[發明專利]一種快速自適應光學控制器的設計方法

在審

• 申請號: 201410682723.4
• 申請日: 2014-11-24
• 公開（公告）號: CN104391466A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 王駿也;王子龍;涂吉;鄭美松;李立健
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 北京博維知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11486
• 代理人: 方振昌

技術領域

本發明涉及自適應光學領域，尤其涉及自適應光學系統中自適應光學控制器的設計方法。

技術背景

光在大氣中傳播的時候，由于大氣的不穩定性和隨機性，會受到氣流擾動，分子吸收，氣體氣溶膠散射等各種影響。從而導致波平面波入射后，從大氣介質射出后得到的是一個隨機曲面的波陣面，直接后果就是使目標在成像設備焦平面的圖像模糊不堪，在各種光學系統中，這都將嚴重影響系統的成像性能。

自適應光學技術目的是有效克服和補償大氣湍流的影響。自適應光學系統利用波前探測器WFS測量成像系統瞳面的射出波面與平面波波面誤差，得到誤差數據后將這些數據轉換成自適應光學系統控制信號，利用這些控制信號對系統的光學特性做實時控制，實時的校正入射光束波前變形，從而達到了補償波前畸變的效果。通過自適應光學技術，物鏡可以得到近似于衍射極限的目標圖像。所以自適應光學技術使我們的光學系統能夠自動的適應外界條件的隨機變化，穩定的保持一個良好的工作狀態。在地對空觀測成像系統，航空航天對地遙感高分辨率成像系統以及高速飛行器成像制導系統中，自適應光學技術都發揮了重要的作用。同時，自適應光學系統不僅適用于望遠鏡以及光學遙感器的高分辨率成像，在激光加工，眼科醫學，航空航天及通信領域也存在著廣闊的應用前景。

自適應光學控制器是一個電子控制器單機，主要實現波前處理的功能，波前處理又分為圖像傳輸、斜率計算、波前恢復和控制運算等步驟。其輸入為CCD相機圖像，輸出為波前矯正器的控制信號，自適應光學控制器有PC接口，接收PC的控制。

自適應光學系統的控制響應時間等于各模塊的處理延時之和。為了獲得更好地控制性能，需要系統的處理時間盡可能少。波前處理的時延為波前斜率計算，波前復原和控制運算時延之和。為了最小化運算時延，需要充分的利用并行化運算技巧。

傳統的自適應光學控制器設計方法，一般采用任務間流水線運算、矩陣并行計算等策略來完成系統任務和改善系統時延。本發明一種自適應光學控制器的設計方法，采用FPGA硬件加速，實現了邊接收邊處理，能實時進行波前處理的計算。該方法快速有效，能顯著改善自適應光學系統的時延。

發明內容

為了進一步改善改善自適應光學系統控制響應的時延問題，本發明提出了一種快速自適應光學控制器的設計方法，在保證準確性與魯棒性的前提下，解決了波前處理計算復雜度高、延時大的問題。

本法明提出的一種快速自適應光學控制器的設計方法，包括以下步驟：

步驟1：CCD相機采集子孔徑的圖像數據，并將該圖像數據傳送至包含FPGA和數字信號處理器的自適應光學的控制系統中；

步驟2：在FPGA中計算子孔徑的像素灰度與子孔徑水平方向坐標的加權和A、像素灰度與子孔徑垂直方向坐標的加權和B、子孔徑像素灰度和H；

步驟3：依據上述A、B、H的值，在數字信號處理器中計算子孔徑圖像質心，并結合正常圖像入射時子孔徑圖像質心，計算得到波前斜率；

步驟4：利用波前斜率，計算波面誤差；

步驟5：波面誤差矩陣計算控制電壓，并發送至自適應光學矯正器；