[發明專利]基于FPGA的自適應光學SPGD控制算法的實現方法

有效

• 申請號: 201911424233.3
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111103686B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 楊慧珍;吳陽;徐奇;龔成龍
• 申請（專利權）人: 江蘇海洋大學;江蘇省海洋資源開發研究院（連云港）
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G06F17/16;G06F17/15;G06F7/58;G06T5/00
• 代理公司: 連云港潤知專利代理事務所 32255
• 代理人: 劉喜蓮

1.一種基于FPGA的自適應光學SPGD控制算法的實現方法，其特征在于，其步驟如下：

(1)生成隨機擾動電壓模塊：產生多組偽隨機序列，在FPGA中將每一組序列乘以擾動電壓并添加相應的符號，生成正擾動和負擾動；

(2)性能指標的計算：選取遠場光斑的平均半徑MR-Mean Radius作為性能指標函數，

其中(x₀,y₀)是光斑的質心；I(x,y)表示對應坐標(x,y)處的像素灰度值；光斑的ROI區域是N×N，所以x,y∈[1,N]；

(3)計算變形鏡電壓控制模塊：根據公式u⁽ⁿ⁺¹⁾＝u⁽ⁿ⁾-γΔu⁽ⁿ⁾ΔJ⁽ⁿ⁾計算控制電壓，性能指標函數MR往極小值方向優化，γ取正值；

采用以下步驟實現SPGD控制算法：

(一)生成隨機擾動電壓模塊：

1.1.預處理部分，借助Matlab軟件，利用rand函數生成若干組若干路偽隨機序列，由0,1組合而成；將生成的若干組97路偽隨機序列存儲備用；

1.2.以其中一組偽隨機序列為例計算正負擾動，將這組偽隨機序列讀取并存儲到FPGA的ROM核中；設置計數器cnt，并將cnt作為地址位讀取保存在ROM里面的偽隨機序列，cnt等于0時，對應的是若干路偽隨機序列的第1個值，依次類推；

1.3.計數器cnt的數值與若干路偽隨機序列的對應關系中設Q表示從ROM里面讀取的隨機序列，cnt等于0時，對應的Q會在cnt等于2的時候輸出；

1.4.Q等于0時，對應的擾動為1，Q等于1時對應的擾動為-1，有多少路偽隨機序列就有多少個1，-1的隨機組合；由于要先判斷Q的值，所以對應的d值會延遲，借助一定的輔助信號，確定兩個點劃線之間的d為所需要的所有若干路隨機擾動，擾動幅度為1；

1.5.在步驟1.4的基礎上，將d乘以200，得到dv1即正擾動；200就是擾動幅度，擾動幅度定義為后10位是小數位的二進制定點小數，所以200對應的實際擾動幅度為0.1953；

1.6.在dv1的基礎上每個擾動加上負號得到數據dv2即負擾動；

(二)性能指標的計算：

2.1.采集圖像數據，光斑圖像的灰度值，ROI區域為N×N，由于圖像數據是串行傳輸到FPGA內部的，所以計算之前需要進行矩陣恢復；以地址位作為判斷條件將圖像數據恢復成N×N的矩陣形式；

2.2.計算質心，質心的公式是根據公式質心的計算按以下步驟進行計算：

(2.2.1)按照公式(2)(3)計算坐標值與之對應的灰度值的乘積：

式中向量X₁表示的是橫坐標1與矩陣第1行的所有元素即圖像灰度值的乘積，依次類推，向量X₂～X_N表示的都是橫坐標與其對應的所有元素的乘積；向量Y₁表示縱坐標1與矩陣第1列的所有元素的乘積，依次類推，向量Y₂～Y_N表示的都是縱坐標與其對應的所有元素的乘積；

(2.2.2)將向量X₁～X_N內的所有元素相加得到公式∑_x,yxI(x,y)的計算結果為sun_X_i，將向量Y₁～Y_N內的所有元素相加得到公式∑_x,yyI(x,y)的計算結果為sun_Y_i；

(2.2.3)將矩陣所有元素相加得到公式∑_x,yI(x,y)的計算結果為sun_q；

(2.2.4)利用除法IP核進行兩次除法運算，被除數為sun_X_i，除數為sun_q得到質心坐標x₀，被除數為sun_Y_i，除數為sun_q得到質心坐標y₀；

