太阳多层共轭自适应光学系统实时控制技术研究

发布时间：2017-12-16 02:26

  本文关键词：太阳多层共轭自适应光学系统实时控制技术研究

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【摘要】：研究太阳磁场活动产生的机理,获得整个太阳活动区的大视场高分辨力图像对太阳物理学家而言至关重要。传统自适应光学(CAO)只能在较小的视场内改善图像质量,无法满足大视场高分辨力天文观测的需求。多层共轭自适应光学(MCAO)是近年来自适应光学领域的研究热点之一,其基本原理是将湍流的大气分成若干层,然后对每一层的波前畸变进行分层测量和校正,消除大气湍流对成像系统的影响,从而实现大视场范围内的高分辨力成像。实时控制器是太阳MCAO系统的运算核心。相对于CAO系统而言,其哈特曼波前传感器的子孔径数以及变形镜的单元数更多;相对于夜天文MCAO系统而言,其使用的波前斜率探测算法更加复杂。因此其最大的难点在于大计算量的前提下,实时性的保证。为了动态补偿大气湍流的变化,帧频通常要求高达数百帧甚至几千帧每秒,而且要求实时控制器必须在一帧内完成相应的计算,因而实时性要求非常高。本文主要针对太阳MCAO系统实时控制技术开展了研究,并且基于FPGA+多核DSP的定制化硬件平台开展了相应算法的并行化实现。首先,论文简要介绍了大气的时间和空间统计特性,太阳MCAO的基本理论以及国内外发展现状,对太阳MCAO系统的实时控制器的设计提出了更高的要求。在此基础上,根据MCAO实时处理算法的特点,进一步分析了计算量和实时性的需求。其次,根据计算量和实时性的需求分析,比较了多种并行计算平台的优缺点。通用的多核CPU的优点是编程灵活,资源丰富,然而由于系统调度或者中断响应,会引起时间抖动,影响系统性能;多DSP阵列虽然具有很好的实时性,但是对于哈特曼波前传感器中大量的子孔径和子区域图像,需要使用很多片DSP,这通常会引起非常复杂的外围电路设计。FPGA使用硬件描述语言来定义硬件,可以灵活的并行化处理大量的子孔径和子区域图像,与此同时,多核DSP十分擅长浮点数运算,尤其是大矩阵的并行优化。最终提出了基于FPGA+多核DSP的异构计算平台,并且完成了相应算法的映射。然后,针对波前探测,在FPGA中采用了多种并行加速相结合的方式实现了750倍的硬件加速;针对波前复原和波前控制,在多核DSP内完成了相应代码的并行优化,实现了8倍的加速。整体计算延时得到大大的降低,可以满足实时性需求。最后,针对实际的两层共轭自适应光学系统,使用了1个37子孔径的多视线相关哈特曼波前传感器(每个子孔径中选择5个子区域),2块变形镜(地表层151单元和高层37单元)分别共轭在0 km和2-5 km。在室内针对5路激光点源以及在室外针对太阳均开展了相应的实验,实时控制器成功地得到了应用,并获得了室内MCAO的点源校正图像以及太阳地表层自适应光学(GLAO)的校正图像。实时控制器在800 Hz的相机采样频率下获得了116.2μs的计算延时,系统的0 dB误差带宽达到30Hz。该套实时控制器是首套基于FPGA+多核DSP架构的太阳MCAO实时控制器,能够运行在CAO,GLAO,MCAO三种工作模式下,自由切换,并且具有较好的扩展性和兼容性,升级也十分方便。本课题的研究对于太阳MCAO系统的实现具有重要的研究价值和实际工程指导意义。
【学位授予单位】：中国科学院光电技术研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P182.2

【参考文献】

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1 Chang-Hui Rao;Lei Zhu;Xue-Jun Rao;Lan-Qiang Zhang;Hua Bao;Xue-An Ma;Nai-Ting Gu;Chun-Lin Guan;Dong-Hong Chen;Cheng Wang;Jun Lin;Zen-Yu Jin;Zhong Liu;;First generation solar adaptive optics system for 1-m New Vacuum Solar Telescope at Fuxian Solar Observatory[J];Research in Astronomy and Astrophysics;2016年02期

2 张兰强;顾乃庭;饶长辉;;大气湍流三维波前探测模式层析算法分析[J];物理学报;2013年16期

3 荣健;丁学科;白宏;李芳;申金娥;王秀;;单双层共轭系统的共轭高度对等晕角的影响[J];强激光与粒子束;2007年09期

4 张晓芳,俞信,阎吉祥;多层共轭自适应光学的进展与展望[J];纳米技术与精密工程;2004年01期

5 王吉福,阎吉祥,俞信;多层共轭自适应光学系统中等晕角的计算[J];光学技术;2004年02期

6 ;A Tilt-correction Adaptive Optical System for the Solar Telescope of Nanjing University[J];Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics;2003年06期

7 阎吉祥,俞信,赵达尊;分层校正自适应光学系统相位层析技术[J];光学技术;1996年05期

8 姜文汉;自适应光学技术进展[J];量子电子学;1991年01期

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本文编号：1294366