本文關(guān)鍵詞：太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)實時控制技術(shù)研究

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【摘要】：研究太陽磁場活動產(chǎn)生的機理,獲得整個太陽活動區(qū)的大視場高分辨力圖像對太陽物理學(xué)家而言至關(guān)重要。傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)(CAO)只能在較小的視場內(nèi)改善圖像質(zhì)量,無法滿足大視場高分辨力天文觀測的需求。多層共軛自適應(yīng)光學(xué)(MCAO)是近年來自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一,其基本原理是將湍流的大氣分成若干層,然后對每一層的波前畸變進(jìn)行分層測量和校正,消除大氣湍流對成像系統(tǒng)的影響,從而實現(xiàn)大視場范圍內(nèi)的高分辨力成像。實時控制器是太陽MCAO系統(tǒng)的運算核心。相對于CAO系統(tǒng)而言,其哈特曼波前傳感器的子孔徑數(shù)以及變形鏡的單元數(shù)更多;相對于夜天文MCAO系統(tǒng)而言,其使用的波前斜率探測算法更加復(fù)雜。因此其最大的難點在于大計算量的前提下,實時性的保證。為了動態(tài)補償大氣湍流的變化,幀頻通常要求高達(dá)數(shù)百幀甚至幾千幀每秒,而且要求實時控制器必須在一幀內(nèi)完成相應(yīng)的計算,因而實時性要求非常高。本文主要針對太陽MCAO系統(tǒng)實時控制技術(shù)開展了研究,并且基于FPGA+多核DSP的定制化硬件平臺開展了相應(yīng)算法的并行化實現(xiàn)。首先,論文簡要介紹了大氣的時間和空間統(tǒng)計特性,太陽MCAO的基本理論以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,對太陽MCAO系統(tǒng)的實時控制器的設(shè)計提出了更高的要求。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)MCAO實時處理算法的特點,進(jìn)一步分析了計算量和實時性的需求。其次,根據(jù)計算量和實時性的需求分析,比較了多種并行計算平臺的優(yōu)缺點。通用的多核CPU的優(yōu)點是編程靈活,資源豐富,然而由于系統(tǒng)調(diào)度或者中斷響應(yīng),會引起時間抖動,影響系統(tǒng)性能;多DSP陣列雖然具有很好的實時性,但是對于哈特曼波前傳感器中大量的子孔徑和子區(qū)域圖像,需要使用很多片DSP,這通常會引起非常復(fù)雜的外圍電路設(shè)計。FPGA使用硬件描述語言來定義硬件,可以靈活的并行化處理大量的子孔徑和子區(qū)域圖像,與此同時,多核DSP十分擅長浮點數(shù)運算,尤其是大矩陣的并行優(yōu)化。最終提出了基于FPGA+多核DSP的異構(gòu)計算平臺,并且完成了相應(yīng)算法的映射。然后,針對波前探測,在FPGA中采用了多種并行加速相結(jié)合的方式實現(xiàn)了750倍的硬件加速;針對波前復(fù)原和波前控制,在多核DSP內(nèi)完成了相應(yīng)代碼的并行優(yōu)化,實現(xiàn)了8倍的加速。整體計算延時得到大大的降低,可以滿足實時性需求。最后,針對實際的兩層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),使用了1個37子孔徑的多視線相關(guān)哈特曼波前傳感器(每個子孔徑中選擇5個子區(qū)域),2塊變形鏡(地表層151單元和高層37單元)分別共軛在0 km和2-5 km。在室內(nèi)針對5路激光點源以及在室外針對太陽均開展了相應(yīng)的實驗,實時控制器成功地得到了應(yīng)用,并獲得了室內(nèi)MCAO的點源校正圖像以及太陽地表層自適應(yīng)光學(xué)(GLAO)的校正圖像。實時控制器在800 Hz的相機采樣頻率下獲得了116.2μs的計算延時,系統(tǒng)的0 dB誤差帶寬達(dá)到30Hz。該套實時控制器是首套基于FPGA+多核DSP架構(gòu)的太陽MCAO實時控制器,能夠運行在CAO,GLAO,MCAO三種工作模式下,自由切換,并且具有較好的擴展性和兼容性,升級也十分方便。本課題的研究對于太陽MCAO系統(tǒng)的實現(xiàn)具有重要的研究價值和實際工程指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P182.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1294366