高速波前处理算法的FPGA实现

发布时间：2021-10-04 21:19

　　大气湍流会使在大气中传播的光波波前发生波平面任意畸变、强度随机抖动和光束扩散等现象,从而影响观测系统的成像质量,自适应光学波前处理技术可以很好地克服这些问题。自适应光学系统由波前传感器、波前处理器和波前校正器三部分组成,其中波前处理器必须完成大量实时运算,对处理速度有着极高的要求,本论文主要研究高速波前处理算法在FPGA （Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列）中的实现。首先,论文介绍了白适应光学系统的组成、发展以及应用,并阐述了波前处理算法的原理与内容。波前处理算法主要包括图像预处理、波前斜率计算、波前复原和波前控制运算四个部分,图像预处理完成波前图像去噪,波前斜率计算用于获取光波波前的质心偏移量,波前复原再将质心偏移量转化为波前误差信息,波前控制运算根据波前误差信息计算波前控制信号。其次,论文给出了完全基于FPGA平台的高速波前处理解决方案。参数定标和帧格式设计完全根据算法的要求和系统的实际情况制定,算法程序整体采用模块化设计降低各部分之间的耦合度,便于集成与调试,各模块之间大量采用流水结构,减少处理单帧波前的时钟数。最后,论文将基于FPGA... 

【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：73 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 自适应光学系统的诞生与发展
    1.2 自适应光学系统的原理与组成
        1.2.1 波前传感器
        1.2.2 波前校正器
        1.2.3 波前处理器
    1.3 自适应光学的应用
    1.4 自适应光学在中国的发展
    1.5 论文的研究背景和主要内容
    1.6 论文的组织结构
第二章 高速波前处理算法
    2.1 图像去噪
    2.2 波前斜率计算
        2.2.1 记录最亮值点
        2.2.2 计算实际质心点
        2.2.3 通过质心偏移求斜率元素
        2.2.4 减去平均值
    2.3 波前复原
        2.3.1 区域法
        2.3.2 直接波前斜率法
        2.3.3 泽尼克模式法
    2.4 波前控制运算
    2.5 算法的计算量分析
    2.6 本章小结
第三章 高速波前处理系统的方案设计
    3.1 处理对象与技术难点
    3.2 相机与波前图像采集
    3.3 主要计算平台的选择
    3.4 软件实现框架与芯片选型
    3.5 高速波前处理系统的总体框图
    3.6 上位机
    3.7 DA
    3.8 算法的参数定标
    3.9 系统各部分的接口
        3.9.1 下位机与上位机的接口
        3.9.2 DSP与FPGA的接口
        3.9.3 两块FPGA之间的接口
    3.10 数据格式
        3.10.1 回传图像帧格式
        3.10.2 参考质心坐标等参数的传输帧格式
        3.10.3 D矩阵数据传输帧格式
        3.10.4 两块FPGA之间数据传输的帧格式设计
    3.11 系统的运行流程
    3.12 本章小结
第四章 高速波前处理单元的Verilog实现
    4.1 高速波前处理单元的总体设计
    4.2 信息测量的实现
        4.2.1 信息测量的总体设计
        4.2.2 信息测量部分的时钟
        4.2.3 指令处理
        4.2.4 读取相机数据
        4.2.5 滤波
        4.2.6 缓存图像和寻找最大值
        4.2.7 质心计算
        4.2.8 K参数计算
        4.2.9 计算信息向量C
        4.2.10 信息测量部分总结
    4.3 控制信号计算的实现
        4.3.1 控制信号计算的总体设计
        4.3.2 控制信号计算部分的时钟
        4.3.3 初始化
        4.3.4 信号计算
        4.3.5 DA控制
        4.3.6 控制信号计算部分总结
    4.4 本章小结
第五章 系统的实际性能测试
    5.1 光束质量评价
        5.1.1 远场发散角
        5.1.2 峰谷值和均方根值
        5.1.3 泽尼克像差系数
    5.2 系统的运行结果
    5.3 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 论文总结
    6.2 研究展望
致谢
参考文献
作者简介


【参考文献】：
期刊论文
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[3]自适应光学波前校正器技术发展现状[J]. 林旭东,薛陈,刘欣悦,王建立,卫沛锋.  中国光学. 2012(04)
[4]自适应光学技术及其军事应用[J]. 陈波,杨阳,耿则勋.  火力与指挥控制. 2011(08)
[5]自适应光学系统波前处理技术[J]. 王东娇,朱林泉,程人杰.  机械管理开发. 2009(06)
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博士论文
[1]基于自适应光学高分辨率微型成像系统关键技术研究[D]. 钮赛赛.南京航空航天大学 2012
[2]全光路像差校正自适应光学技术和双变形镜自适应光学技术研究[D]. 胡诗杰.电子科技大学 2009
[3]自适应光学图像复原理论与算法研究[D]. 陈波.解放军信息工程大学 2008
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硕士论文
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[2]基于哈特曼—夏克传感器的波前检测方法研究[D]. 汪伟.华中科技大学 2011
[3]用于人眼像差测量的夏克哈特曼波前传感器[D]. 华力为.南京理工大学 2009
[4]哈特曼对模拟大气湍流的测量研究[D]. 黄盛炀.国防科学技术大学 2007
[5]用哈特曼波前传感器测量人眼像差的研究[D]. 饶学军.电子科技大学 2003



本文编号：3418350