｅｌｅｍｅｎｔｓｆｏｒａｄａｐｔｉｖｅｏｐｔｉｃｓ［１］．Ｒｅｃｅｎｔａｄｖａｎｃｅｓｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｍｅｍｂｒａｎｅｄｅｆｏｒｍａｂｌｅｍｉｒｏｒ（...     

利用Zernike多项式对湍流波前进行波前重构

分析了利用Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式进行波前重构时模式耦合与混淆产生的原因，以及模式耦合与混淆对受大气湍流影响的光学波前进行波前重构的精度和稳定性的影响。取除去平移的前６５项Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式构造湍流波前。针对６１单元自适应光学系统的波前传感器子孔径布局进行仿真，通过比较Ｎｓ不同取值时的湍流波前重构精度和稳定性，得出了该条件下Ｎｓ的最佳取值。     

基于MEMS技术的自适应光学系统的研究

用自适应光学系统来校正由大气湍流等产生的波前畸变,能够得到很好的效果.通过对自适应光学系统的工作原理进行研究,提出了一种基于MEMS技术的微小型自适应光学系统校正波前畸变的方法,将MEMS技术应用于变形反射镜,并构建了具体的实验平台,用来校正一种人为产生的波前畸变,且阐述了具体的实验过程.实验结果表明,基于MEMS技术的自适应光学系统能够很好地闭环校正波前畸变,且其体积小、质量轻、校正性能稳定,为自适应光学技术在星载相机上的应用提供了依据.     

High-resolution retinal imaging with micro adaptive optics system

Based on the dynamic characteristics of human eye aberration, a microadaptive optics retina imaging system set is established for real-time wavefront measurement and correction. This paper analyzes the working principles of a 127-unit Hartmann-Shack wavefront sensor and a 37-channel micromachine membrane deformable mirror adopted in the system. The proposed system achieves wavefront reconstruction through the adaptive centroid detection method and the mode reconstruction algorithm of Zernike polynomials, so that human eye aberration can be measured accurately. Meanwhile, according to the adaptive optics aberration correction control model, a closed-loop iterative aberration correction algorithm based on Smith control is presented to realize efficient and real-time correction of human eye aberration with different characteristics, and characteristics of the time domain of the system are also optimized. According to the experiment results tested on a USAF 1951 standard resolution target and a living human retina (subject ZHY), the resolution of the system can reach 3.6?LP/mm, and the human eye wavefront aberration of 0.728λ (λ=785?nm) can be corrected to 0.081λ in root mean square (RMS) so as to achieve the diffraction limit (Strehl ratio is 0.866), then high-resolution retina images are obtained.     

弱光61单元自适应光学系统的控制优化

在自适应光学系统中,波前校正残误差主要由未完全补偿湍流所引起的误差和系统闭环噪声组成。基于一阶比例－积分控制器分析了弱光６１单元适应光学系统的控制特性。在此基础上风云地非Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ湍流情况,提出一种根据实际测量的大气湍流波前扰动功率谱来确定系统,针对非Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ湍流情况,提出一根据实际测量的大气湍流波前扰动功率谱来确定系统最优控制带宽的新方法。应用这种方法对弱光６１单元自适应光     

Optimal modal fourier-transform wavefront control

Optimal modal Fourier-transform wavefront control combines the speed of Fourier-transform reconstruction (FTR) with real-time optimization of modal gains to form a fast, adaptive wavefront control scheme. Our modal basis is the real Fourier basis, which allows direct control of specific regions of the point-spread function. We formulate FTR as modal control and show how to measure custom filters. Because the Fourier basis is a tight frame, we can use it on a circular aperture for modal control even though it is not an orthonormal basis. The modal coefficients are available during reconstruction, greatly reducing computational overhead for gain optimization. Simulation results show significant improvements in performance in low-signal-to-noise-ratio situations compared with nonadaptive control. This scheme is computationally efficient enough to be implemented with off-the-shelf technology for a 2.5 kHz, 64 x 64 adaptive optics system.     

Cumulative Reconstructor: fast wavefront reconstruction algorithm for Extremely Large Telescopes

The Cumulative Reconstructor (CuRe) is a new direct reconstructor for an optical wavefront from Shack-Hartmann wavefront sensor measurements. In this paper, the algorithm is adapted to realistic telescope geometries and the transition from modified Hudgin to Fried geometry is discussed. After a discussion of the noise propagation, we analyze the complexity of the algorithm. Our numerical tests confirm that the algorithm is very fast and accurate and can therefore be used for adaptive optics systems of Extremely Large Telescopes.