專利名稱：高速波前測量和波前處理一體化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中對波前信息采集、測量、處理和輸出的設(shè)備。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的哈特曼夏克波前傳感器主要由微透鏡陣列和高性能的CCD相機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)對波前信息的采集和測量。采集所得的數(shù)據(jù)并不能直接為用戶所使用，需經(jīng)過波前處理器的處理。由于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中波前處理數(shù)據(jù)量大，實(shí)時性要求高，故大多數(shù)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)需要配置一臺專用的高性能波前處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。故使得整個自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來結(jié)構(gòu)龐大，不便于維護(hù)和使用，智能化程度低，價格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中對波前信息的處理需要配置專用的波前處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，智能化程度低的問題，提供一種高速波前測量和波前處理一體化系統(tǒng)。高速波前測量和波前處理一體化系統(tǒng)包括微透鏡陣列、成像模塊、采集模塊、處理模塊、存儲模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊；所述處理模塊發(fā)送圖像采集命令至采集模塊，采集模塊對成像在成像模塊上的參考波前進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，處理模塊對采集到的參考波前進(jìn)行參考點(diǎn)位置計(jì)算并將該位置信息傳送至存儲模塊，同時計(jì)算控制矩陣存儲在SDRAM中；產(chǎn)生畸變的波前通過微透鏡陣列成像在成像模塊的CXD傳感器上；經(jīng)采集模塊的FIFO芯片傳送到處理模塊，處理模塊采用脈動波前處理算法利用存儲在存儲模塊中的參考點(diǎn)坐標(biāo)和控制矩陣對采集到的畸變波前進(jìn)行圖像預(yù)處理、波前斜率計(jì)算、波前擬合計(jì)算、波前控制計(jì)算后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬輸出量。

本發(fā)明的工作原理:本發(fā)明所述的高速波前測量和波前處理一體化系統(tǒng)主要包括基于哈特曼-夏克波前傳感器的波前測量和基于FPGA的快速波前處理。本發(fā)明通過在透鏡陣列的焦面上測出畸變波前所成像斑的質(zhì)心坐標(biāo)(Xislrot, yispJ與參考波前質(zhì)心坐標(biāo)(xiref, yiref)之差(Axi, Ayi),從而可以求出畸變波前上被各透鏡陣列分割的子孔徑范圍內(nèi)波前的平均斜率K，繼而計(jì)算出全孔徑波前的光程差或相位分布。波前處理的主要流程包括圖像處理、子孔徑斜率計(jì)算、波前復(fù)原、控制運(yùn)算和D/A轉(zhuǎn)換五大部分。其中圖像處理主要包括減背景和閾值分割兩大部分；子孔徑斜率計(jì)算主要完成計(jì)算各子孔徑質(zhì)心，第i個子孔徑的質(zhì)心計(jì)算公式為:》isPot -1j(I)
i i式中Ii是子孔徑內(nèi)坐標(biāo)(Xi，Yi)處的像素灰度值，(Xi，Yi)分別是像素在子孔徑i的X和y方向上的坐標(biāo)。計(jì)算得到的子孔徑質(zhì)心與參考值做差，得到子孔徑斜率。
波前復(fù)原即由波前斜率向量K乘以波前校正矩陣的廣義逆矩陣D+，得到波面誤差E:E=D+XK (2)式中波前校正矩陣D+為nX 2m矩陣，K為2mX I斜率向量。其中η為所需有效促動器數(shù)，m為有效子孔徑數(shù)?？刂七\(yùn)算采用傳統(tǒng)的PI控制運(yùn)算。經(jīng)過控制運(yùn)算計(jì)算所得的控制量再由D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬輸出量。整個波前處理過程中的主要計(jì)算量集中在波前斜率計(jì)算和波前復(fù)原計(jì)算。本發(fā)明采用的基于FPGA的波前斜率計(jì)算和波前復(fù)原計(jì)算。波前斜率計(jì)算實(shí)現(xiàn)如下:像素?cái)?shù)據(jù)Ii首先同時進(jìn)入兩個乘法器，分別算出XiIi和
YiIi ;計(jì)算出的XiI^yiIi和當(dāng)前像素灰度值Ii同時進(jìn)入三個累加器，計(jì)算出
權(quán)利要求
1.高速波前測量和波前處理一體化系統(tǒng)，包括微透鏡陣列、成像模塊、采集模塊、處理模塊、存儲模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊；其特征是，所述處理模塊發(fā)送圖像采集命令至采集模塊，采集模塊對成像在成像模塊上的參考波前進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，處理模塊對采集到的參考波前進(jìn)行參考點(diǎn)位置計(jì)算并將該位置信息傳送至存儲模塊，同時計(jì)算控制矩陣存儲在SDRAM中；產(chǎn)生畸變的波前通過微透鏡陣列成像在成像模塊的CXD上；經(jīng)采集模塊的FIFO芯片傳送到處理模塊，處理模塊采用脈動波前處理算法利用存儲在存儲模塊中的參考點(diǎn)坐標(biāo)和控制矩陣對采集到的畸變波前進(jìn)行圖像預(yù)處理、波前斜率計(jì)算、波前擬合計(jì)算、波前控制計(jì)算后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬輸出量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速波前測量和波前處理一體化系統(tǒng)，其特征在于，還包括通信模塊，用戶通過通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速波前測量和波前處理一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述的通信模塊包括以太網(wǎng)接口、串口和USB接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速波前測量和波前處理一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述采集模塊還包括FIFO芯片，F(xiàn)IFO芯片實(shí)現(xiàn)處理模塊對圖像數(shù)據(jù)讀取緩沖的作用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速波前測量和波前處理一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述成像模塊包括CXD芯片和CXD驅(qū)動電路，CXD驅(qū)動電路向CXD芯片提供驅(qū)動信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速波前測量和波前處理一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述的處理模塊為FPGA。
全文摘要
高速波前測量和波前處理一體化系統(tǒng)，涉及自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域，解決現(xiàn)有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中對波前信息的處理需要配置專用的波前處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，智能化程度低的問題，成像模塊對波前信息的成像。采集模塊針對處理模塊發(fā)出的采集信號進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集，將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳送送至處理模塊進(jìn)行波前處理。對波前信息進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成后端放大器的模擬輸入量通信模塊完成系統(tǒng)與外部的數(shù)據(jù)交互，存儲模塊用于存儲系統(tǒng)運(yùn)行的程序以及實(shí)時處理過程中的配置數(shù)據(jù)和故障診斷過程的診斷數(shù)據(jù)；D/A轉(zhuǎn)換模塊將結(jié)果轉(zhuǎn)換成后端放大器的模擬輸入量。本發(fā)明充分利用圖像數(shù)據(jù)的讀出時間。縮短了波前處理延時，提高了系統(tǒng)的閉環(huán)控制帶寬。
文檔編號G01J9/00GK103217224SQ20131010320
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者賈建祿, 王建立, 趙金宇, 劉欣悅, 王亮 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所