[发明专利]一种千单元级自适应光学系统波前信号处理平台

说明书

技术领域

本发明涉及自适应光学高速波前处理系统，具体是一种千单元级自适应光学系统波前信号处理平台。

背景技术

大型地基望远镜中通常配备自适应光学系统以提高望远镜系统的成像分辨率，为了得到接近衍射极限的分辨率图像，自适应光学系统的校正单元数必须和望远镜的口径相匹配，校正单元数N与望远镜口径D的关系可表示为:

N＝(D/r₀)²        （1）

其中：r0表示大气相干长度，通常为十几厘米。根据式1可知，对于1.8米口径的望远镜，自适应光学系统的校正单元数为150单元左右，对于3~4米口径的望远镜，自适应光学系统的校正单元数则为1000单元左右。

波前信号处理系统是自适应光学系统的一个核心部件，它实时接收波前传感器输入的波前信号，经过一系列信号处理算法后产生变形镜/倾斜镜电压，从实时校正大气湍流误差。由于大气湍流的时间常数较小，自适应光学系统采用的波前传感器必须具备很高的时间采样率，需要研制专用的波前信号处理系统才能保证自适应光学系统的实时校正特性。目前，我国已建成的大型光电望远镜口径均在2.5米以内，而配置了自适应光学系统的望远镜的最大口径为1.8米，因此实际应用的波前信号处理系统均是针对单元数小于150单元的自适应光学系统，例如在1998年12月发表在《光电工程》第25卷增刊的《帧频2900Hz的高速波前处理机》中涉及的波前信号处理平台就是针对61单元自适应光学系统，2010年11月发表在《CHINESE OPTICS LETTERS》的《First light on the 127-element adaptive optical system for1.8-m telescope》中涉及的波前信号处理平台就是针对127单元自适应光学系统。目前，国外多个3米以上的望远镜系统配置了千单元级自适应光学系统以提高成像分辨能力，因此研究千单元级自适应光学系统的波前信号处理势在必行。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的贾建禄申请号为201110128189.9的专利《千单元可扩展自适应光学系统波前处理器》提出了一种针对千单元级自适应光学系统的波前处理器，但是该处理器需要1块波前处理主板，10块波前处理子板和1个波前处理主板才能完成千单元级的波前信号处理，波前处理器的集成度差，故障环节增多，此外该专利涉及的波前处理器无法实现对变形镜电压滤波运算，工程应用性较差。

发明内容

本发明为解决现有波前信号处理平台处理能力低，而已发表的千单元级波前信号处理平台集成度差、故障环节多、工程应用性差的缺点，提出一种千单元级自适应光学系统波前信号处理平台，该信号处理平台采用1个波前误差探测模块、3个复原控制模块和1个监控主机组成，可完成千单元级自适应光学系统的波前信号处理，可实现对变形镜电压滤波运算，本发明具有处理能力强、集成度高、工程应用性好的特点。

本发明采用的技术方案是：一种千单元级自适应光学系统波前信号处理平台，该平台用一个波前误差探测模块完成子光斑的波前斜率探测，并以子孔径行为节拍，将斜率数据通过互连背板上的一套局部总线以广播方式发送到三个复原控制模块，三个复原控制模块组成MIMD阵列机并行完成变形镜驱动器的电压求解和PID控制运算，最后输出三路数字控制电压到变形镜驱动放大系统，三个复原控制模块间通过另一套局部总线实现数据通讯，该平台用一个监控主机通过PCI总线完成对波前误差探测模块和三个复原控制模块的参数加载和信号监控。

其中，所述的波前误差探测模块，包括一个相机数据输入接口、一个图像预处理单元、一个斜率计算单元和一个数据输出接口；所述的相机数据输入接口对波前传感器输入的相机数据进行实时解码并将解码后的数据送到所述的图像预处理单元，所述的图像预处理单元对图像进行基于灰度级的降噪滤波处理，所述的斜率计算单元以一个子孔径行为节拍计算各子光斑相对于标准光源的斜率数据，所述的数据输出接口以一个子孔径行为发送节拍将一行子光斑的斜率数据以广播方式发送到斜率局部总线。

其中，所述的斜率计算单元采用的斜率提取算法可以是质心算法，也可以是基于参考图像匹配的相关算法。