2.3.計算MR的分子式中I(x,y)表示的坐標為(x,y)的灰度值，性能指標函數MR分子分步計算的具體計算過程如下：

(2.3.1)根據時鐘Clk生成另一個時鐘SCLK，SCLK是時鐘Clk的N分頻，SCLK時鐘的1個周期包含N個Clk時鐘周期；

(2.3.2)以Clk為時序，設計y_cnt計數器，計數器從0開始計數，Clk的上升沿觸發，計數器加1，當計數到N時，y_cnt從0開始重新計數；以SCLK為時序，設計x_cnt計數器，計數器從0開始計數，當計數到N時，停止計數；兩個計數器主要是為了對矩陣元素即圖像灰度值進行定位，x_cnt定位橫坐標，y_cnt定位縱坐標，矩陣的橫坐標x等于x_cnt的數值加上1，矩陣的縱坐標y等于y_cnt的數值加上1；

(2.3.3)計算(x-x₀)²-(y-y₀)²，先計算x-x₀，y-y₀，然后按照公式(x-x₀)×(x-x₀)-(y-y₀)×(y-y₀)計算，運算結果會延遲1個時鐘周期輸出；

(2.3.4)計算將(3)計算出的結果輸入開方IP核，延遲一個時鐘周期輸出運算結果sqr_q；綜合(2.3.3)和(2.3.4)計算過程，時鐘共延遲了2個時鐘周期；

(2.3.5)按照時鐘Clk的時序，設置計數器address，開始計數的使能信號和y_cnt計數器保持一致，address計數器的功能是從ROM核中讀取圖像灰度值；從地址位address的發出，到輸出數據有兩個時鐘周期的延遲，address等0的圖像灰度值，會在address等于2的位置被讀出；由于address計數器和y_cnt計數器的關系，address等0的位置定位是x_cnt等于0，y_cnt等于0，輸出的灰度值定位在x_cnt等于0，y_cnt等于2；

(2.3.6)公式的計算結果和坐標為(x,y)的灰度值是兩個完全同步的信號，可以直接將兩個結果相乘，完成公式的計算過程；得到的結果記為向量sqr_x₁；(2.3.7)按照上述的計算過程可以算出第2行至第N行的所有的結果sqr_x₂～sqr_x_N，然后所有向量里面的元素結果相加得出的結果是MR的分子；

2.4.將步驟(2.3.7)計算的結果與矩陣所有元素即圖像灰度值的和相除，計算得到MR；

(三)變形鏡控制電壓的計算：

變形鏡控制電壓的計算公式為:u⁽ⁿ⁺¹⁾＝u⁽ⁿ⁾-γΔu⁽ⁿ⁾ΔJ⁽ⁿ⁾，式中γΔu⁽ⁿ⁾ΔJ⁽ⁿ⁾為梯度估計，γ為增益系數，Δu⁽ⁿ⁾為隨機擾動，ΔJ⁽ⁿ⁾為性能指標的變化量性能指標函數MR是往極小值方向尋找最優解，所以當Δu⁽ⁿ⁾與ΔJ⁽ⁿ⁾的符號一致時，減梯度估計結果，當Δu⁽ⁿ⁾與ΔJ⁽ⁿ⁾的符號相反時，加梯度估計結果；

按照公式(4)實現變形鏡控制電壓的計算：

u⁽ⁿ⁺¹⁾＝u⁽ⁿ⁾-γΔu⁽ⁿ⁾ΔJ⁽ⁿ⁾ (4)

式中：γ為增益系數取正值；

具體步驟如下：

3.1.正擾動施加至變形鏡后，采集圖像數據，利用性能指標函數計算模塊計算性能指標函數MR，記為MR₁；負擾動施加至變形鏡后，采集圖像數據，利用性能指標函數計算模塊計算性能指標函數MR₂；

3.2.計算性能指標函數的變化量ΔMR＝MR₁-MR₂；

3.3.計算梯度；

3.4.按照公式(4)，計算控制電壓，將公式轉化為u⁽ⁿ⁺¹⁾＝u⁽ⁿ⁾-Asign(Δu⁽ⁿ⁾)ΔJ⁽ⁿ⁾,其中A表示的是增益系數和隨機擾動幅度的乘積，sign(Δu⁽ⁿ⁾)等于正負1；

3.5.計算完成控制電壓后，加上第n+1次的隨機擾動電壓，然后再將控制電壓輸出至變形鏡，采集圖像數據；減去第n+1次的隨機擾動電壓，然后再將控制電壓輸出至變形鏡，再次采集圖像數據。