本文關(guān)鍵詞：基于互相關(guān)因子算法的太陽(yáng)自適應(yīng)光學(xué)波前實(shí)時(shí)處理技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 太陽(yáng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng) 波前處理 互相關(guān)因子算法 并行運(yùn)算

【摘要】：為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)高分辨力成像觀測(cè),目前國(guó)際上已經(jīng)建成和正在建設(shè)的大口徑太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡均配備了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。太陽(yáng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),利用太陽(yáng)黑子或米粒等低對(duì)比度擴(kuò)展目標(biāo),對(duì)地球大氣湍流引起的波前畸變進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)并加以實(shí)時(shí)補(bǔ)償,獲取太陽(yáng)高分辨力圖像。與夜天文自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)相比,白天太陽(yáng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)采用相關(guān)算法,系統(tǒng)帶寬和探測(cè)幀頻要求都更高,對(duì)波前處理機(jī)的實(shí)時(shí)處理也提出了更加嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)太陽(yáng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的需求,主要開展基于互相關(guān)因子算法的高速波前實(shí)時(shí)處理技術(shù)研究,滿足系統(tǒng)大運(yùn)算量、高幀頻條件下的實(shí)時(shí)性要求。本文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:針對(duì)37單元低階太陽(yáng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),設(shè)計(jì)了基于FPGA+DSP硬件架構(gòu)的波前實(shí)時(shí)處理系統(tǒng),首次利用互相關(guān)因子算法實(shí)現(xiàn)了波前斜率的準(zhǔn)確計(jì)算。系統(tǒng)首先從圖像傳感器中讀出圖像數(shù)據(jù),然后在FPGA中對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算得到整像素的斜率,最后將整像素斜率傳入DSP進(jìn)行插值運(yùn)算獲得亞像素精度結(jié)果。在系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程中,充分利用了FPGA的并行計(jì)算特點(diǎn)和資源優(yōu)勢(shì),采用3種并行加速技術(shù)以提高系統(tǒng)的計(jì)算速度和性能。互相關(guān)因子流水線,二維脈動(dòng)陣列以及多通道并行處理架構(gòu)等并行加速技術(shù)的采用是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。通過(guò)室內(nèi)點(diǎn)源目標(biāo)和擴(kuò)展源目標(biāo)的正弦擾動(dòng)實(shí)驗(yàn),對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)波前斜率計(jì)算的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)?zāi)M37單元低階太陽(yáng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),夏克哈特曼波前傳感器子孔徑按照7×7方形排布進(jìn)行波前處理,有效子孔徑數(shù)為30。子孔徑圖像分辨率為24×20像素,參考圖像分辨率為12×10像素,探測(cè)相機(jī)幀頻為2000 Hz。一行子孔徑的計(jì)算延遲為19μs,完成全部7行子孔徑的計(jì)算延遲為163μs。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該波前實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)能夠正確計(jì)算點(diǎn)源和擴(kuò)展源目標(biāo)的斜率并且滿足延時(shí)要求。本課題研究對(duì)于太陽(yáng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有重要的研究?jī)r(jià)值和實(shí)際工程意義。
【關(guān)鍵詞】：太陽(yáng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng) 波前處理 互相關(guān)因子算法 并行運(yùn)算
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH751
【目錄】：

• 致謝3-4
• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 前言9-24
• 1.1 自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)9-13
• 1.1.1 波前傳感器10-11
• 1.1.2 波前控制器11-12
• 1.1.3 波前校正器12-13
• 1.2 太陽(yáng)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)13-14
• 1.3 相關(guān)跟蹤算法14-16
• 1.3.1 絕對(duì)差分算法15-16
• 1.3.2 互相關(guān)因子算法16
• 1.4 太陽(yáng)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)16-17
• 1.5 太陽(yáng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀17-23
• 1.5.1 美國(guó)DST望遠(yuǎn)鏡的AO-76 系統(tǒng)17-18
• 1.5.2 麥克梅斯.皮爾斯太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的AO系統(tǒng)18-19
• 1.5.3 瑞典Swedish Solar Telescope的AO系統(tǒng)19
• 1.5.4 德國(guó)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡VTT和GREGOR19-20
• 1.5.5 美國(guó)正在研制階段的ATST20-22
• 1.5.6 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展22-23
• 1.6 小結(jié)23-24
• 2 本文主要研究?jī)?nèi)容和組織架構(gòu)24-25
• 2.1 本文主要研究?jī)?nèi)容24
• 2.2 本文組織架構(gòu)24-25
• 3 可編程邏輯器件FPGA及其并行加速算法25-28
• 3.1 FPGA簡(jiǎn)介25
• 3.2 并行加速技術(shù)簡(jiǎn)介25-28
• 3.2.1 流水線技術(shù)25-26
• 3.2.2 并行通道技術(shù)26
• 3.2.3 脈動(dòng)陣列技術(shù)26-28
• 4 互相關(guān)因子算法波前斜率提取系統(tǒng)設(shè)計(jì)28-54
• 4.1 系統(tǒng)總概述28-30
• 4.2 圖像預(yù)處理30
• 4.3 波門模塊30-32
• 4.4 乒乓緩存32
• 4.5 并行加速算法在FPGA中的應(yīng)用32-49
• 4.5.1 互相關(guān)因子流水線33-39
• 4.5.2 脈動(dòng)陣列39-47
• 4.5.3 并行通道處理架構(gòu)47-49
• 4.6 互相關(guān)因子算法結(jié)果尋優(yōu)49-52
• 4.7 FPGA+DSP的斜率提取硬件架構(gòu)52
• 4.8 小結(jié)52-54
• 5 室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)54-66
• 5.1 系統(tǒng)調(diào)試簡(jiǎn)介54-56
• 5.1.1 邏輯驗(yàn)證階段54
• 5.1.2 靜態(tài)模擬數(shù)據(jù)硬件驗(yàn)證階段54-55
• 5.1.3 動(dòng)態(tài)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)階段55-56
• 5.2 點(diǎn)源目標(biāo)正弦擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)56-61
• 5.3 擴(kuò)展源目標(biāo)正弦擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)61-65
• 5.4 系統(tǒng)計(jì)算延遲65-66
• 6 總結(jié)和展望66-68
• 6.1 本文的主要研究?jī)?nèi)容總結(jié)66
• 6.2 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)66
• 6.3 展望66-68
• 參考文獻(xiàn)68-73
• 作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果73-7

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