基于CMOS相机的哈特曼传感器建模优化与仿真研究

发布时间：2017-05-24 14:07

  本文关键词：基于CMOS相机的哈特曼传感器建模优化与仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自适应光学系统是一个涉及光、机、电、算的复杂系统。无论在设计前期还是在使用中都会遇到大量棘手问题。具体而言,在设计前期,会有光学系统器件参数选取的问题,电控系统电路参数设计的问题;在使用过程中,会有系统软硬件或算法更新后,系统性能验证的问题。蒙特卡洛仿真提供了高效和可靠的解决上述问题的办法,并为新系统的设计提供依据。本文将立足于蒙特卡洛仿真的数据源生成过程与仿真平台设计,阐述系统关键仪器哈特曼波前传感器的建模方法并分析数值模拟精度的同时,在前辈工作的基础上提出了相关的优化方法。主要包括:在研究哈特曼传感器数理模型的基础上,根据CMOS图像传感器的特点,对哈特曼传感器子光斑图像生成过程进行更精确的优化仿真建模,详细分析了在考虑填充系数(或占空比)时,利用区域均值的方法计算像素值以逼近实际。针对波前相位起伏,按Kolmogonov功率谱模型对波前相位起伏做出模拟。针对波前传感器成像光斑闪烁现象,按Rytov方差对波前光强起伏做出模拟。以上述模型为依据,获得了较为逼真的系统仿真数据源。仿真平台方面,探索了平台搭建与软硬件设计的基本方法,为将来实时仿真系统的搭建与设计提供依据。目前本文主要完成了对哈特曼传感器的建模优化;以及基于DDR3存储器与光模块为基础的仿真平台硬件设计;初步完成了基于FPGA的主控模块图像存储与流控设计;完成了基于Qt的上位机仿真演示与通信软件编写。
【关键词】：自适应光学 蒙特卡洛仿真 哈特曼波前传感器 仿真平台 FPGA Qt
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(光电技术研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 致谢4-5
• 中文摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 1 引言9-14
• 1.1 自适应光学简介9
• 1.2 自适应光学系统组成及工作原理9-10
• 1.3 本课题研究的背景及意义10-12
• 1.4 本文的研究内容及组织结构12-14
• 2 哈特曼波前传感器14-19
• 2.1 波前传感器简介14-15
• 2.2 CMOS图像传感器15-18
• 2.3 本章小结18-19
• 3 数值建模与仿真优化19-36
• 3.1 波前畸变19-21
• 3.2 哈特曼波前传感器傅立叶光学模型21-22
• 3.3 哈特曼子光斑图像的数值模拟22-25
• 3.4 质心偏移计算误差25-27
• 3.5 CMOS图像传感器像元填充系数对数值模拟的影响27-30
• 3.6 CMOS图像传感器曝光时间对数值模拟的影响30-33
• 3.7 光强分布不均与子光斑闪烁数值模拟的蒙特卡洛方法33-35
• 3.8 本章小结35-36
• 4 仿真验证硬件平台36-43
• 4.1 仿真平台36-37
• 4.2 系统原理及组成37-38
• 4.3 存储模块38-40
• 4.4 SFP光模块40-42
• 4.5 本章小结42-43
• 5 仿真验证平台软件设计43-58
• 5.1 基于FPGA的图像存储与流控设计43-56
• 5.1.1 可编程逻辑器件FPGA43
• 5.1.2 数据采集与串并转换模块43-44
• 5.1.3 输入级流量控制模块44-47
• 5.1.4 DDR3读写控制与寻址模块47-51
• 5.1.5 高速串行数据收发模块51-56
• 5.2 基于Qt的上位机软件设计56-57
• 5.2.1 跨平台应用软件开发工具Qt56
• 5.2.2 上位机软件架构与图形用户界面56-57
• 5.3 本章小结57-58
• 6 系统验证58-59
• 7 总结与展望59-60
• 参考文献60-62
• 附录A62-63
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果63

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本文编号：391025